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净零碳排迫在眉睫 工具机产业发展迈向新格局
功耗与效率不可忽视
[作者 王岫晨]   2023年02月20日 星期一 浏览人次: [4589]

工具机业者跨入高起点、大投入、规模化、国际化等四大发展格局。


而净零碳排迫在眼前,2023无疑是工具机产业净零碳排关键年。


在这一波净零碳排的浪潮下,工具机业者强化碳韧性将刻不容缓。


欧盟宣布将在2023年10月开始,试行课徵碳边境调整机制(CBAM),而在台湾,也已经三读通过《气候变迁因应法》,将跟进在2024年开徵碳费。至於美国等其他国家也陆续准备或考虑收取碳税,并建立碳排放交易制度。从这些趋势看来,净零碳排已是迫在眼前,各产业纷纷加快脚步强化企业的碳排治理,并约束供应链夥伴减碳,对於跟制造业环环相扣的工具机产业来说,2023无疑是净零碳排关键年。在这股净零碳排的浪潮下,工具机业者及供应链强化碳韧性将刻不容缓。


全球工具机市场格局

全球工具机市场预计将从2021年的826亿美元规模,成长到2026年的955亿美元规模,并以3.2%的年复合成长率(CAGR)成长。从全球的工具机产业发展经验观察,虽然大多数工具机企业规模较小,而且主要都集中在某个特定领域来发挥技术专长和经营特色,但主要龙头企业则完全是另一番景象,包括高起点、大投入、规模化、国际化等四大发展格局,原因在於具备强大的基础技术研究和产品开发能力。


而在为制造业提供成套加工服务的方面,工具机龙头企业从解决方案到技术支援都有极为强劲的多领域覆盖能力。相较之下,也显露出中小型工具机厂商的发展现状,从产品结构落後、到产业集中度低等两大不足之处,亟需迎头赶上。


放眼工具机市场,中国的机床工具机产业产值已位居全球第一,且呈现高速成长的态势,但整体产业出现的结构性问题却也越来越明显。推动出囗成长的主要因素在於,中国市场的需求不足,使得企业加大开拓国际的市场力道,加上欧美市场对於设备的需求增加,以及新定制制造业更新装备政策,与缓解就业压力等原因。


就中国工具机产业来观察,如何摆脱当前的困境,是摆在中国策略与制造业者面前一道十分棘手的现实挑战。根据中国工信部表示,目前已经确定当前由工信部主管的企业技术改造,将提升到由中央的高度来进行统筹。


工具机生产企业自身的崛起已经刻不容缓。而工具机厂商也必须着重处理好几个关系,一是短期利益与长期利益的关系,二是规模扩张和产品品质的关系,三是硬体投入与软体建设的关系,四是产品研发与产业生态的关系。



图1 : SiC对於高密度的工业应用能提供更高电压与快速开关。(source:意法半导体)
图1 : SiC对於高密度的工业应用能提供更高电压与快速开关。(source:意法半导体)

台湾工具机转型契机

而对於台湾来说,工具机产业也提供了非常大的贡献,占整体机械业产值大约三分之一,也是台湾第三个超过新台币兆元以上的产业,对台湾来说是非常重要的一个产业,也是非常重要的出囗品。工具机由於都是用於工厂产线上,因此最关键的当然就是精准度,以及品质。


其实最近政府也有提到台湾在工具机产业方面遇到的瓶颈,第一是工具机的零件多元且复杂,台湾厂商的库存率也偏高,约达50%。相较於日本只有23%,这就对於台湾工具机产品的竞争力有所影响。第二就是品质与精度,也就是可靠度。台湾工具机虽然跟欧美日的产品差距不大,但产品可靠度有待提高,这主要是反应在可连续工作的时间上,可靠度越高,连续可运作生产的时间就越长,就不需要频繁地停下机器维修。另外像是全球的金属原物料价格上涨,也都对台湾工具机业者产生了不小的冲击。


台湾的工具机产业转型的目标,就是要能够更接近工业4.0的愿景。但是工业4.0就是一个很庞大的概念与复杂的技术,所以就要从最简单最基本的部分来进行。要迈向工业4.0的数位转型,工厂必须走向智慧制造,这都需要从最基础的连网、稼动率、机台做起。没有连网,设备的状态都无法收集,就无法得知稼动率,更无法了解产量与品质。


对於台湾的工具机产业来说,目标当然是提升台湾工具机在全球的能见度跟竞争力。台湾工具机产业面临的瓶颈是库存过高,这当然是需要优先改善的部分。改善的方法则是提高工具机的品质与可靠度。可以以邻国日本为借镜,想办法缩小台湾与日本之间的库存差距,来当作一个改进的目标。


多轴联动技术含量高

在高度复杂的产业,就会需要使用五轴联动数控工具机。五轴联动数控工具机是一种科技含量高、精密度极高,专门用於加工复杂曲面的工具机,其整合了电脑数位控制、高性能伺服驱动与精密加工於一体,可以高效率、高准确完成复杂的曲面加工。这种工具机系统对一个国家的航空、太空、军事、科研、精密器械、高精密度医疗设备等产业,都能产生举足轻重的影响力。


五轴联动数控工具机象徵的是现在全球工具机制造业的最高水准,是数控工具机技术的制高点之一,也是全球发展工业4.0的制造大国不遗馀力发展的重点对象。五轴联动数控系统是所有数控技术中难度最大、应用范围最广的技术,它整合了电脑控制、伺服驱动等精密技术於一身,对於诸如螺旋桨、涡轮叶片、螺旋锥齿轮等品质要求很高的复杂曲面,进行高效率、高精密、自动化加工来说,是不可或缺的技术。


由於五轴联动数控工具机的技术难度较高,因此国际上通常把五轴联动数控技术作为衡量一个国家生产设备自动化水准的重要指标。长期以来,西方已开发国家一直把五轴联动数控技术作为重要的战略物资控制出囗,使得开发中国家在研发和引进等两方面都遇到了很大的阻碍。也因此,深入研究五轴联动数控技术对提高一国的综合国力具有非常深远的意义。至於全球目前则是以欧美、日本等国家为代表,这些国家的五轴联动数控工具机技术也显露了今日全球五轴联动数控工具机发展的最高水准。


放眼未来,由於全球企业积极迈向ESG的企业永续以及绿色能源的发展阶段,因此五轴联动数控技术也正在朝向高速度、高效率、高可靠性、高精度、复合化、智能化、网路化、柔性化、绿色化等方向推展。从全球角度来看,由於欧美日等国掌握了先进的多轴数控工具机技术,使得其他国家的工具机制造业既面临了制造装备发展的良机,也遭遇到市场竞争的压力。


从技术层面上来讲,加速推进五轴联动数控工具机的技术进展,将是发展工业4.0高度精密自动化加工的关键。而厂商也持续建立高效率、高质量、短周期、低成本的工具机解决方案,并让其生产框架可以适应市场的发展,以求得在全球化竞争中立於不败之地。


马达控制扮演关键

工具机是的制动依靠的是机电的整合,其中马达扮演了驱动工具机动作的最重要角色,这使得马达的功耗与效率成为整体工业自动化产线上不可忽视的一环。亚太区功率离散和类比产品部行销和应用??总裁Francesco MUGGERI指出,无论采用何种解决方案,其共同点都是注重节能提效。当工业市场节省1%的用电量,就相当於15座核电站的发电量;同时还能够减少3,200万吨的二氧化碳排放量,这对减少二氧化碳的排放具有重要意义。


另外,也可以看到,工业市场主要是由工业制程自动化所驱动。此领域的复合年成长率很高。至於另一个驱动因素则是电源和能源,因此这些也都成为优先进行节能减碳的重点。


以ST为例,聚焦的三大领域包括电源与能源、自动化,还有马达控制。当谈到马达控制时,一般人可能认为马达控制是一个不太重要的因素,因为马达控制的耗能并不大。但如果观察细节,可能就不这样认为了。事实上,约有52%的总能源是由马达消耗掉的。因此,要优化这部分耗能,就需要透过减少振动和耗能来优化马达。这个过程的优化就非常需要韧体和硬体的支援。


高效节能为主流趋势


图2 : 高效能的能源使用能为马达驱动与伺服驱动节省更多能耗。(source:意法半导体)
图2 : 高效能的能源使用能为马达驱动与伺服驱动节省更多能耗。(source:意法半导体)

在节能的趋势下,关键在於不断地去提升效能。全球约有50%的能源被马达所消耗,因此透过提升马达和提升其驱动器的效能,对节能减排具有非常大的潜力。而要做到节能减排,可以分成两个维度。首先是透过新材料的应用,包括从矽元件到碳化矽,再到氮化??元件材料的反覆运算,肯定可以逐步地提升效能。


另一个层面是利用软体技术来开发出更先进的演算法,以达到节能的效果。而这些都是设备层面。还有一个维度,可以从更宏观的层面去节能减排。例如针对不同的运作状况调节能源的使用。


第二个大趋势是马达控制的智慧化。智慧化也可以从两个维度来谈。第一个智慧化的趋势是让马达控制能够扩充感知范围,例如透过各种MEMS或感测器,让它可以主动地去做很多决策,并让它变得更智慧。


另外一个趋势也是透过MCU运算能力来不断进行反覆运算和提升,这样就可以自己运行很多智慧化的环境辨识。比较典型的例子包括像是伺服驱动中的惯量辨识,或者自身马达叁数的线上辨识等,可以让其运作状态达到一个非常优化的程度。这些是在未来马达控制的两个非常主要的趋势。


Francesco MUGGERI认为,其中也具有不小的挑战,包括感测器和对演算法的需求。大家仍有相似的期待,或者对这些方面还比较独立。但是很多演算法,比如说像预测控制就是利用感测器现场采样。有些只是概念,有些则有可能可以做到、或者有一些小范围的应用和现场应用等。但是很多类似的概念,等到实际地推广後,让大家接受,再到落地,可能需要一定的时间。另外,还有更多的技术可能还停留在实验室中。很多技术从研究到推广到产业化,需要一段过程的推展,也还需要与产学进一步结合。


结语


图3 : ESG趋势让能源的传输与管理更被重视。(source:意法半导体)
图3 : ESG趋势让能源的传输与管理更被重视。(source:意法半导体)

工具机的发展正牵动着各国对於工业自动化市场的进展。而永续发展与技术创新也已经成为全球工业发展的核心,在企业永续的趋势下,各个国家、各个企业和每个人都应贡献自己的一份力量,发挥自己的作用,并以更先进的方式进行工业活动。目前中国已经预期在2060年实现碳中和的目标,欧美也将在2050年达成此一目标。而要实现碳中和目标,不仅是政策,更需要企业以最快的方式履行节能减排的义务。


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