机械加工，包括材料的精确切割及成形，是制造业的核心工序。随着具备极高强度及硬度的先进材料获广泛采用，传统技术渐渐难以达到所需的精密度。香港理工大学（理大）研究团队研发了一项突破性机械加工技术，在金刚石切削过程中耦合原位激光与磁场，提升切削流畅度与加工表面精度，同时减轻材料的亚表面损伤及降低刀具磨耗。此项双场技术展现了超越其他现有能量场辅助切削技术的卓越效能，有望在更多难加工新型先进材料上实现超精密加工。
由理大工业及系统工程学系教授及超精密加工技术全国重点实验室副主任杜雪教授与其研究团队独创的多能量场耦合辅助超精密加工技术，名为「原位激光－磁场双场辅助金刚石切削」（LMDFDC）。相关研究成果已刊登于国际期刊《国际极限制造杂志》（International Journal of Extreme Manufacturing）。
原位场加工是指在机械加工过程中，将激光或磁场等外部能量场，同步直接施加于切削区域。现有的能量场辅助技术均存在一定局限，例如激光场虽能软化硬脆材料，令其更易被切削，却有机会因过热导致材料熔融损伤；磁场可减小切削阻力、强化散热以令切削过程更顺畅，但其效果在不同材料间表现不稳定，且无法避免在高性能材料（如高熵合金）中因硬质颗粒脱落而造成表面划痕。
LMDFDC通过结合激光及磁场，令两者优点得以协同发挥，同时克服各自不足。研究团队在高熵合金工件上，分别采用新技术和另外三种加工方式以进行比较，包括仅激光切削、仅磁场切削及无任何外场切削。他们利用了一系列先进分析工具，从表面形貌特征、亚表面演化规律，乃至原子尺度的结构特性等多个层面，观察材料的变化。
结果显示，在「热—磁—机械」多物理协同作用下，LMDFDC将加工性能提升至单一能量场无法达到的精度程度。具体而言，技术通过磁场增强热传导，抑制激光引起的热损伤，同时利用激光软化硬颗粒以避免划痕，并提升切削稳定性，从而令完成品表面更平滑、亚表面损伤更少。双场耦合效应还防止了因严重摩擦导致的刀具边缘积屑，以及高温引致的刀具快速损耗，显著降低刀具磨损，延长其使用寿命。
走在先进制造技术研究的最前沿，杜雪教授在2017年带领团队首次提出磁场辅助金刚石切削技术，提升了难加工材料的可制造性。她表示：「随着时代发展，单一能量场辅助加工技术越来越不足以应付新型高性能材料的超精密加工，尤其是新兴的高熵合金。这种金属材料兼具优异的强度与稳定性，在先进工程应用上具高度吸引力，特别于航天、能源等高端领域发展潜力庞大。LMDFDC正为这类新材料的加工带来了技术突破，更开辟了超精密制造技术的崭新发展路径。」
除了引入这项变革性的双场辅助加工技术， 研究亦探究了当双场同时被应用时，材料产生的反应、其内部发生的变化，以及这些变化带来的具体效能提升。这深化了学术界对材料变化背后的科学原理及机制的理解，填补了多能量场加工领域中的知识缺口，对未来因应不同先进材料作技术设计具关键意义。
杜教授补充：「这项研究是首次全面探究激光与磁场在超精密加工中，如何产生协同效应，以及其与单一场效应有何不同。研究成果对于推动与多物理场加工理论相关的前沿学术发展，以及发掘创新加工技术带来了重要贡献。」
研究团队目前正对这项创新技术进行专利申请，并计划未来探索更多不同能量场的协同组合，为新一代高性能材料的制造提供更丰富且可靠的技术途径。
此项研究获得国家自然科学基金委员会的「面上项目」，以及香港特别行政区政府研究资助局的「优配研究金」和创新科技署创新及科技基金的「内地与香港科技合作资助计划」资助。
由理大工业及系统工程学系教授及超精密加工技术全国重点实验室副主任杜雪教授与其研究团队独创的多能量场耦合辅助超精密加工技术，名为「原位激光－磁场双场辅助金刚石切削」（LMDFDC）。相关研究成果已刊登于国际期刊《国际极限制造杂志》（International Journal of Extreme Manufacturing）。
原位场加工是指在机械加工过程中，将激光或磁场等外部能量场，同步直接施加于切削区域。现有的能量场辅助技术均存在一定局限，例如激光场虽能软化硬脆材料，令其更易被切削，却有机会因过热导致材料熔融损伤；磁场可减小切削阻力、强化散热以令切削过程更顺畅，但其效果在不同材料间表现不稳定，且无法避免在高性能材料（如高熵合金）中因硬质颗粒脱落而造成表面划痕。
LMDFDC通过结合激光及磁场，令两者优点得以协同发挥，同时克服各自不足。研究团队在高熵合金工件上，分别采用新技术和另外三种加工方式以进行比较，包括仅激光切削、仅磁场切削及无任何外场切削。他们利用了一系列先进分析工具，从表面形貌特征、亚表面演化规律，乃至原子尺度的结构特性等多个层面，观察材料的变化。
结果显示，在「热—磁—机械」多物理协同作用下，LMDFDC将加工性能提升至单一能量场无法达到的精度程度。具体而言，技术通过磁场增强热传导，抑制激光引起的热损伤，同时利用激光软化硬颗粒以避免划痕，并提升切削稳定性，从而令完成品表面更平滑、亚表面损伤更少。双场耦合效应还防止了因严重摩擦导致的刀具边缘积屑，以及高温引致的刀具快速损耗，显著降低刀具磨损，延长其使用寿命。
走在先进制造技术研究的最前沿，杜雪教授在2017年带领团队首次提出磁场辅助金刚石切削技术，提升了难加工材料的可制造性。她表示：「随着时代发展，单一能量场辅助加工技术越来越不足以应付新型高性能材料的超精密加工，尤其是新兴的高熵合金。这种金属材料兼具优异的强度与稳定性，在先进工程应用上具高度吸引力，特别于航天、能源等高端领域发展潜力庞大。LMDFDC正为这类新材料的加工带来了技术突破，更开辟了超精密制造技术的崭新发展路径。」
除了引入这项变革性的双场辅助加工技术， 研究亦探究了当双场同时被应用时，材料产生的反应、其内部发生的变化，以及这些变化带来的具体效能提升。这深化了学术界对材料变化背后的科学原理及机制的理解，填补了多能量场加工领域中的知识缺口，对未来因应不同先进材料作技术设计具关键意义。
杜教授补充：「这项研究是首次全面探究激光与磁场在超精密加工中，如何产生协同效应，以及其与单一场效应有何不同。研究成果对于推动与多物理场加工理论相关的前沿学术发展，以及发掘创新加工技术带来了重要贡献。」
研究团队目前正对这项创新技术进行专利申请，并计划未来探索更多不同能量场的协同组合，为新一代高性能材料的制造提供更丰富且可靠的技术途径。
此项研究获得国家自然科学基金委员会的「面上项目」，以及香港特别行政区政府研究资助局的「优配研究金」和创新科技署创新及科技基金的「内地与香港科技合作资助计划」资助。
