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綠色工具機盼再增產業競爭力
聚焦供應鏈營銷兩端減碳節能

【作者: 陳念舜】   2023年08月07日 星期一

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當近年來台灣工具機產業先後面臨對外有歐盟碳關稅壓境,以及內有碳費即將上路的時程已迫在眉睫,既非鋼鐵、石化、水泥等「範疇一(Stage 1)」直接排碳大戶;也只能被動承受台灣在「範疇二」節節高漲的火力發電占比與再生能源代價。可操之在己的,唯有積極投入增效節能生產,進而擴及「範疇三」的供應鏈管理,協助上中游零組件或終端加工業客戶提升能源效率。


基於目前已有越來越多減碳化並推動跨垂直領域產業的「可持續發展」應用,正逐步在工業發酵,如依IEA估計,目前工業客戶約占世界能源消耗比重1/3;WEF則指出,其中由製造業產生的二氧化碳(CO2)排放量約占全球排碳量20%;又根據聯合國統計到了2050年,將有約1/3人類居住在水資源極度匱乏的地區。此發展也變得與企業推廣業務關聯性越來越密切,未來節能設備與工具機遭遇分別來自法律、客戶、投資者要求,以及新融資條件、公眾監督等壓力將與日俱增。


德商西門子公司(Siemens)早在約10年前便提出節能減碳相關方案,且直到2011年國際通過ISO 50001能源管理體系標準,藉以滿足歐、日及台灣OEM設備製造廠(Maker)與終端加工業者(End user)需求,找出下一代工具機減碳應用方向。


如今為迎接低碳高效需求與人力挑戰,智能機械已成產業邁向智慧製造的重要一步,藉以協助業者提高生產力,或實現少量多樣的生產模式。其中可藉一次裝夾完成高效加工複雜工件的高階五軸、複合工具機,更是備受機械製造及加工業者關注。隨著如今節能永續的風潮再被注意,台灣又屬於出口導向經濟體,容易在歐美等先進大國面臨碳邊境稅壓力,必須更加快腳步投入,用來突破近年來經貿困境。



圖1 : 目前已有越來越多減碳化並推動跨垂直領域產業的「可持續發展」應用,正逐步在工業發酵,此發展也變得與企業推廣業務關聯性越來越密切。
圖1 : 目前已有越來越多減碳化並推動跨垂直領域產業的「可持續發展」應用,正逐步在工業發酵,此發展也變得與企業推廣業務關聯性越來越密切。

DMG MORI偕西門子 導入綠色節能專用技術

由於工具機在機台本體和周邊自動化設備均使用相當高比例的電力驅動器(Driver)和伺服馬達,且製造業有約70%以上耗能都與之有關,而被歸類為有節能必要的示範產業。現今所稱「能源效率」,應是衡量為了實現特定效益,而付出於能源消耗的重要指標,當結合工具機使用時,必須將每個工件的能耗列入考量。


未來無論是針對終端加工業者或OEM設備廠商開發機器而計算碳足跡時,除了本機之外,還要納入每個元件的能源效率(碳足跡),而成為計算加工能耗基礎之一。包括在整個機台運轉週期的實際加工過程中,除了負責切削動作的主軸、伺服馬達及主驅動器產生的能耗,係基於切削力應用和工具機加速移動質量而引起者居多;較小部份則來自於主驅動器的熱損失造成,約覆蓋20%能源成本。西門子建議加工業者,應縮短主加工與二次加工時間的間隔,最大化切削時間,以自動減少基本負荷在工具機總能耗的份量,從而提高生產中的能源效率。


工具機另有70~80%耗能為供應水、切削液等系統構成的輔助零組件,造成能耗更高,相當於工廠一開機就耗能。所以加工業者在預定生產車間,即應選擇最合適的加工機台大小,以最大限度減少空閒時間及過大能耗,提升整體設備效率(OEE)。同時避免使用者若採購尺寸過大機台,恐不利於加工功率和基本負載間比重;且須移動大型和可能不需要的質量,降低了生產過程的能源效率。


對於製造廠商和加工業者而言,降低工具機能耗也具有相當大潛力。同時希望機台加工當下滿載而快速完工,在加工功率和基本載荷之間的關係表現更佳,而非斷斷續續或平緩的迴圈,得以提升稼動率,實現更高能效。接著還要求針對單一輔助元件的能量管理,希望能按需能耗,並依照加工過程的情況進行智慧能源管理。例如在待機時暫停或低速運行供應冷卻液,打造下一代智慧機種。


工具機大廠DMG MORI則為此與西門子合作,開發三大節能應用技術,分為:


一、Green MACHINE,利用CNC軟硬體技術打造實體機器和虛擬(Virtual)模型,針對整機每個零組件節能而來,並要求供應商能協助提供IE4節能馬達、油霧回收裝置;


二、Green MODE,經由先進加工技術(Adaptive Control Green Mode;ACM)提升效率,縮減約15~20%機台加工時間,以及每次加工單一零件耗能;


三、Green TECH,透過工具機內建Ctrl-E、M Center功能執行智慧能耗監控,或投入開發風力發電機等再生能源產業發展,以減少產品碳足跡。



圖2 : 工具機大廠DMG MORI則為此與西門子合作,開發3大節能應用技術,包含:Green MACHINE、Green MODE、Green TECH。(source:dmgmori)
圖2 : 工具機大廠DMG MORI則為此與西門子合作,開發3大節能應用技術,包含:Green MACHINE、Green MODE、Green TECH。(source:dmgmori)

進而總結了可提高能源效率的四大功能,包含:避免不必要的質量、縮短二次加工時間、輔助零組件的能源管理、採用高效率的驅動技術,西門子SINUMERIK系統也分別提供不同解方。例如具有最高效率的SINAMICS和SIMOTICS主驅動器,用於節能輔助元件;或與使用者應用較為相關,有別於現今台廠以220V電壓為主流,到了歐洲、中國大陸採用380V電壓時,恐會影響能耗。


特別是在大規模生產下,切削策略將會顯著影響機器能耗,同時經由測量和可視化的SINUMERIK Ctrl-E(Energy)功能,為評估每個工件能耗提供了最佳基礎。如今Ctrl-E與ACM已被DMG MORI列入Green MODE功能之一,還可透過OPC-UA通訊及智慧電表,直接擷取周邊自動化設備所有資訊,讓客戶可據此編輯可視化介面;同時監控整機功耗,在休眠期間設定不同節能等級模式。


使用者只要按下Ctrl-E鍵,即可顯示驅動器、伺服馬達能耗;甚至設計讓機器在運行一段時間後,自動休眠或暫停周邊不必要的耗電設備,確保能符合ISO50001規範;進而利用機器Green MODE的智慧待機功能,來降低耗能;搭配CNC車間管理軟體,減少工具機停機時間,降低車間能耗。


西門子還強調該公司電力系統的穩定性,所提供的SINAMICS高效變頻器搭配伺服和周邊自動化系統,將有助於台廠從220V朝向國際標準的380~480V標準靠攏,相同伺服系統加工的能耗相差20%。


另搭配西門子多款SIMOTICS全電進給/主軸伺服馬達和驅動器,其中採用同步建模技術馬達效率達88~94%、異步技術的馬達效率81~92%;主驅動器變頻器為效率最高的電力電子設備,受惠於多軸概念和通用直流母線,額定直接轉換的能源效率最高甚至可達99%;還可經剎車回生的多餘能量再反饋基礎建設的電網,得以最大限度減少能耗,避免機器周圍產生不必要的熱量。



圖3 : 工具機搭配多款SIMOTICS全電進給/主軸伺服馬達和驅動器,其中採用同步建模技術馬達效率達88~94%、異步技術的馬達效率81~92%。(source:siemens)
圖3 : 工具機搭配多款SIMOTICS全電進給/主軸伺服馬達和驅動器,其中採用同步建模技術馬達效率達88~94%、異步技術的馬達效率81~92%。(source:siemens)

台中精機聚焦3G 囊括綠色廠房與機台

因應零碳轉型智造時代到來,工具機大廠台中精機在今年TIMTOS也為此打造多部智慧節能的高階工具機與自動生產線,結合智慧製造與零碳轉型,訴求「3G(綠色工廠Green Factory、綠色工具機Green Machine和綠色目標Green Goal)」為核心。


在「綠色工廠」方面,台中精機在台中精密機械創新園區打造一座全球營運總部暨智慧化工廠,甫於3年前啟用,不但是台灣工具機業界首座以工業4.0為架構打造的智慧工廠,更獲得綠建築標章的認證,集智慧化、綠能化與現代化於一身,成為台灣智慧機械產業的典範工廠。新廠也以節能環保為主要訴求,除了以物聯網即時監控用電量;同時建置地下涵管,可藉此降低室溫3~5℃,在夏季減少空調耗能、以雨水回收系統創造水資源循環利用等。。


針對「綠色工具機」的研發上,台中精機秉持以終為始的精神,持續開發擁有智慧化機能與節能減碳的產品。其中五軸加工機搭載了強大的智慧化機能,整機安裝多組感測器,進行主軸/螺桿振動監控、智慧潤滑、機台熱變位補償、刀具負載監控,再選配變頻主軸油冷卻機,達到更節能減碳的要求。複合加工機,則強調只要單機就能完成所有或大部分的加工程序,以避免工件在不同機台之間的等待、搬運,造成浪費與多次裝夾過程中所產生的位置精度誤差,實現高精度與高效率加工及節能減碳。


同時推出5項獨特智慧化功能,包括:「工件數位雙生技術」,係由台中精機攜手發那科與西門子發展,可藉此降低客戶工件打樣上的風險與損失,倘若實際加工後發生問題,也能減少重新處理恐造成時間、材料與電力等浪費。


以及「智慧節能技術」,展出最新「機台熱變位補償機能」,能降低機台暖機造成的電力浪費;不使用高壓切削水沖屑的「震盪切削機能」,避免切削水造成鈑金變形漏水與減少電力消耗;搭載「螺桿智慧潤滑機能」,減少潤滑油量與汙染切削液。最終利用可視化電力/工法改變及變頻控制等技術,開發ECO電力分析、ECO等級設定、多段壓力切削水控制、變頻油壓單元、變頻油冷卻機等元件,讓機台加工過程發揮節能減碳的效果。


同時在推廣機聯網(SCADA)方面,台中精機新一代SCADA系統已可連結發那科、西門子和海德漢等多款控制器,並具備即時狀態監控、生產報表產出、OEE計算、刀具壽命檢視、警報分析、機台程式上/下載、MTBF指標/MTTR指標等標準功能、機台能源管理、電子看板、上位系統資料交換等選配功能,方便管理者快速監控管理整廠機器的情報資訊。



圖4 : 工具機大廠台中精機在今年TIMTOS也結合智慧製造與零碳轉型,訴求「3G(綠色工廠Green Factory、綠色工具機Green Machine和綠色目標Green Goal)」為核心。(source:cloudfront.net)
圖4 : 工具機大廠台中精機在今年TIMTOS也結合智慧製造與零碳轉型,訴求「3G(綠色工廠Green Factory、綠色工具機Green Machine和綠色目標Green Goal)」為核心。(source:cloudfront.net)

在機台操作更簡單更人性化方面,台中精機也因應少子化趨勢與機台親和性需求,開發出「主軸刀具負載監控對話機能」,利用友善人機介面引導客戶能快速使用機能,並進行可視化,增加親和性,減少學習的時間。「長棒加工顫震抑制機能(SSV),利用長棒加工產生的規律性震盪做控制,減少客戶需再利用尾座/中心架/副主軸等設備時間,且工件表面紋路能符合要求,有效減少工件報廢的損失。


另外,由台中精機與仁安資訊合作開發的「CNC數位分身加工模擬系統」,透過電腦虛擬出機台控制器面板,讓操作者上機前能先模擬操作機台,達到「1:1精準模擬」的效果。該套系統適用於技職院校、職訓中心及初學者訓練,可應用於數位化CNC教學,在加工前進行虛擬加工與干涉檢查,快速驗證程式的準確性,有效減少刀具材料等費用的支出。


在「綠色目標」的實踐方面,台中精機除了加入「零碳大學」學習最新減碳技術外,並已完成高耗能的后里鑄造廠獲得ISO 50001的認證,接著導入台灣4個廠區的ISO 14064溫室氣體盤查和ISO 14067產品碳足跡認證,承諾要在2050年達成淨零碳排,每年致力減少5%碳排量,並將減碳變成標準規範,以大帶小引領客戶、協力廠共同來打造台灣機械業的零碳生態系。


尤其是台中精機推動供應鏈減碳最堅實的基礎,就是已經推動了超過20年以上的數位布局。包括自1981年就已投入資訊化建置,推動精實生產(Lean Production),透過減少浪費、提升效率及降低成本,創造更多利潤與競爭力;1998年導入ERP(企業資源規畫),接著建立電子商務平台;並在2011年及2016年陸續取得ISO 14064溫室氣體盤查、ISO 50001能源管理系統兩項重要的國際認證。


今年推動的供應鏈零碳轉型,又樹立了一個重要的里程碑。由於工具機產業有很多排碳都是來自供應鏈產生,台中精機身為台灣工具機產業聚落的中心廠,圍繞著數百個協力廠,供應數千個零組件,在這樣的共生關係下,零碳轉型必得把供應商一起拉進來!未來台中精機的零碳轉型,將以三階段推動。


第一階段就從供應商大會開始,讓供應廠商了解為何而戰,而不是被迫。目前台中精機已掌握供應鏈當中前20大碳排放的廠商,接下來會分別進行協商,希望能導入零碳轉型的方法論,讓整體供應鏈產生實際的減碳效果。


第二階段則希望推出一個供應鏈共創共用的碳盤查平台,因為工具機產業的重疊性高,幾家中心廠都有許多共同的供應商,也想將其他工具機的中心廠像是永進機械、東台精機等一起拉進來,建立一個相容的平台來整合所有的數據資料才合乎效益,也可以降低阻力。


第三階段則是長期性的規畫,尋求國際上其他軟體服務平台的合作機會,能夠在盤查、減碳外,搶先布局碳中和的策略。未來除了碳稅的成本,還需要考量購買碳權等問題。


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