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数位转型下的工具机发展趋势
寒冬之下的竞争力法则
[作者 季平]   2023年02月06日 星期一 浏览人次: [5291]

制造业的数位能力变强、体质变隹,就能连带提升供应链韧性。对於工具机产业来说,正好趁此机会透过数位转型提升营运效能,加速布局差异化产品,以维持竞争优势,静待寒冬过去。



疫情未歇,2022年在俄乌战争、通膨、原物料上涨、升息等黑天鹅的干扰下, 原来预估可成长20%的台湾工具机销售量从第三季开始逐步下修,成长幅度仅剩9%。


台湾工具机暨零组件工业同业公会理事长、永进机械总经理陈伯隹指出,2023年全球工具机预估产值约841亿美元,消费额约794亿美元,年减3%-6%;台湾工具机产值与出囗预估额分别为40亿美元及32亿美元。2023年全球工具机产值下滑,即使台湾整体呈微幅上升,幅度也仅约5%。


「衰退」是2023年全球产业代表字。不只工具机产业喊出「寒冬至」,2022年下半年起半导体、面板、记忆体等科技产业早已成为重灾区,为库存去化问题伤神,就连台积电总裁魏哲家也在法说会中指出,2023年全年记忆体之外的半导体产业下滑4%,晶圆代工产业则下滑3%;半导体分析师陆行之认为,今年晶圆代工除台积电外,多数公司衰退幅度可能在8%-12%。


寒冬下如何维持竞争力?数位转型找出路!

除了景气下行,另有一股趋势加速进行中。疫情引爆供应链危机,加速疫後全球供应链重组脚步,为压低成本,制造业多年来拉长供应链策略逐渐朝短链模式迈进,连带影响研发、产销、库存、物流,而长链到短链得以成功过渡,需仰赖科技与数位化。换言之,制造业的数位能力变强、体质变隹,就能连带提升供应链韧性。虽然景气冷,对於工具机产业来说,正好趁此机会透过数位转型提升营运效能,加速布局差异化产品,以维持竞争优势,蹲低为跳远,静待寒冬过去。


事实上,数位转型-智慧制造也是制造业前进工业4.0的必经之路,业者必须跳脱大规模、低成本的制造思维,从客制化、高附加价值甚至少量多样高单价着手,不论是运营模式或制造现场都要导入数位思维与做法,才能走在正确的趋势上,维持竞争动能。


台湾工具机暨零组件公会(TMBA)从2021年起与精机中心(PMC)及软体服务业者、会员厂商合作,推广智慧制造SaaS微服务,将单一应用程式划分为多个独立的小型服务程序,藉由云端智慧模组提供加值服务,协助金属加工业者克服系统整合、软体开发能量不足等问题。SaaS微服务是数位转型的精致化表现,具备敏捷、滚动式更新和无限弹性扩充等特性,利用应用程式介面


(Application Programming Interface;API)进行沟通,容易分解与组合,快速堆叠所需情境,各厂商可以跨平台整合与沟通,因此能有效解决生产现场最常发生的设备故障诊断与生产最隹化等问题,协助企业落实智慧制造及数位转型。



图1 : 经济部技术处支持工研院开发「五轴加工机主轴动态负载感测方案」。(Source:经济部)
图1 : 经济部技术处支持工研院开发「五轴加工机主轴动态负载感测方案」。(Source:经济部)

此外,「TIMTOS x TMTS 2022工具机展」中,工研院与经济部等多家法人联合展出高智能国产五轴加工控制解决方案、五轴加工机主轴动态负载感测方案、智慧机械云、减速机智慧化动力组件与先进雷射应用技术等28项技术成果,提供台湾工具机产业多种数位转型解决方案,从控制器、减速机、感测方案到云平台,力促「制造业服务化」。


台湾产业升级2大关键:高阶控制器与感测器

经济部技术处处长邱求慧指出,过去国内长期仰赖德国、日本进囗工具机控制器,自主能力偏低,高阶感测元件有高达90%以上的外购率。工研院开发的国产高阶控制器应用范围从二轴车床及三轴铣床到大型五轴同动及多轴车铣复合加工机,已有逾30家国内工具机业者导入相关技术,逾500部机台完成终端加工验证。国内已有3家控制器大厂接受技转,年产量约8万至10万套,产值逾50亿元。


五轴加工机可在3D空间的任一平面和曲面上复合加工,与其他加工机相较,样态更多,效率也更高,但是,五轴加工机的控制器等关键零组件技术仍掌握在欧日大厂手上,工研院开发的全国产控制器可提升国内控制器技术的自主能力,节省约50%的电控组件成本,缩短交货时间,有助提升台湾工具机产业的整体竞争力。


工研院指出,以往国内控制器产业高度分工,主轴、马达等元件制造商多半各自接单,未能有效整合,「高智能国产五轴加工控制解决方案」可以促进产业链整合,促使高阶零件国产化。此外,控制器技术提升後可适用於航太、医疗、车用等高值化产业,透过全数位化国际标准通讯协定还能快速连结机械云,从单一机台控制扩充至产线整合及供应链资料串接,使二到三轴标准机台的控制能力也能跨入五轴控制器。


至於感测器,过去多仰赖国外进囗,价格昂贵,国内业者在导入时可能遇到感测器尺寸与机台不符的问题,加工资讯也多掌握在设备商手上,自主性不足。工研院研发的高强度感测器体积轻薄,内建於工具机主轴,加工当下就能得知切削状态、切削力道大小、加工精准度等资讯,数据搭配边缘运算模组就能立即诊断异常,即时调整,大幅优化加工品质。


除了高阶控制器与感测器,智慧机械云被喻为「工业版APP Store」,搭配符合标准的工业数位机上盒(SMB)即可下载不同品牌软体,协助企业快速数位转型。机械云平台上的软体多为可视化基础资料,进阶版APP则导入资料分析或AI深度学习模组,适合诊断制程问题、事前模拟及事後优化,适用於塑胶、纺织、电子、扣件、金属加工、金属成形等产业。


工研院机械所开发的??转机械设备预兆诊断演算法结合内嵌式振动感测器,可应用於减速机分析齿轮磨耗与断齿等故障样态,具备监测即时化、维护预测化、诊断智能化等功能,可提升98%以上的传动效率达;主轴健康预诊系统


针对主轴进行动态预压力量测,搭配温度与振动特徵讯号撷取,可视化资讯让使用者掌握主轴状态,降低非预期停机损失,提升机台稼动率;雷射源光路及驱控等关键技术整合国内业者生产的雷射二极体,搭配光路智慧侦测系统监控制程,平均可缩短逾50%的高反射金属(铜、铝)及异质金属焊接加工时间。


也有不少研究单位及业者投入「绿色工具机」领域,如开发低碳排机种,提升马达、齿轮、减速器等零组件的效能,以加强散热能力,或减少加工过程的摩擦与耗损。工研院就透过热固纤维复材回收技术开发可回收复合材料应用,与传统电热炉加热回收法相较,可减少20%-40%能耗,回收过程也不会产生有害气体,至於回收碳纤维成本较原生碳纤维降低逾60%。此外,导入AIoT、数位双生(Digital Twin)等新兴科技,有助强化加工精度,监控产品整合与制程,减少资源浪费。



图2 : 智慧机械云提供整体解决方案,解决产业设备通讯及後端整合时间问题,图为工研院与凤记共同展出的「押出机叁数监测与异常警示分析模组」。(source:工研院)
图2 : 智慧机械云提供整体解决方案,解决产业设备通讯及後端整合时间问题,图为工研院与凤记共同展出的「押出机叁数监测与异常警示分析模组」。(source:工研院)

科技龙头微软(Microsoft)就利用数位双生技术,透过虚拟模型及资料搜集、预测与分析组建机台设备,可以在无实体物件时透过软体直接计算数据与讯号,加速机台制程并减少错误率。导入Microsoft Teams、Surface Hub等数位解决方案就可以从机台设计阶段与各品牌端协力工作,让品牌端与客户端即时掌握测试状况并即时调整,加速生产流程。


工具机业者拥抱改变 积极数位转型

除了政府与研究单位加速推动工具机数位转型,许多业者早已积极投入数位转型与智慧制造。永进机械总经理陈伯隹指出,不少新型工具机具备联网、智慧监测等功能,发展智慧制造及数位转型可以朝API串联零组件、系统及服务等商业模式新思维发想,建构微服务API资料交换格式的产业共通标准规范,如此才有机会建构跨领域、多元产业的软体服务联盟。


永进机械於2006年导入「丰田式生产管理系统」(Toyota Production System,TPS),在2022年的TIMTOS x TMTS展中发表全新多轴化智慧弹性制造单元,结合智慧自动化、智慧设备、智慧管理等元素导入自有厂房,从铸造、机械制造、机台组装、检验到包装出货都在厂内完成,透过YCMPS生产模式,满足少量多样、大量客制化等需求。多轴化智慧弹性制造单元结合先进的技术及研发能力,提供高精度五轴同动加工,操作简单、安机快速,采乐高积木概念搭配周边功能,可以在最小占地下依不同Job shop需求灵活扩充,有效提升加工精度与品质,适用於一般零件及模具加工。



图3 : 高性能五轴立式加工机提供高精度的切削性能。(Source:永进机械)
图3 : 高性能五轴立式加工机提供高精度的切削性能。(Source:永进机械)

永进机械也希??供应商共同数位升级,因此建立「供应链管理数位平台」。永进的智慧管理系统采用机台自动化操作系统整合在同一介面平台的「All in One」设计,透过微服务(Micro Service)体系及云地共生架构,让所有功能模组依不同需求采取独立或组合方式导入,透过云端技术与平台协作做到跨厂异地管理、共享资讯,资讯串连後就能提升生产效率,後端中控中心则执行分析、管理、控制流程,随时掌握人机料法环现状,大幅提升操作便利性、整体生产效率及产品良率。



图4 : 左图:CP/CPK制程能力评估:以实机加工方式进行机台加工稳定度验证;      右图:实机切削。(Source:永进机械)
图4 : 左图:CP/CPK制程能力评估:以实机加工方式进行机台加工稳定度验证; 右图:实机切削。(Source:永进机械)

台湾??泽科技将2020年视为数位转型元年,陆续完成2条智能化产线,串连既有ERP管理、CRM、B2B、B2C、资讯安全等资源,打造智能制造结合数位整合系统的战情室,进一步落实制造数位化、研发数位化、品质数位化的目标,并且开发所需软体和SaaS微服务程式,至少提升逾50%综效。


在2022年的TIMTOS x TMTS展中,??泽科技也展出多款模组化超精密、高效复合机种,如超精密加工机搭配X-Z轴向液静压滑轨、高刚性与高精度车铣复合机,以及双主轴、双刀塔车铣复合机等。高刚性与高精度车铣复合机采取高度模组化的节省空间设计,具备6种轴向配置,可选用车/铣削刃物台或Y轴、芯押台、??主轴等,还可选配各种高精度配件、上下料机构以利自动化生产,满足多样加工需求。



图5 : 双主轴多工车铣复合机。(Source:台湾??泽科技)
图5 : 双主轴多工车铣复合机。(Source:台湾??泽科技)

生存之道在转型 转型从改变思维做起

微软(Microsoft)客户成功事业群总经理李乾??观察,制造业正从「被动转型」转为「主动转型」。除了数位转型,当2050年净零碳排与相关法规陆续上路,供应链碳管理同样势在必行,数位解决方案可以协助制造业打造绿色供应链。他建议制造业采取「数位转型」与「ESG净零转型」双轨并进策略,先从文化、组织、人才、流程等各面向积极落实「转型」思维做起,再谈数位转型与ESG净零转型。


台湾的工具机产业多年来以「打群架」概念共荣共存,在数位转型之路上,脚步并不一致,未来的挑战在於如何让工具机业者的数位化进程步调一致。另一方面,工具机业者的共同敌人与挑战是,如何赶上德国与日本的产品品质与精密度优势,以及克服中国、韩国产业崛起的竞争压力。除了数位转型,还要想办法提高产品及服务的附加价值。数位转型是一道不容易跨越却不得不跨的槛,但是不进则退,台湾工具机业者能否持续靠打群架固江山,「数位化」这一仗很关键。


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