本研究利用電腦輔助設計軟體，針對牙科手機渦輪轉子進行內部微型筒夾元件結構設計。當使用者按壓手機頭部，將使楔型推鈕推開微型筒夾進行鑽針的取放。利用電腦輔助分析軟體進行微型筒夾應力與變形模擬，探討按壓距離與微型筒夾直徑開度的關係，並分析微型筒夾夾持鑽針時因變形所產生的應力，以分析結果作為結構設計改善之基礎。再將微型筒夾開槽形狀作為設計變數，進行最佳化設計與分析，由此完成微型筒夾之結構設計。再進一步以小批量化的實驗結果進行設計驗證，確認此一結構設計的可行性，以作為牙科手機微型筒夾設計與發展之參考。

This study covers the utilization of CAD to design a miniature chuck component of a dental handpiece turbine. A wedge button is pressed to open the miniature chuck to allow a dentist to set the burr every time the head-cap of the tool is pressed. We analyzed the stress and deformation of the chuck by employing a CAD program. In addition, the relationship between the wedge button distance and the chuck bore diameter, along with the stress to the chuck clip, was analyzed to improve the design outcome. Finally, we found a way to optimize the design by setting the shape of the chuck as a major design variable.
A small quantity of prototypes were produced to verify the design results and allow for further refinement and development of the dental handpiece.

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授權書
中文摘要 IV
Abstract V
謝 誌 VI
目 錄 VII
圖目錄 XI
表目錄 XV

第一章 緒 論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 2
1-3 文獻回顧 3
第二章 牙科手機與夾持機構介紹 6
2-1 牙科手機種類區分 6
2-2 結構與驅動原理 9
2-3 夾持機構及其特性 11
2-4 筒夾材料選用 14
2-4-1 不銹鋼的性質 15
2-4-2 熱處理與金相組織 17
第三章 微型筒夾應力簡化理論分析 22
3-1 機構元件介紹 22
3-2 初步應力分析 26
3-3 初步應力分析結論 35
第四章 微型筒夾有限元模擬分析 36
4-1 有限元素法基本概念 38
4-2 幾何模型建立 39
4-3 有限元素模擬參數與設定 40
4-3-1 分析時之物理量單位 40
4-3-2 材料性質 42
4-3-3 邊界條件設定 43
4-4 筒夾原始構型與初步改良分析 46
4-4-1 原始構型應力分析 47
4-4-2 初步改良構型應力分析 50
4-5 筒夾改良構型最佳化設計與分析 55
4-5-1 最佳化設計概論 55
4-5-2 最佳化數學模型 55
4-5-3 最佳化流程 57
4-5-4 筒夾構型最佳化分析 58
4-5-5 最佳化分析結果 59
4-5-6 最佳化結果探討 62
第五章 微型筒夾性能檢測實驗 67
5-1 按壓行程與筒夾開度實驗 67
5-1-1 實驗設備、目的與方法 67
5-1-2 實驗結果 69
5-2 筒夾按壓力實驗 69
5-2-1 實驗設備、目的與方法 69
5-2-2 實驗結果 72
5-3 筒夾夾持力實驗 73
5-3-1 實驗設備、目的與方法 73
5-3-2 實驗結果 75
5-4 筒夾按壓耐久實驗 76
5-4-1 實驗目的、方法與設備 76
5-4-2 實驗結果 78
5-5 結果與討論 78
第六章 結論與未來展望 80
6-1 結論 80
6-2 未來展望 81
參考文獻 82

圖目錄
圖2-1 牙科治療台( Sirona®) 6
圖2-2 高速牙科手機、快速接頭(Kavo®)與氣源管 7
圖2-3 慢速牙科手機、氣動馬達(Kavo®)與氣源管 7
圖2-4 洗牙手機、快速接頭(NSK®)與氣源管 8
圖2-5手術用骨刀、電動馬達及控制器(NSK®) 8
圖2-6 植牙手機、電動馬達及控制器(NSK®) 9
圖2-7 高速牙科手機結構 9
圖2-8 治療台導管接頭形式 10
圖2-9 牙科手機頭部剖面圖 12
圖2-10 SUS420F材料組織良好(500倍) 20
圖2-11 SUS420F材料組織不良(500倍) 21
圖2-12 SUS420F材料組織不良(1000倍) 21
圖3-1 微型筒夾 23
圖3-2 楔形推鈕 24
圖3-3 轉軸 24
圖3-4 轉軸組件 25
圖3-5 筒夾細部尺寸圖 27
圖3-6 筒夾斷面簡化分析圖 27
圖3-7 對應變位所施加外力示意圖 28
圖3-8 筒夾內徑尺寸示意圖 29
圖3-9 筒夾變形示意圖 30
圖3-10 最大應力位置示意圖 31
圖3-11 鑚針置入變形示意圖 33
圖3-12 鑚針受力示意圖 34
圖4-1 微型筒夾有限元素分析流程 37
圖4-2 初始結構設計 40
圖4-3 邊界條件(限制) 44
圖4-4 邊界條件(限制與位移) 45
圖4-5 網格劃分 46
圖4-6 夾持點最小孔徑計算 47
圖4-7 原始設計按壓0.6mm時應力分析圖 48
圖4-8 原始設計按壓0.65mm時應力分析圖 48
圖4-9 原始設計按壓0.7mm時應力分析圖 49
圖 4-10 機械加工機用筒夾 50
圖4-11 初步修改模型 50
圖4-12 初步修改模型網格圖 51
圖4-13 初步修改設計按壓0.6mm時應力分析圖 52
圖4-14 初步修改設計按壓0.65mm時應力分析圖 52
圖4-15 初步修改設計按壓0.7mm時應力分析圖 53
圖4-16 初步修改設計之鑚針夾持應力 54
圖4-17 筒夾最佳化設計流程 57
圖4-18 設計變數(單位mm) 58
圖4-19 目標函數最佳化收斂圖 60
圖4-20 限制條件最佳化收斂圖 60
圖4-21 限制條件與設計變數(DV1)局部趨勢圖 60
圖4-22 限制條件與設計變數(DV2)局部趨勢圖 61
圖4-23 限制條件與設計變數(DV3)局部趨勢圖 61
圖4-24 限制條件與設計變數(DV4)局部趨勢圖 61
圖4-25 限制條件與設計變數(DV5)局部趨勢圖 62
圖4-26 按壓行程與筒夾最佳化設計應力 63
圖4-27 按壓行程0.5mm與筒夾應力 64
圖4-28 按壓行程0.6mm與筒夾應力 64
圖4-29 夾持1.6mm鑚針與筒夾應力 65
圖5-1 U型工具 67
圖5-2 電子式微小徑精密比測儀 68
圖5-3 機械式推拉力計 70
圖5-4 標準圓棒 70
圖5-5 筒夾按壓力實驗(一) 71
圖5-6 筒夾按壓力實驗(二) 72
圖5-7 小型扭力計 73
圖5-8 筒夾拔出力量測 74
圖5-9 筒夾夾持扭力量測 75
圖5-10 往復式按壓壽命測試台 76
圖5-11 筒夾按壓耐久實驗與次數設定 77

表目錄
表2-1 SUS420F化學成分 16
表2-2 SUS420F熱處理溫度及硬度 19
表3-1 筒夾設計要求 25
表3-2 筒夾之材料性質 31
表4-1 不同單位制的物理量單位 41
表4-2 模擬分析物理量單位 42
表4-3 有限元分析之材料性質 43
表4-4 邊界條件 44
表4-5 按壓行程與應力(原始設計) 47
表4-6 按壓行程與應力(初步修改) 51
表4-7 鑚針夾持應力(初步修改) 53
表4-8 設計變數範圍(單位mm) 59
表4-9 設計最佳化數值(單位mm) 59
表4-10 按壓行程與筒夾最佳化應力分析結果 63
表4-11 夾持鑚針與筒夾最佳化應力分析結果 65
表5-1 按壓距離與筒夾開度 69
表5-2 按壓力實驗結果 72
表5-3 夾持力實驗結果 75
表5-4 筒夾按壓耐久實驗結果 78

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