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绿色工具机盼再增产业竞争力
聚焦供应链营销两端减碳节能
[作者 陳念舜]   2023年08月07日 星期一 浏览人次: [3339]

当近年来台湾工具机产业先後面临对外有欧盟碳关税压境,以及内有碳费即将上路的时程已迫在眉睫,既非钢铁、石化、水泥等「范畴一(Stage 1)」直接排碳大户;也只能被动承受台湾在「范畴二」节节高涨的火力发电占比与再生能源代价。可操之在己的,唯有积极投入增效节能生产,进而扩及「范畴三」的供应链管理,协助上中游零组件或终端加工业客户提升能源效率。


基於目前已有越来越多减碳化并推动跨垂直领域产业的「可持续发展」应用,正逐步在工业发酵,如依IEA估计,目前工业客户约占世界能源消耗比重1/3;WEF则指出,其中由制造业产生的二氧化碳(CO2)排放量约占全球排碳量20%;又根据联合国统计到了2050年,将有约1/3人类居住在水资源极度匮乏的地区。此发展也变得与企业推广业务关联性越来越密切,未来节能设备与工具机遭遇分别来自法律、客户、投资者要求,以及新融资条件、公众监督等压力将与日俱增。


德商西门子公司(Siemens)早在约10年前便提出节能减碳相关方案,且直到2011年国际通过ISO 50001能源管理体系标准,藉以满足欧、日及台湾OEM设备制造厂(Maker)与终端加工业者(End user)需求,找出下一代工具机减碳应用方向。


如今为迎接低碳高效需求与人力挑战,智能机械已成产业迈向智慧制造的重要一步,藉以协助业者提高生产力,或实现少量多样的生产模式。其中可藉一次装夹完成高效加工复杂工件的高阶五轴、复合工具机,更是备受机械制造及加工业者关注。随着如今节能永续的风潮再被注意,台湾又属於出囗导向经济体,容易在欧美等先进大国面临碳边境税压力,必须更加快脚步投入,用来突破近年来经贸困境。



图1 : 目前已有越来越多减碳化并推动跨垂直领域产业的「可持续发展」应用,正逐步在工业发酵,此发展也变得与企业推广业务关联性越来越密切。
图1 : 目前已有越来越多减碳化并推动跨垂直领域产业的「可持续发展」应用,正逐步在工业发酵,此发展也变得与企业推广业务关联性越来越密切。

DMG MORI偕西门子 导入绿色节能专用技术

由於工具机在机台本体和周边自动化设备均使用相当高比例的电力驱动器(Driver)和伺服马达,且制造业有约70%以上耗能都与之有关,而被归类为有节能必要的示范产业。现今所称「能源效率」,应是衡量为了实现特定效益,而付出於能源消耗的重要指标,当结合工具机使用时,必须将每个工件的能耗列入考量。


未来无论是针对终端加工业者或OEM设备厂商开发机器而计算碳足迹时,除了本机之外,还要纳入每个元件的能源效率(碳足迹),而成为计算加工能耗基础之一。包括在整个机台运转周期的实际加工过程中,除了负责切削动作的主轴、伺服马达及主驱动器产生的能耗,系基於切削力应用和工具机加速移动质量而引起者居多;较小部份则来自於主驱动器的热损失造成,约覆盖20%能源成本。西门子建议加工业者,应缩短主加工与二次加工时间的间隔,最大化切削时间,以自动减少基本负荷在工具机总能耗的份量,从而提高生产中的能源效率。


工具机另有70~80%耗能为供应水、切削液等系统构成的辅助零组件,造成能耗更高,相当於工厂一开机就耗能。所以加工业者在预定生产车间,即应选择最合适的加工机台大小,以最大限度减少空闲时间及过大能耗,提升整体设备效率(OEE)。同时避免使用者若采购尺寸过大机台,恐不利於加工功率和基本负载间比重;且须移动大型和可能不需要的质量,降低了生产过程的能源效率。


对於制造厂商和加工业者而言,降低工具机能耗也具有相当大潜力。同时希??机台加工当下满载而快速完工,在加工功率和基本载荷之间的关系表现更隹,而非断断续续或平缓的??圈,得以提升稼动率,实现更高能效。接着还要求针对单一辅助元件的能量管理,希??能按需能耗,并依照加工过程的情况进行智慧能源管理。例如在待机时暂停或低速运行供应冷却液,打造下一代智慧机种。


工具机大厂DMG MORI则为此与西门子合作,开发三大节能应用技术,分为:


一、Green MACHINE,利用CNC软硬体技术打造实体机器和虚拟(Virtual)模型,针对整机每个零组件节能而来,并要求供应商能协助提供IE4节能马达、油雾回收装置;


二、Green MODE,经由先进加工技术(Adaptive Control Green Mode;ACM)提升效率,缩减约15~20%机台加工时间,以及每次加工单一零件耗能;


三、Green TECH,透过工具机内建Ctrl-E、M Center功能执行智慧能耗监控,或投入开发风力发电机等再生能源产业发展,以减少产品碳足迹。



图2 : 工具机大厂DMG MORI则为此与西门子合作,开发3大节能应用技术,包含:Green MACHINE、Green MODE、Green TECH。(source:dmgmori)
图2 : 工具机大厂DMG MORI则为此与西门子合作,开发3大节能应用技术,包含:Green MACHINE、Green MODE、Green TECH。(source:dmgmori)

进而总结了可提高能源效率的四大功能,包含:避免不必要的质量、缩短二次加工时间、辅助零组件的能源管理、采用高效率的驱动技术,西门子SINUMERIK系统也分别提供不同解方。例如具有最高效率的SINAMICS和SIMOTICS主驱动器,用於节能辅助元件;或与使用者应用较为相关,有别於现今台厂以220V电压为主流,到了欧洲、中国大陆采用380V电压时,恐会影响能耗。


特别是在大规模生产下,切削策略将会显着影响机器能耗,同时经由测量和可视化的SINUMERIK Ctrl-E(Energy)功能,为评估每个工件能耗提供了最隹基础。如今Ctrl-E与ACM已被DMG MORI列入Green MODE功能之一,还可透过OPC-UA通讯及智慧电表,直接撷取周边自动化设备所有资讯,让客户可据此编辑可视化介面;同时监控整机功耗,在休眠期间设定不同节能等级模式。


使用者只要按下Ctrl-E键,即可显示驱动器、伺服马达能耗;甚至设计让机器在运行一段时间後,自动休眠或暂停周边不必要的耗电设备,确保能符合ISO50001规范;进而利用机器Green MODE的智慧待机功能,来降低耗能;搭配CNC车间管理软体,减少工具机停机时间,降低车间能耗。


西门子还强调该公司电力系统的稳定性,所提供的SINAMICS高效变频器搭配伺服和周边自动化系统,将有助於台厂从220V朝向国际标准的380~480V标准靠拢,相同伺服系统加工的能耗相差20%。


另搭配西门子多款SIMOTICS全电进给/主轴伺服马达和驱动器,其中采用同步建模技术马达效率达88~94%、异步技术的马达效率81~92%;主驱动器变频器为效率最高的电力电子设备,受惠於多轴概念和通用直流母线,额定直接转换的能源效率最高甚至可达99%;还可经刹车回生的多馀能量再反??基础建设的电网,得以最大限度减少能耗,避免机器周围产生不必要的热量。



图3 : 工具机搭配多款SIMOTICS全电进给/主轴伺服马达和驱动器,其中采用同步建模技术马达效率达88~94%、异步技术的马达效率81~92%。(source:siemens)
图3 : 工具机搭配多款SIMOTICS全电进给/主轴伺服马达和驱动器,其中采用同步建模技术马达效率达88~94%、异步技术的马达效率81~92%。(source:siemens)

台中精机聚焦3G 囊括绿色厂房与机台

因应零碳转型智造时代到来,工具机大厂台中精机在今年TIMTOS也为此打造多部智慧节能的高阶工具机与自动生产线,结合智慧制造与零碳转型,诉求「3G(绿色工厂Green Factory、绿色工具机Green Machine和绿色目标Green Goal)」为核心。


在「绿色工厂」方面,台中精机在台中精密机械创新园区打造一座全球营运总部暨智慧化工厂,甫於3年前启用,不但是台湾工具机业界首座以工业4.0为架构打造的智慧工厂,更获得绿建筑标章的认证,集智慧化、绿能化与现代化於一身,成为台湾智慧机械产业的典范工厂。新厂也以节能环保为主要诉求,除了以物联网即时监控用电量;同时建置地下涵管,可藉此降低室温3~5℃,在夏季减少空调耗能、以雨水回收系统创造水资源循环利用等。。


针对「绿色工具机」的研发上,台中精机秉持以终为始的精神,持续开发拥有智慧化机能与节能减碳的产品。其中五轴加工机搭载了强大的智慧化机能,整机安装多组感测器,进行主轴/螺杆振动监控、智慧润滑、机台热变位补偿、刀具负载监控,再选配变频主轴油冷却机,达到更节能减碳的要求。复合加工机,则强调只要单机就能完成所有或大部分的加工程序,以避免工件在不同机台之间的等待、搬运,造成浪费与多次装夹过程中所产生的位置精度误差,实现高精度与高效率加工及节能减碳。


同时推出5项独特智慧化功能,包括:「工件数位双生技术」,系由台中精机携手发那科与西门子发展,可藉此降低客户工件打样上的风险与损失,倘若实际加工後发生问题,也能减少重新处理恐造成时间、材料与电力等浪费。


以及「智慧节能技术」,展出最新「机台热变位补偿机能」,能降低机台暖机造成的电力浪费;不使用高压切削水冲屑的「震荡切削机能」,避免切削水造成钣金变形漏水与减少电力消耗;搭载「螺杆智慧润滑机能」,减少润滑油量与污染切削液。最终利用可视化电力/工法改变及变频控制等技术,开发ECO电力分析、ECO等级设定、多段压力切削水控制、变频油压单元、变频油冷却机等元件,让机台加工过程发挥节能减碳的效果。


同时在推广机联网(SCADA)方面,台中精机新一代SCADA系统已可连结发那科、西门子和海德汉等多款控制器,并具备即时状态监控、生产报表产出、OEE计算、刀具寿命检视、警报分析、机台程式上/下载、MTBF指标/MTTR指标等标准功能、机台能源管理、电子看板、上位系统资料交换等选配功能,方便管理者快速监控管理整厂机器的情报资讯。



图4 : 工具机大厂台中精机在今年TIMTOS也结合智慧制造与零碳转型,诉求「3G(绿色工厂Green Factory、绿色工具机Green Machine和绿色目标Green Goal)」为核心。(source:cloudfront.net)
图4 : 工具机大厂台中精机在今年TIMTOS也结合智慧制造与零碳转型,诉求「3G(绿色工厂Green Factory、绿色工具机Green Machine和绿色目标Green Goal)」为核心。(source:cloudfront.net)

在机台操作更简单更人性化方面,台中精机也因应少子化趋势与机台亲和性需求,开发出「主轴刀具负载监控对话机能」,利用友善人机介面引导客户能快速使用机能,并进行可视化,增加亲和性,减少学习的时间。「长棒加工颤震抑制机能(SSV),利用长棒加工产生的规律性震荡做控制,减少客户需再利用尾座/中心架/??主轴等设备时间,且工件表面纹路能符合要求,有效减少工件报废的损失。


另外,由台中精机与仁安资讯合作开发的「CNC数位分身加工模拟系统」,透过电脑虚拟出机台控制器面板,让操作者上机前能先模拟操作机台,达到「1:1精准模拟」的效果。该套系统适用於技职院校、职训中心及初学者训练,可应用於数位化CNC教学,在加工前进行虚拟加工与干涉检查,快速验证程式的准确性,有效减少刀具材料等费用的支出。


在「绿色目标」的实践方面,台中精机除了加入「零碳大学」学习最新减碳技术外,并已完成高耗能的后里铸造厂获得ISO 50001的认证,接着导入台湾4个厂区的ISO 14064温室气体盘查和ISO 14067产品碳足迹认证,承诺要在2050年达成净零碳排,每年致力减少5%碳排量,并将减碳变成标准规范,以大带小引领客户、协力厂共同来打造台湾机械业的零碳生态系。


尤其是台中精机推动供应链减碳最坚实的基础,就是已经推动了超过20年以上的数位布局。包括自1981年就已投入资讯化建置,推动精实生产(Lean Production),透过减少浪费、提升效率及降低成本,创造更多利润与竞争力;1998年导入ERP(企业资源规画),接着建立电子商务平台;并在2011年及2016年陆续取得ISO 14064温室气体盘查、ISO 50001能源管理系统两项重要的国际认证。


今年推动的供应链零碳转型,又树立了一个重要的里程碑。由於工具机产业有很多排碳都是来自供应链产生,台中精机身为台湾工具机产业聚落的中心厂,围绕着数百个协力厂,供应数千个零组件,在这样的共生关系下,零碳转型必得把供应商一起拉进来!未来台中精机的零碳转型,将以三阶段推动。


第一阶段就从供应商大会开始,让供应厂商了解为何而战,而不是被迫。目前台中精机已掌握供应链当中前20大碳排放的厂商,接下来会分别进行协商,希??能导入零碳转型的方法论,让整体供应链产生实际的减碳效果。


第二阶段则希??推出一个供应链共创共用的碳盘查平台,因为工具机产业的重叠性高,几家中心厂都有许多共同的供应商,也想将其他工具机的中心厂像是永进机械、东台精机等一起拉进来,建立一个相容的平台来整合所有的数据资料才合??效益,也可以降低阻力。


第三阶段则是长期性的规画,寻求国际上其他软体服务平台的合作机会,能够在盘查、减碳外,抢先布局碳中和的策略。未来除了碳税的成本,还需要考量购买碳权等问题。


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