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塑膠射出減碳有解
機電系統驅動節能
[作者 陳念舜]   2024年08月28日 星期三 瀏覽人次: [1104]

面臨全球淨零碳排浪潮下,對於環保和可持續發展議題日益重視,甚至將衍生出「循環經濟模式」,對於傳統塑橡膠成型產業將帶來前所未有的挑戰和機遇,周邊輔助自動化設備和機電系統角色更為關鍵!



基於近年來國際針對節能的議題逐漸重視,先進成型技術和市場需求的快速演變,塑橡膠產業除了重視品質與精度外,更積極探索新材料、製造技術和數位化解決方案。各國也紛紛推出節能科技創新對策,分別聚焦於再生能源、塑料回收再利用等技術,藉以提升產品性能、降低生產成本,同時減少能源消耗、碳排放對環境的影響。


隨著現今全球經濟的快速發展,對高值化塑橡膠產品的需求持續增長,台灣也加快AI、5G等延續性技術的研究和應用,推動新興產業的發展,現已廣泛應用於汽車、建築、醫療、電子電器、包裝和消費品等應用領域。



圖一 : 隨著現今全球經濟的快速發展,對高值化塑橡膠產品的需求持續增長,已廣泛應用於汽車、建築、醫療、電子電器、包裝和消費品等應用領域。(source:engineering-group.com)
圖一 : 隨著現今全球經濟的快速發展,對高值化塑橡膠產品的需求持續增長,已廣泛應用於汽車、建築、醫療、電子電器、包裝和消費品等應用領域。(source:engineering-group.com)

精機中心聚焦控溫 微波加熱和模溫控制技術

精密機械研發中心(PMC)系統應用部周明慶指出,目前隨著科技的進步和市場需求的變化,塑橡膠技術的發展趨勢呈現出多樣化和專業化的特徵:


(1)可持續性與環保材料:包含可分解、回收等環保塑料研究和應用正在迅速擴展,不僅能減少環境污染,還可以降低對於石油資源的依賴性。


(2)高性能材料:為了滿足各種工業領域對材料性能的嚴格要求,塑橡膠技術正在向高性能材料方向發展。例如高強度、高韌性、耐高溫和耐腐蝕的特種工程塑料和橡膠的研發,在航空、汽車等領域皆有廣泛應用。


(3)智能材料:至於具有自我感知、自我修復和自我調節特性的智能材料,也是一塊正快速成長的研究領域,如形狀記憶聚合物和導電橡膠,正在被導入應用於可穿戴設備、智能醫療器械和柔性電子產品中。


(4)高效製造技術:製造技術的提升是塑橡膠行業持續發展的重要推動力。3D打印、精密注塑成形和自動化生產線 等先進製造技術不僅提高了生產效率,還能大幅降低生產成本,並且能夠實現個性化和小批量生產。


(5)數位化與智能化技術:因應物聯網(IoT)、人工智慧(AI)和大數據分析等相關應用技術在智能製造、品質控制和供應鏈管理中正發揮著越來越重要的作用,能夠提高產品質量和生產效率,正在加速改變塑橡膠行業的生產模式。


利用模溫機多通道調控提高均溫性,針對模具感應加熱,將有助於節能15%以上。



圖二 : 當循環經濟增加產生的回收材料,通常殘水率高,到了料管處容易造成氣泡等產品瑕疵,所以勢必要從源頭開始快速加熱乾燥。(攝影:陳念舜)
圖二 : 當循環經濟增加產生的回收材料,通常殘水率高,到了料管處容易造成氣泡等產品瑕疵,所以勢必要從源頭開始快速加熱乾燥。(攝影:陳念舜)

PMC也將在本屆Taipei PLAS展示其輔助塑膠射出機的電磁微波乾燥機和急冷急熱模溫機,尤其是當循環經濟增加產生的回收材料,通常殘水率高,更需要快速加熱乾燥。即使有部份射出成型機廠商採取真空餵料方式,縮短了料管熔融等一部份乾燥時間,也須將含水率降低至200ppm以下才能使用;還須慎防滲水回潮,到了料管處容易造成氣泡等產品瑕疵,所以勢必要從源頭開始加熱乾燥。


PMC則有別於傳統熱風烘料或紅外線等「間接」加熱模式,須耗時3~4小時的缺點,改用自半導體產業引進的電磁微波技術,採取非接觸直接加熱立式乾燥桶並以螺桿攪拌,約可省下一半時間,快速逼出內部水份及節能30%,可用於透鏡等需要更低含水率的高價值產品。


同時在機聯網監控能源領域有所著墨,已與20餘家廠商合作蒐集能耗資訊,並透過AI分析稼動率、需量管控;經COMSOL有限元素分析(FEA)軟體模擬、預測加熱設計構造;以及


博世力士樂混合油電動力 驅動新型節能整合方案

此外,如歐洲塑料和橡膠工業機械製造商協會(Euromap)早已建立了射出成型機等塑料機械接口的通用標準,因此在設計機械和/或設備時,機組單元和額外機器模組的連接均得到了精確的定義,甚至還加強了機械製造業的模組設計化趨勢,毋須更換其生產系統的核心元件,從而降低了投資成本。


射出成型機營運商面臨的挑戰,則是如何使其用戶能確保信號和數據接口匹配,輕鬆添加工業機器人和其他自動化操作設備,皆可通過此標準化接口連接開放的生產系統,以提供生產設備適應多樣少量、大批量客製化等不同生產要求所需的通用性。


因為液壓具有獨特的密集性和堅固性,適用於諸多產業應用。博世力士樂公司在廣泛的運動控制系統中,開創了現代自動化的液壓驅動,可整合數以千計的應用程序,簡化了工程與兼具快速、靈活及可靠特性。


近期推廣節能的「伺服液壓推桿動力組(servo hydraulic actuator road kit, SHARK)」便是專為工業4.0概念設計的油電整合動力元件,設計輕巧僅30kg,噪音低、性能高。利用伺服馬達和驅動器提升精準度及動態性能,可依據所需功率,更精確滿足動力需求;並在閒置階段切換至待機狀態,減少能源消耗,進而降低二氧化碳排放。



圖三 : 博世力士樂提供的油壓控制系統及伺服閥,兼備輸出力大、反應快以及2微米內精準定位的特性,可有效執行壓力、推力、速度以及位置控制。(攝影:陳念舜)
圖三 : 博世力士樂提供的油壓控制系統及伺服閥,兼備輸出力大、反應快以及2微米內精準定位的特性,可有效執行壓力、推力、速度以及位置控制。(攝影:陳念舜)

近年來也有部份傳統油壓射出成型機製造廠商,為求潔淨節能生產又不失強大鎖模力,而開始導入油電混合動力改裝市場。博世力士樂提供的油壓控制系統及伺服閥,兼備輸出力大、反應快以及2 微米(μm)內精準定位的特性,可有效執行壓力、推力、速度以及位置控制。


其伺服油壓軸和伺服馬達軸向同步,雙軸伺服油壓可在輪廓精度10微米以內執行路徑控制。與傳統油壓控制系統相較,HMC控制器不僅設計輕巧、低噪音、高效,更滿足快速安裝、即插即用的需求,節能效率可達30%~80%;且為工業4.0而生的2微米油壓控制系統,更具備連網功能,只要透過線上軟體,可即時監測工作狀態與相關數據。


進而搭配博世力士樂CytroPac液壓動力站,採低噪音設計的精巧空間內,配置了包含Sytronix經濟型節能驅動系統、完整預接線式變頻器和工業4.0接口等所需組件,僅須連接電源、液壓油、數據端介面即可快速安裝,功率最高可達4kW;搭配即時監控服務,為客戶帶來前所未有的效能。


其中可調速式Sytronix驅動系統可依需求調節變量,節能幅度高達30%~80%,符合歐盟標準2009/125/EC;同時降低排碳量及營運成本。另將整合式變頻器作為控制單元,整合在線壓力、溫度、液位、油液污染度和流量器感測等訊號。


CytroPac可提供多種總線接口,便於擴充至即時監控系統狀態,可與感測器和多功能乙太網路連接,為用戶提供多項數據作業,包含:油液位置及溫度、壓力、電機轉速或流量、過濾器等工作狀態,幫助進行快速故障診斷,提高設備生產效率。


西門子減碳循環解決方案 快速落地永續支援

根據德國大廠西門子公司從國外終端使用者與OEM設備業者得到的回饋,的確可以發現減碳與循環經濟,將是未來台灣塑橡膠射出成型產業的開發重點與競爭力來源。其中對於終端使用者來說,環境、社會責任和公司治理(ESG),已成為全球對於企業的主流評斷指標,影響投資人對於企業的觀感。


且依其對於現今亞洲市場的日本、韓國、中國大陸、印度等地設備業者的觀點看來,台灣的確是最早提出永續意識並進行研發的區域,也提升了更多的國際競爭力。西門子也針對台灣塑橡膠射出產業,提供有關減碳與循環經濟的創新方案,包含:射出成型(Injection molding)、押出(Extrusion)、中空成型(Blow molding)與壓空成型(Thermoforming)4大應用場域。


然而,這些應用的共同點都是須先將塑膠顆粒加熱至熔融狀態,也是製程中最消耗電力的階段。在某些電費日益高漲的國家中,將是最難節省製造成本的瓶頸與痛點!因此,如何達成環境保護並降低製造成本,便成為產業中最關心的議題!西門子則針對塑橡膠射出市場需求與痛點,持續開發相關產品組合,提出了從終端使用者到設備業者的完整解決方案,以協助客戶執行「可快速落地」的永續支援。


對於該公司所有產品進行環境永續評估範圍,涵括:「永續材料(Sustainable materials)」、「最佳化使用(Optimal use)」與「循環價值(Value recovery & circularity)」總共13項評估條件,皆須符合各面向要求,才能獲得Siemens EcoTech標章認證其永續性;確保使用者能以環境友善的方式經營自動化產線,並提升企業循環經濟議題的品牌價值。


西門子也針對全電式射出成型提出完整解決方案,以伺服馬達取代液壓(Hydraulic)系統,除了提升射出產品的精度與品質外,也減少液壓油對於週邊環境的汙染,以及維護設備所需成本與時間。從中長期眼光來看,投資與開發全電機種將是未來射出成型趨勢。西門子全電式射出成型機搭配「塑膠程式庫(Siemens Plastics Library)」,在全球及台灣都有成功開發案例,並在與客戶合作交流中突破技術瓶頸,提升精密機械製造的競爭力。


另外,為了符合ISO50001能源管理規範,西門子也深入研究塑橡膠客戶在電力成本控管上的痛點,透過自動化產品組合協助客戶進行有效改善。例如其中SIMATIC Energy Management Solution,便是涵蓋整條塑膠產線的自動化能源採集,從現場能源收集到上層能源管理系統,使用者除了可以得到產線碳排量,更能有效針對機台製程進行分析,列出改善順序,達成企業節能目標。


特別是在加熱製程的管理上,西門子已可透過SIMATIC S7-EE Monitor,搭配SIMATIC ET 200SP等Energy Meter,自動採集射出成型設備即時能耗資訊;並透過內建程式庫,分析出每單位產品生產所耗能源,如電力、製程各段消耗電力等關鍵目標,快速找出產線能源使用的瓶頸並同時提升管理效率。


同時提供電力來源分析,包含各相電壓穩定度、電壓電流諧波、電力平衡指標與相關事件日記(Event log),把關設備電力來源;多台設備資訊可再上傳至SIMATIC涵蓋一條塑膠產線中,上層管理到現場能源採集所需要的所有軟硬體Energy Manager,進行整廠或是跨廠管理,並產出報表。將在本屆Taipei PLAS呈現其架構與功能,提升產線能源使用透明度,提供終端使用者與設備商整廠規畫整合的依據。


值得一提的是,隨著近年來再生能源發電轉型以及老舊基礎設施的影響,電力供應的可靠性下降。與此同時,設備性能越來越強大,這意味著停電造成的成本將顯著增加。透過西門子(Smart Power Management;SPM)進行設備智能電力管理可降低此風險。其應用涵蓋了機械製造的各個行業,例如木材、玻璃和塑料加工、金屬成型和收放捲系統(Winder and unwinder),以及工具機或搬運(Handling)和機器人技術。



圖四 : 隨著近年來再生能源發電轉型以及老舊基礎設施的影響,電力供應的可靠性下降。與此同時,設備性能越來越強大,這意味著停電造成的成本將顯著增加。(source:eu-images.contentstack.com)
圖四 : 隨著近年來再生能源發電轉型以及老舊基礎設施的影響,電力供應的可靠性下降。與此同時,設備性能越來越強大,這意味著停電造成的成本將顯著增加。(source:eu-images.contentstack.com)

為了確保設備在饋線較不穩定電網上運行不間斷,且性能不下降,SPM還透過以下3種功能進行設備電力管理:


1.確保電網故障時設備運行可控:設備能夠在電網故障期間繼續運行,而不會出現停機或性能下降的情況;


2.降低電網峰值功率:減少設備在電網需求最高時消耗的功率


3.回收煞車能量:將設備在煞車過程中產生的能量重新利用


最後則是透過數位分身(Digital Twin)與SIMATIC Machine Simulator,設備可以在未完全組裝前,進行相對應的虛擬試?,減少開發時間和組裝後的修改,造成不必要的設計成本與材料浪費。透過「Unity Coupling」技術,可將機械設備以更具互動性的方式呈現在消費者的眼前,同時節省展覽成本,是具有未來性的機械設備行銷工具。


迎接9月底將登場的Taipei PLAS 2024西門子將同步推出具有未來性的射出成型軟硬體解決方案:MM Core,透過Webserver + Basic HTML技術,提供具有開放性的架構,為西門子最經濟型的射出成型組合。


此方案保留了西門子塑膠程式庫(Siemens Plastics Library)對於溫度控制、射出、保壓等各段製程編程核心,同時支援全電與油壓系統,並透過完整的診斷功能降低維護成本,利用該方案中搭配的西門子SIMATIC S7-1500 PLC 與SINAMICS驅動產品,提高系統穩定和可靠度。


同時展出壓空成型數位化實績,帶領參觀者實際感受數位分身為塑橡膠機台設備製造商帶來的優勢,包含:NX MCD 機電一體化(Mechatronics Concept Designer)與Unity coupling兩種模型呈現出不同的應用方式,提供更多元的數位化選擇。


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