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塑膠成型機導入智慧元素 著重跨域橫向整合能力
 

【作者: 陳念舜】   2020年08月07日 星期五

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雖然今年受到新冠肺炎(COVID-19)疫情干擾,導致每兩年一度舉行的「台北國際塑橡膠工業大展(Taipei PLAS)」也無法如期舉行,讓世界各地參/觀展廠商親身體驗產業第一手市場與技術資訊。但由於塑膠成型機械推動數位化轉型甚早,並納入製造與服務等智慧化元素,遭遇這波跨國商務活動中斷影響較小,甚至可掌握部份「零接觸」商機。


因為今(2020)年遭遇疫情蔓延全球仍未平息,跨國商務、會展活動紛紛中斷,每兩年一度由外貿協會與機械公會共同主辦的「台北國際塑橡膠工業展(TaipeiPLAS)」與「台北國際製鞋機械展(ShoeTech Taipei)」也無法如期舉行,但台灣塑橡膠產業實力猶在,除了利用貿協數位行銷工具,推出整合式線上數位加值服務,力拼全球商機不中斷。同時順應全球循環經濟、永續發展的理念結合智慧製造,鼓勵業者發表高效、低汙染的智慧機械,以及最新研發的製程技術,達到少廢料、低耗能,提高製造效率和再生原料品質為訴求,在塑膠製造及環境永續發展中取得平衡,創造嶄新商機。


根據機械公會(TAMI)公布的塑橡膠機械產銷資料顯示,隨著近年來該產外銷比重逐年成長至80%以上,2018年台灣已位居第六大出口國,僅次於合計出口金額占全球65%左右的世界前五大國:德國、中國大陸、日本、義大利、美國。且因應3C產業蓬勃發展,導致市場對於導入高科技用精密、自動化機械設備需求快速增加,高階產品仍仰賴進口;對傳統設備需求則逐年減少,台灣塑橡膠加工產業確有加快數位轉型必要!



圖1 : 因應3C產業蓬勃發展,導致市場對於導入高科技用精密、自動化機械設備需求快速增加,塑橡膠加工產業確有加速數位轉型必要(攝影:陳念舜)
圖1 : 因應3C產業蓬勃發展,導致市場對於導入高科技用精密、自動化機械設備需求快速增加,塑橡膠加工產業確有加速數位轉型必要(攝影:陳念舜)

內外競爭加劇 促台灣廠商加速轉型

機械公會進一步指出,現今全球塑橡膠機械生產與出口大國仍以歐盟與亞洲最具代表性,尤其是德國約占全球塑橡膠機械貿易值30%左右,近3年來總體產業成長2.6%、產值超過118億歐元;日本是亞洲大國代表,但近年來遭遇台灣、南韓、大陸等地企業急起直追,日本廠商也在國際市場競爭倍感壓力。隨著近年來亞洲地區需求快速成長,當有利於兩岸塑橡膠機械產業長遠發展。


其中由於全電動式射出成型機具備良好環保性能的潔淨、無油污染、低噪音與振動,加上高射出速度300mm/sec~1,000mm/sec、低成形週期優勢;以及低射出功率,節省電力、冷卻水、運轉費用、易維修等綜合性效益,已成為3C、醫療器材、精密機械等高附加價值產業優先考慮的機種。


目前台灣進口射出成型機來自於日本約占67.5%、大陸20.3%、奧地利3.5%,依日本塑膠機械工業會統計當地生產的射出成型機80%以上,皆屬全電動式機種;並預測10年後將囊括日本、歐洲與北美1,600噸以下機種的70%以上,值得台灣廠商深思與開發符合未來市場需求的新一代機種。


另為因應現今勞動力短缺與人工成本快速上升等趨勢,加工業者對於採購自動化塑橡膠機械的意願和需求也會快速上升,未來生產線勢必面臨單一員工照顧多部自動化機械的時代;以及隨著工業4.0智慧機械加入,少量多樣與高附加價值產品的大批量客製化需求,亦將會快速增加!


終端需求丕變 設備聯手客戶循環經濟

此外,當近年來全球塑膠製品的產量受汽車與3C科技、醫療、包裝、建築等領域需求的驅動而持續攀升,也衍生了限塑議題。使得「循環經濟」成為全球塑橡膠產業發展的關鍵字,開始轉向回收再利用、研發替代新材料等面向,將為整體產業鏈注入新挑戰與機會。


包含積極打造塑膠回收與再生供應鏈,提高塑膠廢棄物回收與再生率;重新設計具有再生循環價值的新材料,從塑膠產品開發過程,即應導入綠色設計概念,選用生質材料、生物可分解等友善環境的材料。同時搭配最佳化與節能的生產方式及流程,須能快速因應創新材料的新生產需求,將製造過程的耗能與耗材降到最低。讓產品盡可能以最高價值、最低環境影響的方式保留於循環系統中,不造成資源浪費,進而創造製造端、使用者及環境三方的互利,機械設備升級乃成為這波轉型浪潮的關鍵舵手。


台灣塑橡膠產業因為具備高度彈性、客製化的智慧製造技術實力,又融入本地機械與資訊的軟硬整合競爭實力、累積逾70年的塑橡膠產業Domain knowledge,已打造不同領域代表性的智慧塑橡膠製造設備及解決方案。


例如透過強大的整線能力,將多步驟生產機台整合為單一產線,專為特殊成型需求而打造的「one for all」一機多用解決方案,消弭單機對應單一生產產品線的限制、開發綠色永續材料生產(bio PET、PLA、PP等)等綠色加工技術;同時提供整廠輸出的綠色製程服務方案,協助客戶仍具備高良率及生產效率,更減少能源及塑料浪費,達到兼顧永續循環的智慧化生產。且台灣設備廠也持續打造全電式射出成型機,攜手全球客戶創造競爭力,讓限塑不再是唯一的環保途徑。


工研院產業科技國際策略發展所也指出,因應最近10年來氣候變遷、國家政策、科技進展、消費需求,造成製造人力、產業生態破碎化等全球大趨勢,引發製造業需求變革。現代企業受到需求驅動,開始藉著建立數位化企業與供應鏈,提升客製化與個性化商品製造能力;同時建立具獲利能力的高度彈性化生產能力,才能有效縮短產品研發與製造周期,提高人員工作效率與價值;進而重建國家及區域性製造體系、持續在製造體系中進行節能減碳。



圖2 : 隨著工業4.0潮流,國內外塑橡膠機械大廠也陸續導入新世代機械設備,以強化智慧服務、智慧機械、智慧生產等製造業能力。(source:工研院產業科技國際策略發展所)
圖2 : 隨著工業4.0潮流,國內外塑橡膠機械大廠也陸續導入新世代機械設備,以強化智慧服務、智慧機械、智慧生產等製造業能力。(source:工研院產業科技國際策略發展所)

在上屆Taipei PLAS期間,已可見到隨著工業4.0潮流,國內外塑橡膠機械大廠也陸續導入新世代機械設備,以強化智慧服務、智慧機械、智慧生產等製造業能力。其與傳統自動化最大不同,在於面對更多變與未知環境,係以系統架構使用感測器感知周遭環境,並透過各類資料分析與控制模型、物聯網、機器人等軟硬體關鍵技術,自動調整機械在不同製造領域應用的反應活動,來完成特定任務。並藉此推進機械產品智慧化發展的關鍵議題,約可概分為:


1. 數位化與連結,通過數位化感測與連結,達成設備、產線與工廠數位化,加入工業物聯網應用開發平台,導入數位3D模型→Digital Twins應用。


2. 資料分析與加值應用,陸續達成關鍵資訊可視化,巨量資料分析之後,可透過人工智慧、深度學習來輔助預測與自適應決策,以實現設計與控制最佳化、水平供應鏈智慧化。


3. OT與IT系統整合,待MES與ERP系統完成整合後,即可進行設備及資產運作管理,提高生產效能、彈性,進而實現資源使用最佳化,確保資訊與設備安全。


4. 人機介面與人機協同,強調最佳智慧工廠絕非無人工廠,還須以人為核心,搭配協同機器人(Co-Robot)、AR/VR/MR等人機共工,與環境整合,提高人均產值。


5. 製造服務商業模式,最終基於服務的新獲利模式,,改變台灣在全球供應鏈地位;進而與國際大廠發展智慧製造夥伴關係。


歐日系大廠製造服務 滿足個人化與大批量客製化需求

舉例來說,Krauss Maffei曾提出「Plastics 4.0」解決方案,即透過導入機台間通訊標準來獲得更佳生產力與能源使用效率,進行整合式生產;再利用具備自我感知及調適能力的智慧化機械,以獲得穩定的生產品質;交互式服務,減少停機時間,並提供預測維護服務。


日本Fanuc公司則以機器人模型自動化生產系統,展示其在智慧生產領域的解決方案,一旦從手機接獲客戶訂單後,智慧產線就會依據需要生產的機器人模型,製作生產排程。包含自動化生產系統,使用Fanuc塑膠射出成型機、工業機器人及自動倉儲設備,可執行零件加工、模型組裝、成品檢驗、成品入庫等生產程序;透過訂單與製造資訊管理系統,讓自動化產線擁有追蹤訂單資訊、製程參數紀錄,與追溯、品檢資訊可視化等功能。


同時利用人工智慧(AI),協助機械產品智慧化。2018年Fanuc便與Hitachi、Preferred Networks(PFN)3家公司合資成立「Intelligent Edge System」公司,開發出使用人工智慧(AI)技術的智慧邊緣(Edge)運算系統AI Backflow Monitor。


藉此不必再經終端感測元件蒐集巨量資訊後上傳雲端,恐造成不必要的延遲或塞車,而可改由分散式邊緣運算更即時、快速處理,協助Fanuc的ROBOSHOT、α-SiA系列電動塑膠射出成型機實現預防維護,不必像傳統塑膠射出成型機進行健康狀態檢測,須要靠操作者自行依據預設作動次數、時數,或能顯示樹脂回流狀況的機台運作波形變化,以評估止回閥的磨損狀況。



圖3 : 現在Fanuc能經過建構於邊緣運算系統中的深度學習技術自動建立演算法、模型來分析波形,決定更換閥門的最佳時機,不僅延長使用壽命,也降低更換成本。(source:工研院產業科技國際策略發展所)
圖3 : 現在Fanuc能經過建構於邊緣運算系統中的深度學習技術自動建立演算法、模型來分析波形,決定更換閥門的最佳時機,不僅延長使用壽命,也降低更換成本。(source:工研院產業科技國際策略發展所)

現在改由建構於邊緣運算系統中的深度學習技術(Deep learning),自動建立演算法、模型來分析波形,並將磨損量數位化之後,再依實際狀況評估和預測機台中的易損件,如止回閥的磨損狀態等,決定更換閥門的最佳時機;以便於故障前自動通知操作員,不僅延長設備使用壽命,也降低更換成本。


ARBURG數位轉型解決方案 兼顧個人化與大量客製化生產

值得留意的是,全球塑橡膠機械產銷大國─德國的最新發展情勢,除了維持向來以高價機種在出口市場表現強勁,當地約有220家製造廠且多為百年大廠,但在民間減塑的聲浪下,包裝消費品容器塑料用機械與車用零部件銷售已受到負面影響,射出成型、中空與熱壓成型項目首當其衝,甚至讓德國塑橡膠機製造業的10年榮景可能生變。因此促進塑橡膠產業轉型,必須加速邁向環保與客製化,進而優化機器製程,新型塑橡膠機械在設計上均以採用可追求無廢料產生,或是在製程中立即回收的新科技應用。


德國塑膠射出成型機大廠阿博格公司(ARBURG)智慧化生產單元,繼推出結合QR Code、近距離無線通訊(NFC)晶片及3D列印設備的塑膠產品自動化生產單元之後,得以滿足個人化與大量客製化生產需求。即使今年受到疫情衝擊,無法再度參展,卻因為早在2019年布局該公司數位化模組解決方案,已建立全新入口網站「arburg X world」,影響相對輕微。


一開始從4個免費App起步:「機器中心」實現生產透明化、降低組織成本,並允許客戶訪問中央備件目錄;「服務中心」允許客戶隨時啟動服務工單,包含尚未處理的工單、當前處理進度和計畫的工程師分派情況都一目瞭然;在「商城」可線上訂購已歸類於「機器中心」設備的的備份零件,隨時隨地都可方便訂購。還能透過「日曆」,清楚看到待處理的保養事項和其他工作安排。


此外,數位化解決方案的一大關鍵,就是通過OPC-UA介面將塑膠射出機及周邊整體環境聯網,還能用於線上連結上層系統,通過IIoT提供所需製程資訊,為執行包含:遠端服務(ARS)、用於蒐集和提供製程資訊的交鑰匙(Turnkey)控制模組(ATCM)、中央管理系統(ALS)等不同數位服務,提高了靈活度。


德商阿博格機械公司台灣分公司總經理黃良?進一步指出,該公司原本要於今年Taipei PLAS大舉展示雲端服務成果,可針對自家設備、零組件、用料管理,並提供預診服務,縮短客戶2~3天備料時間,可惜因為疫情而無法如願。但他也坦言,相較於德國市場大幅衰退,許多大廠客戶的投資停滯、轉型或迷失方向,台灣業務在這段期間受影響相對輕微。


主因除了ARBURG早已轉型線上數位服務,現在只要客戶願意登錄帳號,就能看到尚未交機數量、到貨時間、機器型號、狀態等資訊。加入「arburg X world」之後,現在每部機器出廠前都會配備網路端點,只要客戶願意加價選購服務,即可開啟連結,讓德國總部專家可直接在線上排除故障。「即使在疫情期間人員管制,也能藉此提供遠端、虛擬服務、維修,或通知即時更換零組件、直接購買,ARBURG也能相對精簡人事成本。」


且因為宅經濟起飛,帶動運動器材領域成長,一舉超越傳統汽車零配件,僅次於3C、醫療領域。黃良?指出,ARBURG以生產650 tons以下的中小型射出機,早期以加工汽車內飾件市場為主,而不像其他生產大噸數鎖模力的設備同業從汽車製造起家,再逐步下放小噸數市場布局。所以可依客戶加工件厚薄、環境、模具等不同要求,提供各種油壓/油電混合/全電式動力射出機。


否則,許多客戶往往只看售價,卻忽略後續設計、服務的重要性。有些模具或無塵室仍須透過數位介面控制油路,以免像全電式機種完全無從掌控;即使採行油電混合動力,也應外接泵、油路,而被視為設計不足,難以經過介面整合、控制,以精準記錄其出力強度、頻率等參數,確保每次生產的品質一致。



圖4 : ARBURG早在2019年布局該公司數位化模組解決方案,已建立全新入口網站「arburg X world」(source:www.eppm.com)
圖4 : ARBURG早在2019年布局該公司數位化模組解決方案,已建立全新入口網站「arburg X world」(source:www.eppm.com)

面對國際節能減碳趨勢,黃良?認為:「ARBURG還是先求品質第一,再搭配其他節能手段整合,來找出效率最佳選擇!」如今不僅於總公司引進大量風力等再生能源生產,還強調可分別在產銷兩端,提高能源使用效率。例如藉著在德國集中生產常用機型,再供應全球,以及數控系統及零組件自製率達70%以上優勢,不怕委外供應商斷料,還可掌控能耗、品質及整機壽命。並利用簡化主機板設計,以符合環保規範;也能讓客戶選配節能裝置,在ARBURG射出成型機上採用2組泵及油路設計,來分散工作壓力,並延長設備使用壽命。如今已獲許多大廠指定採用,搭配模具、送料裝置、機器人等Turnkey solution,滿足穩定量產需求。


結語

目前台灣智慧機械應用方案,主要集中於增加生產效能、提高設備可用性、製造資訊蒐集與可視化。但工研院產業科技國際策略發展所也提醒業者,現今智慧製造應用方案都不會是單一技術,而須通過多元、跨域技術整合,提高了研發難度。


未來若台灣廠商投入發展小噸數全電動式射出成型機,亦可考慮如何與掌握精密關鍵零組件的德國廠商合作,逐步應用伺服/變頻馬達,以打造符合工業4.0少量多樣、客製化轉型目標的智慧化機械。


**刊頭圖:(source:s3-prod.plasticsnews.com)


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