超音波與口罩

文/郭立昌

現代懷孕的女生都會去照「超音波」，觀察胎兒的成長，也感受為人母過程的喜悅。因為，超音波不像X光或CT(電腦斷層掃描，Computed Tomography)具有游離輻射，而且無創及無放射性，故成為觀察胎兒的最佳選擇。一般診斷超音波掃描採用的頻率範圍為3~9百萬赫茲(Hz)，惟超音波不僅在醫學用途，工業用途也相當廣泛—各位今天所戴的「口罩」就是超音波加工的產品。

全球新冠疫情至今依然熱度不退，感染的途徑仍然從口鼻進入；然而，從「丹佛」飛往「舊金山」的飛機上，已經「不需要戴口罩」，舊金山的店舖也是不用戴口罩。顯然，美國採取和英國一樣的「放飛」政策，放任疫情蔓延。海島則在選情壓力下，東施效顰，導致從愚人節的嚴控—日僅百例確診，到今天單日已達「50,780例」—成為每百萬人高獲獎率的地區。剛剛看見騎樓大排長龍，好奇地停下來問，居然是排隊買「快篩劑」—不知有何益處？德國每組1歐元(約新台幣30來塊)，加拿大免費取用；海島當局不知在玩啥把戲？

反觀歐盟，先進國家倒是嚴格要求，佩戴「FFP2等級3D口罩」，以高密合度(≧95%)和高防護力(0.3μm以下)，過濾油性和非油性微粒，俾達到防疫的效果，促使社會回復正常運作。目前台灣在一群專業人士的努力之下，3D口罩的防護力可達「0.075μm」，被認證為最佳呼吸防護具。

歐規FFP2級3D口罩要求高密合度

1982年，我到了瑪特爾公司時，看見到處都是「超音波」加工機，因為「芭比娃娃」的身軀需要用超音波把「前胸和後背」熔合，芭比的腳會彎曲是因為有「腿骨」，還是需要超音波加工。最可笑的是後者，一支腿骨有三片零件，只見作業員辛苦地用榔頭敲打在一起，再放進加工位置熔合，有的「溢膠」—出現毛邊，有的一折就斷，皆需要人工檢驗及再加工，良品的工時合計高達每支15分鐘，真是荒謬至極—最荒唐的是，原設計者宣稱設計過「小鷹飛彈」，每支腿骨索取0.1美元智財費。

實在看不下去，只好花了十秒鐘將其結構改變，不必使用「超音波加工」，15秒可生產四支—零缺點—最粗殘的小孩怎麼折，再也折不斷。生產線上馬上出現一大堆閒置的超音波焊接機，芭比娃娃也再延壽三十年。「加工法」該用什麼就用什麼，不是一定得要使用特定的方法。不過，應用超音波加工於「口罩」生產，則是一大突破，才有這次新冠疫情的防護工具。

超音波焊接是把電能轉機械能，工件放在定位—稱為「NEST」(巢)，需要一個「HORN」(焊頭)接觸工件，加壓使原本兩個分開的工件快速地融合在一起，不必像溶劑或樹脂需要等待乾燥的時間。由於以前「HORN」都是「鋁合金」所製，故稱之為「鋁頭」，或只稱「HEAD」(頭)。接觸，意味著碰撞，所以「HORN」算是消耗品，每隔一段時間就必須「更換」—這是供應商最快樂的單元。

回顧「超音波焊接」的歷史，這也是一個偶然的發明。1965年時，索羅夫(Robert Soloff)和林思利(Seymour Linsley)獲得運用超音波焊接硬質熱塑性零件的專利。索羅夫曾經是「布朗森儀器」(Branson Instruments)實驗室經理，某日他無意間調高「探針」(Probe)的頻率至「20 KHz (千赫)」，探針觸碰到塑料袋和同質的管子，造成二者熔合在一起，而且沒有「溫升」現象，於是他們很興奮地鑽研，發現電能轉換為機械能可應用於同質塑料的熔合，進而開發出具有工業用途的「超音波焊接機」(Ultrasonic Welder, 簡稱Sonic Welder)。

布朗森超音波焊接機

「Hz」(赫茲，簡稱赫)為聲音的單位—即每秒振動的次數。一般說話時，聲帶褶振動的頻率為「100~220 Hz」；唱歌時，其頻率為「50~1500 Hz」。人類耳朵可聽到的聲波頻率介於「20~20,000 Hz」之間；「超音波」(ultrasonic)屬於一種聲波，又稱為「超聲波」(ultrasound)，也是一種「機械波」—其在物理定義上，頻率大於「20,000 Hz」(20kHz)的聲波稱為「超音波」，而頻率小於「20Hz」的聲波，則稱為「超低頻音、次聲、次音」(infrasound)。當年我們發明「非接觸傳智晶片」的頻率經過長年的實驗成果，定義於「13.56MHz」—屬於「微波」，啟動「非現金」(Cashless)交易的時代，也為防疫準備了另一項最佳工具。

喜歡新科技的芭比媽媽—路得女士(Ruth Handler)，得知有這麼先進的超音波加工機，馬上引進瑪特爾的生產線。1959年問世的芭比娃娃，開始是使用溶劑粘合，非常浪費人力物力。俟引進超音波加工機之後，瑪特爾公司如虎添翼，大大地降低成本，同時提升產品品質。「布朗森儀器」則和瑪特爾形成革命情感，每遇到機台汰舊換新時，訂單都是「千台」起跳—數字蠻驚人的。即使當年，我覺得有改進之處，想培養本地的廠商，瑪特爾的政策仍然採購布朗森超音波。

我認為最主要的缺點在於「HORN」使用「鋁」為材料，無法擴大應用範圍，布朗森認為沒有改進的必要；所以培養本地的業者，希望「鋁頭」能變成「鋼頭」，整個製造範圍可以迅速擴張，而且可以提高加工速度。電能轉化為機械能時，超音波能量可以穿過硬質塑料，並在其周圍傳播並使兩個工件焊接在一起；「鋁頭」的傳導性優於「鋼頭」，卻因為質地太軟而無法擴大應用。經過不斷地研究改良，終於「鋼頭」登場，不僅同質的材料可以焊接，像不同材質的「植入式鑲嵌」(Insert Molding)也可以使用超音波加工。加工方式也從傳統的縱向加工，演進至水平加工，更發展出滾輪式的加工。

原來的縫紉機車製的布口罩，耗時費力，能防護的是「100μm」級；1993年改進使用「聚丙烯」(PP, Polypropylene)材質，密合度約60%，濾效可達到「10μm」以下的防護力，而且可以使用超音波熔合，加工速度快—可以達到2秒鐘的加工速度(Cycle Time)。然而，新冠病毒不斷地演化，根據哥德堡大學的研究，奧米客(Omicron)粒子已達「5μm」以下，能夠飄浮於空氣中，穿透力越來越遠，「呼氣」(exhale)就能造成感染；平面口罩已經不敷現實的需要。因此，歐盟的規定是高密合度及高防護力的FFP級3D口罩。

平面口罩的防護力有限

現在通過歐盟CE0161認證的高階FFP2級3D口罩，「密合度」高達95%(或以上)，使用的滾輪環繞超音波加工技術，已經不是上個世代生產設備所能望其項背者。由於口罩是低單價產品，故需短工時，以求控制成本。短工時意即「高速度」，不能像當年的芭比身軀超音波15秒才做一個。當速度提高時，如同上述，「達到2秒鐘的加工速度」，成本就能降低，產品就能平價—人人都負擔得起。此外，由於技術的改進，外層聚丙烯材料具有疏水性—不積塵，內層親膚性，耳帶材料是尼龍製品，異質材料可以在相同的自動化生產線上完成全部的工序；這些技術都不是上個世紀所能想像的。芭比媽媽如果還健在的話，想必會豎起大姆指，點「讚」！