設計與應用科技溫習筆記：加工與製造

哈囉！歡迎來到「加工與製造」的溫習筆記。這一章節超有趣，因為它會帶你探索如何將很棒的點子和原材料，變成你可以實際拿在手上、真正使用的產品。我們會從工場安全開始，一路探討到工廠如何生產數百萬件像你智能手機那樣的物品。了解這些過程是成為一位優秀設計師和問題解決者的關鍵。我們開始吧！


第一部分：安全至上！健康與工業安全

在我們能製作任何東西之前，都必須確保過程是安全的。工場裡充滿了強大的工具，所以安全是我們的首要任務。把安全規則想像成電子遊戲的規則——如果你無視它們，那就會以一種不太愉快的方式「遊戲結束」！

為什麼安全如此重要？

很簡單：為了保護我們自己和他人免受傷害。一個安全的工場，就是一個高效且愉快的工場。

主要安全規則與實踐：
  • 個人防護裝備 (PPE)：永遠要穿戴正確的裝備！這包括保護眼睛的安全眼鏡、保護腳部的堅固鞋子，以及把長髮紮好。
  • 認識你的工具：除非老師已經教導你如何正確使用，並得到他的許可，否則切勿使用任何機器或工具。閱讀說明書！
  • 整潔的空間就是安全的空間：保持你的工作區域清潔和有條理。溢出的東西應立即清理，而工具使用後應歸回原位。
  • 遵守規則：每個工場都有特定的規則和規例（作業守則）。這些不是建議；它們是為了確保大家安全而必須遵守的要求。
  • 報告一切：如果工具損壞了、機器發出奇怪的聲音，或者你只是受了小擦傷，都要立即告訴老師。
應避免的常見錯誤：

- 趕工。慢慢來！
- 分心或分散他人注意力。
- 讓機器在無人看管下運轉。
- 將工具用於非其設計用途的工作（例如：用螺絲批當鑿子）。

重點提示：

安全不是建議；它是一條規則。在工場裡保持謹慎和警覺，能讓你專注於發揮創意，製作出色的作品，而沒有意外發生。


第二部分：為工作選擇合適的工具——製造加工過程

「製造加工」只是「製作」的一個花俏詞。為了製作東西，我們使用不同的過程來塑造、連接、切割和完成材料。選擇正確的過程，就像在手機上選擇合適的應用程式一樣——選對了就能讓任務變得簡單，並獲得最好的結果！

塑造過程

這些過程改變材料的形狀，通常不會移除任何材料。

  • 銼削 (Filing)：使用銼刀（帶有切削齒的鋼條）來平滑邊緣，或緩慢地移除少量材料以獲得精確的形狀。
  • 鍛造 (Forging)：透過加熱金屬，然後錘打使其成形。想像一下鐵匠鍛造劍的過程！
連接過程

這些過程用於將兩塊或更多塊材料連接起來。

  • 鉚接 (Riveting)：使用小金屬銷（鉚釘）連接兩塊材料板。鉚釘穿過兩塊板上的孔，並將其末端錘打固定。
  • 螺釘連接 (Screwing)：使用螺釘創建牢固、非永久性的連接。螺釘的妙處在於你可以將其旋開，再次將部件拆解！
切削加工 (Wasting) 過程

這些過程透過切削材料的一部分來塑造。之所以稱為「切削加工」，是因為你會產生廢料（例如木屑或金屬屑）。

  • 鑽孔 (Drilling)：使用鑽頭在材料上製造圓孔。
  • 車削 (Turning)：透過讓材料（如木材或金屬）旋轉並接觸切削工具來塑造它。這是在一種稱為「車床」的機器上進行的，非常適合製作圓柱形狀，例如桌腿。
  • 激光切割 (Laser Cutting)：使用高功率激光束以極高精度切割或雕刻材料。它由電腦控制，因此可以切割非常複雜的形狀。
  • 真空成型 (Vacuum Forming)：將塑膠板加熱至柔軟，然後利用真空將其吸附在模具上。它非常適合製作包裝或產品外殼。
表面處理過程

這些是保護產品並使其外觀更佳的最後步驟。

  • 塗層與噴漆 (Coating and Painting)：在表面塗上一層油漆、清漆或其他物質。這可以增加顏色、防止生鏽（在金屬上），或保護其免受水分影響（在木材上）。
你知道嗎？

現代工業激光切割機的精確度極高，甚至能以小於人類頭髮寬度的精準度切割材料！

重點提示：

你看到的每一件產品都是透過結合多種製造加工過程而製成的。知道在塑造、連接、切削加工和表面處理時該使用哪種過程，是每位設計師的基本技能。


第三部分：一件、少量，還是數百萬件？——生產系統

你會如何製作一個獨特的生日蛋糕？那超市所需的500條麵包呢？還有數百萬罐汽水又該怎麼辦？你需要生產的產品數量，將徹底改變你的製造方式。讓我們來看看三種主要的生產規模。

記憶法：O-B-M

記住這三種生產規模的一個簡單方法是 O-B-M：
One (一) = 單件生產 (One-off Production)
Bunch (批) = 批量生產 (Batch Production)
Millions (百萬) = 大量生產 (Mass Production)

單件生產

這表示你只生產一件獨特、客製化的產品。它需要高技能的工人，而且通常速度慢且昂貴。

  • 例子：量身訂製的西裝、新裝置的原型、橋樑、專業科學儀器。
  • 優點：品質極高、完全符合客戶需求、靈活。
  • 缺點：非常昂貴、生產速度慢、需要專業勞動力。
批量生產

這是在製作特定數量的產品時，以「批」為單位生產。當一批產品完成後，機器設備可以更改設定，以生產另一批不同的產品。

比喻：想像一家麵包店。他們早上可能烘烤一批100個牛角包。之後，他們會清潔設備，然後製作一批50個朱古力蛋糕。

  • 例子：書籍（一次印刷5,000本）、季節性家具、限量版運動鞋。
  • 優點：比單件生產更高效、更便宜，且具備足夠的靈活性來生產不同產品。
  • 缺點：在批次之間更換機器設備時會損失時間，比大量生產昂貴。
大量生產

這涉及24小時不間斷地生產大量標準化產品。它利用裝配線和高度自動化的機器設備，以實現最快和最便宜的生產。

  • 例子：汽車、iPhone、樂高積木、塑膠瓶。
  • 優點：每件產品成本極低、生產速度極快且高效。
  • 缺點：機器設備的初始設置成本非常高、缺乏靈活性（很難改變產品）、員工的工作可能重複性高。
重點提示：

單件生產、批量生產和大量生產的選擇，取決於產品、市場和預算。沒有單一的「最佳」方法；關鍵在於為該項工作選擇最合適的系統。


第四部分：確保卓越——製造品質

製作產品是一回事，但持續穩定地製作出「好」產品才是真正的挑戰。這就是品質管理發揮作用的地方。別擔心，這些概念聽起來比實際要簡單！

品質保證 (QA) 對比 品質控制 (QC)

人們常常把這兩者混淆，但有一個簡單的方法可以區分它們。

比喻：想像你正在為一家餐廳煮湯。

  • 品質保證 (QA) 是預防性（注重過程）的：這是關於設定流程以『預防』錯誤發生。它本身就是『食譜』：使用新鮮食材、培訓廚師、確保廚房清潔，以及完美地遵循烹飪步驟。品質保證旨在確保湯在烹煮『之前』就已經很棒。
  • 品質控制 (QC) 是反應性（注重產品）的：這是關於在成品中『找出』錯誤。這是當主廚在湯送到顧客面前之前，先品嚐一下湯是否夠鹹。品質控制涉及測試、檢查和對照標準來檢驗最終產品。
夾具和工裝：保持一致性的秘訣

工廠是如何在一百萬個手機殼的完全相同位置上鑽孔的？答案是靠夾具和工裝！

  • 一個夾具 (Jig) 是一種既能夾持工件，又能引導工具的裝置。
  • 一個工裝 (Fixture) 是一種只負責將工件牢固地固定在適當位置的裝置。

它們對於批量生產和大量生產至關重要，能確保每個部件都快速、準確地製作得一模一樣。

準確度與公差
  • 準確度 (Accuracy)：測量值與真實、期望值有多接近。
  • 公差 (Tolerance)：尺寸可接受的變動範圍。沒有任何製造過程是完美的，所以公差告訴我們一個零件可以大多少或小多少，同時仍然能正常運作。例如，一個零件可能被規定為10毫米，公差為±0.1毫米。這表示任何尺寸介於9.9毫米和10.1毫米之間的零件都是可接受的。
重點提示：

好的品質並非偶然。它是結合了預防錯誤的過程規劃（品質保證）和檢查產品以發現錯誤（品質控制）的結果。像夾具這樣的工具和像公差這樣的概念有助於在大規模生產中實現這一點。


第五部分：數碼革命——電腦輔助製造 (CAM)

歡迎來到現代工廠！如今，電腦和機器人在讓我們的產品更快、更好、更便宜方面扮演著舉足輕重的角色。這一部分是課程選修單元的內容，但它對每個人來說都非常引人入勝！

什麼是數控 (CNC) 和電腦輔助製造 (CAM)？
  • CNC (電腦數控)：這表示機器工具（例如激光切割機、銑床或車床）由電腦讀取一組指令來控制。電腦會精確地告訴機器應該移動到哪裡以及做什麼。
  • CAM (電腦輔助製造)：這是用於為數控機床創建指令的「軟件」。設計師會從CAD軟件中獲取3D模型，並使用CAM軟件來規劃切削路徑、刀具速度等。然後，該軟件會生成數控機床讀取的代碼。

比喻：CAD是建築師的藍圖。CAM是為建築工人準備的詳細、分步說明手冊。數控機床就是機器人施工隊，每次都完美地遵循手冊。

更廣闊的視野：電腦整合製造 (CIM) 和彈性製造系統 (FMS)
  • CIM (電腦整合製造)：這是終極的自動化工廠。它將「所有」環節都由電腦連接起來——從最初的設計、材料訂購，到製造、包裝和運輸。它旨在整合所有過程，以實現最大效率。
  • FMS (彈性製造系統)：這是一種生產系統，可以快速、輕鬆地重新配置以生產不同的產品。它就像是一種高度先進的批量生產形式，由機器人和電腦驅動，具有極大的靈活性。
電腦輔助製造 (CAM) 對行業的影響

CAM和數控技術徹底改變了製造業。以下是它們的影響：

  • 及時生產 (Just-in-Time, JIT)：公司可以在裝配線需要時才精確地生產零件，而不是生產數千個並儲存在倉庫中。這大大節省了金錢和空間。
  • 大規模客製化 (Mass Customisation)：這讓公司能夠以大量生產的價格提供個人化產品。想像一下在新耳機上刻上你的名字，或是在網上為你的新運動鞋選擇確切的顏色。這之所以可能，是因為更改數控機床的指令非常容易。
  • 提高品質和可靠性：機器人不會疲勞或犯人為錯誤。這意味著用CAM製造的產品具有令人難以置信的一致性和可靠性。
  • 減少浪費：CAM軟件可以計算出從材料板上切割零件的最有效方式，從而最大限度地減少浪費。
重點提示：

電腦輔助製造 (CAM) 將數碼設計 (CAD) 與實體機器 (CNC) 連結起來，實現了自動化，並帶來了及時生產和大規模客製化等令人難以置信的進步。它使製造業比以往任何時候都更精確、高效和靈活。