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淨零碳排迫在眉睫 工具機產業發展邁向新格局
功耗與效率不可忽視
[作者 王岫晨]   2023年02月20日 星期一 瀏覽人次: [4609]

工具機業者跨入高起點、大投入、規模化、國際化等四大發展格局。


而淨零碳排迫在眼前,2023無疑是工具機產業淨零碳排關鍵年。


在這一波淨零碳排的浪潮下,工具機業者強化碳韌性將刻不容緩。


歐盟宣布將在2023年10月開始,試行課徵碳邊境調整機制(CBAM),而在台灣,也已經三讀通過《氣候變遷因應法》,將跟進在2024年開徵碳費。至於美國等其他國家也陸續準備或考慮收取碳稅,並建立碳排放交易制度。從這些趨勢看來,淨零碳排已是迫在眼前,各產業紛紛加快腳步強化企業的碳排治理,並約束供應鏈夥伴減碳,對於跟製造業環環相扣的工具機產業來說,2023無疑是淨零碳排關鍵年。在這股淨零碳排的浪潮下,工具機業者及供應鏈強化碳韌性將刻不容緩。


全球工具機市場格局

全球工具機市場預計將從2021年的826億美元規模,成長到2026年的955億美元規模,並以3.2%的年複合成長率(CAGR)成長。從全球的工具機產業發展經驗觀察,雖然大多數工具機企業規模較小,而且主要都集中在某個特定領域來發揮技術專長和經營特色,但主要龍頭企業則完全是另一番景象,包括高起點、大投入、規模化、國際化等四大發展格局,原因在於具備強大的基礎技術研究和產品開發能力。


而在為製造業提供成套加工服務的方面,工具機龍頭企業從解決方案到技術支援都有極為強勁的多領域覆蓋能力。相較之下,也顯露出中小型工具機廠商的發展現狀,從產品結構落後、到產業集中度低等兩大不足之處,亟需迎頭趕上。


放眼工具機市場,中國的機床工具機產業產值已位居全球第一,且呈現高速成長的態勢,但整體產業出現的結構性問題卻也越來越明顯。推動出口成長的主要因素在於,中國市場的需求不足,使得企業加大開拓國際的市場力道,加上歐美市場對於設備的需求增加,以及新定制製造業更新裝備政策,與緩解就業壓力等原因。


就中國工具機產業來觀察,如何擺脫當前的困境,是擺在中國策略與製造業者面前一道十分棘手的現實挑戰。根據中國工信部表示,目前已經確定當前由工信部主管的企業技術改造,將提升到由中央的高度來進行統籌。


工具機生產企業自身的崛起已經刻不容緩。而工具機廠商也必須著重處理好幾個關係,一是短期利益與長期利益的關係,二是規模擴張和產品品質的關係,三是硬體投入與軟體建設的關係,四是產品研發與產業生態的關係。



圖1 : SiC對於高密度的工業應用能提供更高電壓與快速開關。(source:意法半導體)
圖1 : SiC對於高密度的工業應用能提供更高電壓與快速開關。(source:意法半導體)

台灣工具機轉型契機

而對於台灣來說,工具機產業也提供了非常大的貢獻,佔整體機械業產值大約三分之一,也是台灣第三個超過新台幣兆元以上的產業,對台灣來說是非常重要的一個產業,也是非常重要的出口品。工具機由於都是用於工廠產線上,因此最關鍵的當然就是精準度,以及品質。


其實最近政府也有提到台灣在工具機產業方面遇到的瓶頸,第一是工具機的零件多元且複雜,台灣廠商的庫存率也偏高,約達50%。相較於日本只有23%,這就對於台灣工具機產品的競爭力有所影響。第二就是品質與精度,也就是可靠度。台灣工具機雖然跟歐美日的產品差距不大,但產品可靠度有待提高,這主要是反應在可連續工作的時間上,可靠度越高,連續可運作生產的時間就越長,就不需要頻繁地停下機器維修。另外像是全球的金屬原物料價格上漲,也都對台灣工具機業者產生了不小的衝擊。


台灣的工具機產業轉型的目標,就是要能夠更接近工業4.0的願景。但是工業4.0就是一個很龐大的概念與複雜的技術,所以就要從最簡單最基本的部分來進行。要邁向工業4.0的數位轉型,工廠必須走向智慧製造,這都需要從最基礎的連網、稼動率、機台做起。沒有連網,設備的狀態都無法收集,就無法得知稼動率,更無法瞭解產量與品質。


對於台灣的工具機產業來說,目標當然是提升台灣工具機在全球的能見度跟競爭力。台灣工具機產業面臨的瓶頸是庫存過高,這當然是需要優先改善的部分。改善的方法則是提高工具機的品質與可靠度。可以以鄰國日本為借鏡,想辦法縮小台灣與日本之間的庫存差距,來當作一個改進的目標。


多軸聯動技術含量高

在高度複雜的產業,就會需要使用五軸聯動數控工具機。五軸聯動數控工具機是一種科技含量高、精密度極高,專門用於加工複雜曲面的工具機,其整合了電腦數位控制、高性能伺服驅動與精密加工於一體,可以高效率、高準確完成複雜的曲面加工。這種工具機系統對一個國家的航空、太空、軍事、科研、精密器械、高精密度醫療設備等產業,都能產生舉足輕重的影響力。


五軸聯動數控工具機象徵的是現在全球工具機製造業的最高水準,是數控工具機技術的制高點之一,也是全球發展工業4.0的製造大國不遺餘力發展的重點對象。五軸聯動數控系統是所有數控技術中難度最大、應用範圍最廣的技術,它整合了電腦控制、伺服驅動等精密技術於一身,對於諸如螺旋槳、渦輪葉片、螺旋錐齒輪等品質要求很高的複雜曲面,進行高效率、高精密、自動化加工來說,是不可或缺的技術。


由於五軸聯動數控工具機的技術難度較高,因此國際上通常把五軸聯動數控技術作為衡量一個國家生產設備自動化水準的重要指標。長期以來,西方已開發國家一直把五軸聯動數控技術作為重要的戰略物資控制出口,使得開發中國家在研發和引進等兩方面都遇到了很大的阻礙。也因此,深入研究五軸聯動數控技術對提高一國的綜合國力具有非常深遠的意義。至於全球目前則是以歐美、日本等國家為代表,這些國家的五軸聯動數控工具機技術也顯露了今日全球五軸聯動數控工具機發展的最高水準。


放眼未來,由於全球企業積極邁向ESG的企業永續以及綠色能源的發展階段,因此五軸聯動數控技術也正在朝向高速度、高效率、高可靠性、高精度、複合化、智能化、網路化、柔性化、綠色化等方向推展。從全球角度來看,由於歐美日等國掌握了先進的多軸數控工具機技術,使得其他國家的工具機製造業既面臨了製造裝備發展的良機,也遭遇到市場競爭的壓力。


從技術層面上來講,加速推進五軸聯動數控工具機的技術進展,將是發展工業4.0高度精密自動化加工的關鍵。而廠商也持續建立高效率、高質量、短週期、低成本的工具機解決方案,並讓其生產框架可以適應市場的發展,以求得在全球化競爭中立於不敗之地。


馬達控制扮演關鍵

工具機是的制動依靠的是機電的整合,其中馬達扮演了驅動工具機動作的最重要角色,這使得馬達的功耗與效率成為整體工業自動化產線上不可忽視的一環。亞太區功率離散和類比產品部行銷和應用副總裁Francesco MUGGERI指出,無論採用何種解決方案,其共同點都是注重節能提效。當工業市場節省1%的用電量,就相當於15座核電站的發電量;同時還能夠減少3,200萬噸的二氧化碳排放量,這對減少二氧化碳的排放具有重要意義。


另外,也可以看到,工業市場主要是由工業製程自動化所驅動。此領域的複合年成長率很高。至於另一個驅動因素則是電源和能源,因此這些也都成為優先進行節能減碳的重點。


以ST為例,聚焦的三大領域包括電源與能源、自動化,還有馬達控制。當談到馬達控制時,一般人可能認為馬達控制是一個不太重要的因素,因為馬達控制的耗能並不大。但如果觀察細節,可能就不這樣認為了。事實上,約有52%的總能源是由馬達消耗掉的。因此,要優化這部分耗能,就需要透過減少振動和耗能來優化馬達。這個過程的優化就非常需要韌體和硬體的支援。


高效節能為主流趨勢


圖2 : 高效能的能源使用能為馬達驅動與伺服驅動節省更多能耗。(source:意法半導體)
圖2 : 高效能的能源使用能為馬達驅動與伺服驅動節省更多能耗。(source:意法半導體)

在節能的趨勢下,關鍵在於不斷地去提升效能。全球約有50%的能源被馬達所消耗,因此透過提升馬達和提升其驅動器的效能,對節能減排具有非常大的潛力。而要做到節能減排,可以分成兩個維度。首先是透過新材料的應用,包括從矽元件到碳化矽,再到氮化鎵元件材料的反覆運算,肯定可以逐步地提升效能。


另一個層面是利用軟體技術來開發出更先進的演算法,以達到節能的效果。而這些都是設備層面。還有一個維度,可以從更宏觀的層面去節能減排。例如針對不同的運作狀況調節能源的使用。


第二個大趨勢是馬達控制的智慧化。智慧化也可以從兩個維度來談。第一個智慧化的趨勢是讓馬達控制能夠擴充感知範圍,例如透過各種MEMS或感測器,讓它可以主動地去做很多決策,並讓它變得更智慧。


另外一個趨勢也是透過MCU運算能力來不斷進行反覆運算和提升,這樣就可以自己運行很多智慧化的環境辨識。比較典型的例子包括像是伺服驅動中的慣量辨識,或者自身馬達參數的線上辨識等,可以讓其運作狀態達到一個非常優化的程度。這些是在未來馬達控制的兩個非常主要的趨勢。


Francesco MUGGERI認為,其中也具有不小的挑戰,包括感測器和對演算法的需求。大家仍有相似的期待,或者對這些方面還比較獨立。但是很多演算法,比如說像預測控制就是利用感測器現場採樣。有些只是概念,有些則有可能可以做到、或者有一些小範圍的應用和現場應用等。但是很多類似的概念,等到實際地推廣後,讓大家接受,再到落地,可能需要一定的時間。另外,還有更多的技術可能還停留在實驗室中。很多技術從研究到推廣到產業化,需要一段過程的推展,也還需要與產學進一步結合。


結語


圖3 : ESG趨勢讓能源的傳輸與管理更被重視。(source:意法半導體)
圖3 : ESG趨勢讓能源的傳輸與管理更被重視。(source:意法半導體)

工具機的發展正牽動著各國對於工業自動化市場的進展。而永續發展與技術創新也已經成為全球工業發展的核心,在企業永續的趨勢下,各個國家、各個企業和每個人都應貢獻自己的一份力量,發揮自己的作用,並以更先進的方式進行工業活動。目前中國已經預期在2060年實現碳中和的目標,歐美也將在2050年達成此一目標。而要實現碳中和目標,不僅是政策,更需要企業以最快的方式履行節能減排的義務。


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