這次要介紹的是一種台灣自行開發的工程最佳化軟體，這種軟體是CAE (Computer Aided Engineering)軟體的一種。要設計一個工業產品，通常都要有一個模擬軟體(simulation software)，也就是說，我們要測試一下所設計的產品能否使用。比方說，我們設計了一個馬達，當然要測試這個馬達能不能轉，這可以用模擬軟體來測驗。如果我們設計了一個電子電路，要知道這個電子電路是否符合要求，也可以用模擬軟體來測驗。

模擬軟體都是根據物理現象的，比方說模擬建築物的柱子在地震時的受力變化，或是汽車行進時的氣流狀態，或是積體電路晶片的散熱狀態。

    假設工程師不僅希望自己的產品是可以用的，而且要有非常好的性能。比方說，工程師希望能調整葉片的形狀使其通過的風量能夠最大化，或者是改變材料參數提升散熱效率，這時就需要另外一種軟體，那就是最佳化軟體(optimization software)。

    走向精密工業的國家，所有的產品都希望能夠有最好的表現。就以電腦裡的散熱馬達來說，馬達葉片的形狀如果經過最佳化以後，可以使散熱的效果大幅增加。值得注意的是，最佳化軟體不是一般資訊工程師所能完成的。最佳化軟體的理論基礎仍然是物理、數學和工程實務的了解，當然同時需要很會寫程式的軟體工程師。

    我國已經有發展最佳化軟體的能力。在過去，核能電廠是外國人設計的，因此吊具需要非常大的車輛，但是我們也不能輕易地改變吊具的重量。這時就要依賴最佳化軟體，可以達成減低吊具重量又確保安全。如果沒有這種最佳化軟體，而貿貿然減輕吊具重量，可能會發生災難性的結果。

    發射人造衛星時，也希望衛星的光學載具可以比較輕，這也需要最佳化軟體的協助。我國的最佳化軟體將這個光學載具減輕9公斤，節省了1800萬台幣的火箭燃料成本。最佳化軟體也優化了飛彈的進氣系統和噴嘴的流量。

    相信大家知道，一個國家的工業水準幾乎可以從這個國家能否設計模擬軟體和最佳化軟體來判別。全世界的工程師往往都需要這些軟體，但是絕大多數工業用的軟體都是先進國家發展出來的。他們之所以有這種能力，乃是因為他們有很多的工程師對物理、化學、數學等等，都有相當深入的了解，也對於工程實務有興趣。先進國家控制了這些軟體，使得很多開發中國家很難與其競爭。

    希望政府和學術界重視模擬軟體和最佳化軟體的開發，使我們能擺脫對先進國家的依賴。我們也應該知道，我國已經有極少數的軟體公司可以提供這種相當高級的軟體。我們的大學應該教導工學院學生如何使用國產的最佳化軟體，也要讓他們知道最佳化軟體不是容易發展的，沒有學問，絕對不可能有這種軟體。

    口罩是用不織布的原理，請看圖一。

圖一

    任何布都是由纖維所造成的，不織布所用的纖維其實是很短的，而且是很混亂的。如果要做口罩，就要知道所要過濾的是病毒，病毒是非常小的，通常直徑只有100奈米(1奈米等於10億分之一公尺)，所以纖維要越細越好。下面我會介紹口罩的纖維是利用了熔噴的技術。

    熔噴是將一種材料通過加熱的管子，這種材料是聚丙烯(PP)，原來是一個很小的顆粒，因為管子是熱的，管子的孔徑是很小的，所以出來的纖維直徑是1-5微米(1微米等於1百萬分之一公尺)。如果用普通的纖維，過濾的效果是比不上這種利用熔噴技術所產生的纖維。利用熔噴技術所產生的不織布，過濾的效果可以達到99%。如果用普通的布或者是普通的不織布，過濾的效果不足30%。

    加熱所用管子的材料是SUS不銹鋼，孔徑是0.3毫米(1毫米等於1千分之一公尺)。機器每1吋要鑽35個這樣的孔，管子的長度是3毫米，機器一共要鑽2千個孔。

    可是光靠熔噴仍然是不夠的，不織布還有一個特色，那就是上面有靜電。大家都有經驗，如果用摩擦生電，可以吸住很多小而輕的東西，比方說，將塑膠尺摩擦以後，可以吸住微小的紙屑。這種將布料上面佈滿靜電的技術就叫做電暈技術。請看圖二。

圖二

    從圖二，我們可以看出布因為兩個滾筒的旋轉而由左至右行動，但是我們又有一個電場，這個電場和布行動的方向是互相垂直的。圖二的電壓大概是5-10KV，這個電場的作用有一點像尖端放電，我們都知道放電的結果是會引起電子移動的，照說這有點危險，但是因為有布在電場之中，所以布會阻擋電子的移動，使得靜電留存在布上。

    前面有提及纖維的材料是聚丙烯，之所以選擇聚丙烯，乃是因為它帶電能力強，含水率最低(最不會把電子帶走)，能長久駐存電子在纖維內。

    問題是，並非所有的布都能夠大量地吸收電子。台灣的熔噴不織布生產公司會在PP高分子材料中加入些許自家的獨門配方，這配方就是駐極體材料（Electret）。駐極體是一種介電材料，它均勻地滲入PP材料之中，在上述加電技術(電暈技術)製程的同時，可以讓靜電荷長久甚至永久駐存。駐極體材料可以只帶有單一電荷(例如正電荷或負電荷)，也可以帶有等量的正負電荷。尤其帶有等量正負電荷的駐極體材料，可以對外在及微細(50奈米-5微米)的固體微粒(如病毒、細菌、煙霧、花粉等)有很好的吸引性能，此情形下駐極體行為非常類似磁鐵吸磁粉。駐極體空氣過濾材料要求材料的儲存電荷密度大，其電荷密度的儲存壽命長及儲存電荷穩定性強等等。

    很多材料確實比PP(聚丙烯)更具駐存靜電的能力，這些駐極材料諸如電氣石、磷酸鋯、二氧化矽等無機材料，但無機材料不具備成為纖維型態的特性，所以將之適量且均勻地加入PP材料中，如此，更能以電暈放電的方式讓熔噴材料容易地帶上電荷，施加高壓時，尖端放電針尖下方的空氣可以很順利地產生電暈電離，進而發生局部擊穿放電，載流子通過電場的作用而沉積到熔噴布表面，一部分載流子會深入表層被駐極母粒的陷阱捕獲，從而使熔噴布成為駐極體過濾材料。

光靠熔噴、靜電力不容易完全過濾，還好這隻冠狀病毒在空氣中的運動是遵循著布朗運動。布朗運動（Brownian motion）是微小粒子在流體中做的無規則運動，超微粒會呈現不規則狀的運動，因而稱它布朗運動。當微粒與空氣分子碰撞之後的路徑就像「凌波微步」，如圖三所示。這好比一位酩酊大醉的人走路搖晃，經常進門時自己撞到門柱的現象，那隻病毒就好比醉漢，那根門柱好比熔噴纖維，一旦撞到就是攔截到(過濾)的意思。

圖三

如果沒有這種駐極材料，光有電壓仍是不夠的，所以我們要知道，要做出非常好的口罩，所用的技術牽涉到機械、電機和化學。我相信很少電機系的學生懂得駐極材料是怎麼回事，這只有到了職場以後才能了解，可見得紡織工業已經是精密工業了。

年輕學子應該知道，我們不一定要追求時尚，很多傳統的工業都可以變成精密工業，也就是規格極高的工業。我們需要很多有學問的研發工程師，在各行各業中使得原有的工業技術更上一層樓。我們也應該感謝我們國家有很多工程師是相當有學問的，對於機械、電機和化學等等，都有相當的了解。我們應該鼓勵他們繼續努力，提高我國的工業水準。

    我們現在可以看MOD上很多的電影，在過去，這種服務是依靠外國通訊公司所提供的技術。這種技術得來不易，都是以台幣億元起跳。問題不在於費用如此之高，最大的問題乃是必須完全依靠外國工程師的維護。外國工程師遠在歐洲，電話聯絡也相當不便，語言不同，當然也就很難講清楚問題之所在，而且無法改進系統。

    值得我們高興的是，中華電信花了幾年的時間，已經可以完全擺脫外國的技術。不僅大幅減少經費，而且也使得我們可以隨時修改人機介面，更可以有效地利用國內的通訊系統。硬體是我們自己買來的伺服器，我們國家已經可以提供這種伺服器，最重要的乃是軟體的開發。

MOD提供影片讓用戶觀看，所以需要一個影片管理軟體。影片儲存在電腦內必須轉檔，除此以外，我們必須將影片儲存，然後應用戶要求，將影片經由網際網路送到用戶端。這些都靠軟體達成任務。

MOD必須儲存所有用戶的資料，也要能提供機上盒裡的軟體。用戶不僅能夠看電影，也能看相當多的電視台節目。比較重要的是，電影的播放不能間斷，所以如何能使用戶可以利用網路看電影，是需要很多技術的，這些技術當然都是靠軟體。

中華電信自行開發系統是一件很重要的事，因為我們國家不能永遠依靠外國系統。中華電信在這個系統開發上花費了近三年功夫，幾十位工程師參與這個研發工作，其結果是相當好的。人機介面可以更符合用戶的需要，也可以隨時加以修改，這都是過去所不能做到的事。

中華電信有了這種技術，也使得外國的片商願意和他們合作，我們之所以能夠看Netfix也是因為他們利用了我們國家自有的技術。

我們一方面應該讚揚中華電信的努力，一方面也應該鼓勵中華電信進一步地開發更多通訊工業上所需要的設備。我們不能認為中華電信是一家民營的服務型公司，它必須有一個任務，那就是提高整個國家的通訊技術。希望中華電信知道，二次世界大戰中，英國的解密碼設備其實等於電腦，但是這些設備都是當時英國郵局所建造的。

我們國家一直花大錢購買先進國家的各種設備，的確應該要有野心，能夠發展國產的設備。這不完全是貿易平衡的問題，如果設備永遠是外國的，我們的工程師多半是維護工程師。我們應該鼓勵維護工程師能夠了解設備的原理，進而發展自己的設備。中華電信的例子是值得大家注意的。

    我們的水中如果有很多氧氣，這種水用來灌溉農作物，一定會有好處。這篇文章要介紹一家可以產生非常小的氣泡公司，這種氣泡的直徑是100奈米(1奈米是10億分之一米)左右，在1cc的水中，可以放入1億個氣泡。這種氣泡的產生是很有趣的。

    氣泡的產生是利用文丘效應，文丘效應請看圖一。

圖一

    液體從左流到右，左邊管子比較寬，中間有一段會比較細。假設液體是不可壓縮的，在管子小的那一端，液體的流速會變大。管子左邊的壓力是P1，中間的壓力是P2，P1一定要大於P2，否則液體的流速不會變大。也就是說，在管子的中間，壓力會減低，壓力一旦低了，對外面就形成了吸力。將氣體從管子的中間吸進去，氣體當然不會溶於水，它會形成氣泡。

    這種設備完全是根據文丘效應，文丘效應的理論部分有點複雜，我就不在這裡討論。重要的是，在管子細的部分，壓力會減低，這樣可以使氣體進入。

    這個系統有很多參數必須考慮，液體的流速、氣體進入系統管子的直徑、氣體進量的速度、管子細部的大小等等，這些參數如果配合得很好，可以產生微米(1微米是1百萬分之一米)級氣泡。這還是太大了，所以必須使得這些氣泡互撞，如圖二所示。這有如我們將一些珠子互撞，珠子也是會變小的，互撞以後，氣泡的體積會變得更加小，就有了奈米級的氣泡。

圖二

    有一個問題，那就是氣泡在水中為何不會變大?如果變大了，氣泡就有很大的浮力，浮力會使氣泡上升而脫離水面。氣泡之所以不會變大，乃是因為氣泡會帶電，而且都是帶同樣的電，所以氣泡與氣泡之間仍然保持一個距離。這是一種混合分散的現象。氣泡之所以會帶電，乃是因為它進入水中時，和水有摩擦，因此帶電。

    值得大家欣慰的是，我們國家很多農場所用的水是含有大量氣泡的，可見得我們國家的農業越來越科技化，農場也能善用精密科技。當然我們也要感激很多工程師肯下苦功，善用物理的文丘效應。同學們實在應該多讀物理，否則不可能做出這種非常微小的氣泡。有趣的是，這種氣泡是完全看不見的。

這次要介紹的是一種特殊的工法，這個工法專門用在加工需要非常細且深的孔穴，像這次口罩不織布製造設備的熔噴口，直徑只有0.15mm(1mm等於1千分之1米)，但深度卻超過直徑的10倍以上，也就是說，我們要有一種機械可以挖一個直徑只有0.15mm的洞。值得大家高興的是，台灣有一家公司可以設計並製造這種機械，而且行銷到全世界。

造成深孔是靠放電加工的，在這邊再次介紹放電加工的原理，請看圖一。

圖一

    假設我們要在工件上挖一個洞，而這個工件的強度非常大，但是洞又要小，這時候放電加工就有用了。我們先要設計一個電極，這個電極的形狀和我們所要挖的洞的形狀是有關的。然後我們設法將電壓加到這個電極上，這時就會使得電極和工件之中產生火花放電，火花放電可以使得工件的材料受到損壞，因此可以形成我們所要的洞，如圖二所示。請注意，我們必須要使用一種絕緣加工液，以保證電極不碰到工件。

圖二

    從圖二中，我們可以看出工件上有了一個洞，而這個洞的形狀是我們所要的。我們能夠得到這麼一個形狀複雜的洞，乃是因為電極的形狀是經過特別設計的。要注意的是，電極上一定會有殘渣，所以在加工的過程中，電極必須常常退出，然後將殘渣去掉。當然殘渣去掉是利用壓力到絕緣加工液上的。

而深孔放電，電極是使用細長的金屬管，這個金屬管是相當細的，直徑只有0.1mm，這個金屬管內部有一個內管，直徑是0.07mm。所以我們在挖深孔時所用的電極可以說是一條非常細的金屬線。這根金屬線的寬度和人的頭髮差不多，但是裡面是中空的。

工件和電極一般不泡在加工液中，而是靠金屬管中噴出絕緣液體，來達成絕緣層的效果。另一個從電極噴出絕緣液的考量是，當孔鑽得深時，液體很難經由工件和電極間的縫隙進入加工區域，當絕緣效果不足，則容易造成短路。為了增進加工效率，通常我們會讓電極旋轉，一是方便排渣，二是當電極直徑和長度相比太小時，容易造成晃動，利用高速旋轉可以減少這個效應。深孔放電加工的示意圖如圖三。

圖三

這家公司能做得比別人好，有下列幾個原因:

(1)放電加工必須注意工件的材料，加工時，電壓、脈衝的寬度、絕緣液體的種類等等，都是重要的參數。如果參數用的不對，不可能有好的效果。這家公司成立了二十多年，他們的工程師常常做研究，也很有經驗，因此建立了一個資料庫，可以正確地決定加工時的參數。

(2)他們機械的零組件當然是外購的，他們非常重視零組件的品質，不單對每一個零組件有測試的步驟，而且他們會將小的零組件組成一個較大的零組件以後，再測試這個較大零組件的功能。這樣的做法保證機械最後是會很穩定的。

(3)所有的組裝都是人工的，組裝是由非常有經驗的技術人員執行的，這些技術人員在公司中受到很高的尊敬，因為不同的技術人員組裝的結果是完全不一樣的。

(4)在放電加工的過程中，參數仍然要保持穩定，這是靠控制系統的。也就是說，這家公司的工程師發展了一套電子控制系統，這個系統會知道加工的情形，然後將這種狀況回饋給主機，主機會根據送回的資料確保電壓、脈衝寬度等等的穩定。

這家公司最大的特點是，只有一種產品，那就是深孔加工的機械。這種做法使得工程師非常有經驗，乃是採取了一種精益求精的文化，這使得他們的機械可以行銷到35個國家。這不是一件容易的事，舉例來說，對某一種工件，他們必須要用一種非常特別的絕緣液體，而因為用了這種液體，整個機械必須重新設計。

我們國家有這種公司是值得慶幸的，因為要有精密工業，就必須有這種公司。我們應該鼓勵而且支持這一類的公司。

當然，我們也應該知道放電加工時所用的細金屬線是從日本買來的。希望國人能夠完全自行開發製造這種細金屬線，不要忘記，這種細金屬線裡面是中空的。

我們日常生活中常常要用到觸控薄膜，這種薄膜當然在出廠以前需要經過一次檢測，我今天要介紹的檢測設備是利用光學的，圖一就是這個檢測設備光學部分的示意圖。

希望大家知道，這僅僅是示意圖，真正的光學部分要比圖中的複雜得多。

要做好一個自動化檢驗設備，不能用人工的方法。各位今天可以看到設備中送件的部分，就要非常小心地設計。

首先，我們知道薄膜是非常脆弱的，如果處理不當，薄膜是會被損壞的。當初將薄膜送進來時，是一疊一疊送的，每一疊有100片，檢驗的時候只檢驗一片，所以如何從疊中取出一片，乃是要非常小心的。這家公司用的是真空吸取，這種利用真空吸盤的方法乃是最安全的，不會損壞薄膜。

但是薄膜有帶靜電，因此可能一下子吸到了兩片，所以工程師又設計了一種方法，請看圖二。

            圖二

圖二中，abcd都是真空吸盤，吸盤後段是筆形氣缸可做Z軸的上下移動，ab是一組，cd是另外一組。假設ab現在氣缸在上位，則cd氣缸在下位，。藉由兩組氣缸上下交錯移動數次以後，就只剩下一片薄膜了，不會有兩片薄膜黏在一起。當然，這架檢驗設備有一個感測器可以確保只有一片薄膜受到光學檢驗。

薄膜有一個問題，它不像玻璃，玻璃永遠是很平的，可是薄膜很軟，可以想見的是，它會有的地方翹起來，當然也有的地方低了下去。這種情形一定要克服，我們的檢驗設備做到了這一點，請看圖三。

             圖三

圖三中的點是真空孔，這些真空孔使得薄膜非常之平。當然也會有檢測器看薄膜是否已經完全平滑了。

薄膜在被光學檢驗的時候，必須被準確地定位，否則檢驗就沒有意義了。要做這一點，請看圖四。

圖四中可以看到薄膜的旁邊有氣缸，氣缸受到氣體的壓力就會向前移動，我們當然要預先決定需要移動多少位置。氣缸是很精密的零組件，所以一旦移動以後，薄膜就會被定位，然後可以送到光源下接受檢驗。檢驗完畢以後，又用類似的方法將薄膜送到另外一個位置。這都是用機械手臂完成的。

還有一個問題，那就是薄膜正面和反面都必須接受檢驗，請看圖五。

             圖五

因為要在薄膜的反面也有光學系統，薄膜必須被放在一塊玻璃上。麻煩就是這塊玻璃絕對不能是普通玻璃，必須沒有雜質，也是這家公司向台灣玻璃廠商訂做的玻璃。我們需要玻璃有吸力，使得玻璃可以吸住薄膜，如此薄膜在被檢測的時候也是會非常平滑的。請看圖六。

             圖六

這種客製化的玻璃上，有很多真空小孔，每個小孔的直徑是1mm。氣流可以從小孔中流出，如圖七所示。

              圖七

所以我們用了兩片玻璃，上下各一。圖七中沒有畫出真空小孔，但是氣流當然是從小孔中流動的。工廠裡當然要有抽真空的設備，才能使用這個檢驗器。

我所畫的圖全都是示意圖，真正的設備並不是這麼簡單的。

年輕人千萬不要以為任何工程上的成就是很容易的，在大學裡，我們頂多學會如何利用光學檢驗薄膜，可是真正的檢驗器絕對不是用人工將薄膜送到一片板上去的，這種做法使得光學檢驗不可能有效。生產薄膜的工廠一定要使這個檢驗器和生產設備是能夠連結的，也就是說，生產的薄膜是要直接不經過人工而送到這架光學檢驗器，所以自動化是一定要做的。

但是自動化也不是簡單的事，每一種自動化都是客製化的。薄膜輸送的自動化就要注意到薄膜的特殊性質，比方說，它很軟而且兩片可能黏在一起。最後放到玻璃上時，也要保證薄膜在玻璃上是絕對平滑的。這些都是需要工程師很小心地設計。

一個國家的科技如果發達，應該能夠設計特別而精密的設備，從這個例子，可以看出我國已經往發展設備的方向前進。我們一方面感謝有這麼多好的工程師在默默地努力工作，也希望工程師能夠一直設法設計出越來越精密的設備。