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塑胶射出减碳有解
机电系统驱动节能

【作者: 陳念舜】2024年08月28日 星期三

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面临全球净零碳排浪潮下,对於环保和可持续发展议题日益重视,甚至将衍生出「循环经济模式」,对於传统塑橡胶成型产业将带来前所未有的挑战和机遇,周边辅助自动化设备和机电系统角色更为关键!



基於近年来国际针对节能的议题逐渐重视,先进成型技术和市场需求的快速演变,塑橡胶产业除了重视品质与精度外,更积极探索新材料、制造技术和数位化解决方案。各国也纷纷推出节能科技创新对策,分别聚焦於再生能源、塑料回收再利用等技术,藉以提升产品性能、降低生产成本,同时减少能源消耗、碳排放对环境的影响。


随着现今全球经济的快速发展,对高值化塑橡胶产品的需求持续增长,台湾也加快AI、5G等延续性技术的研究和应用,推动新兴产业的发展,现已广泛应用於汽车、建筑、医疗、电子电器、包装和消费品等应用领域。



图一 : 随着现今全球经济的快速发展,对高值化塑橡胶产品的需求持续增长,已广泛应用於汽车、建筑、医疗、电子电器、包装和消费品等应用领域。(source:engineering-group.com)
图一 : 随着现今全球经济的快速发展,对高值化塑橡胶产品的需求持续增长,已广泛应用於汽车、建筑、医疗、电子电器、包装和消费品等应用领域。(source:engineering-group.com)

精机中心聚焦控温 微波加热和模温控制技术

精密机械研发中心(PMC)系统应用部周明厌指出,目前随着科技的进步和市场需求的变化,塑橡胶技术的发展趋势呈现出多样化和专业化的特徵:


(1)可持续性与环保材料:包含可分解、回收等环保塑料研究和应用正在迅速扩展,不仅能减少环境污染,还可以降低对於石油资源的依赖性。


(2)高性能材料:为了满足各种工业领域对材料性能的严格要求,塑橡胶技术正在向高性能材料方向发展。例如高强度、高韧性、耐高温和耐腐蚀的特种工程塑料和橡胶的研发,在航空、汽车等领域皆有广泛应用。


(3)智能材料:至於具有自我感知、自我修复和自我调节特性的智能材料,也是一块正快速成长的研究领域,如形状记忆聚合物和导电橡胶,正在被导入应用於可穿戴设备、智能医疗器械和柔性电子产品中。


(4)高效制造技术:制造技术的提升是塑橡胶行业持续发展的重要推动力。3D打印、精密注塑成形和自动化生产线 等先进制造技术不仅提高了生产效率,还能大幅降低生产成本,并且能够实现个性化和小批量生产。


(5)数位化与智能化技术:因应物联网(IoT)、人工智慧(AI)和大数据分析等相关应用技术在智能制造、品质控制和供应链管理中正发挥着越来越重要的作用,能够提高产品质量和生产效率,正在加速改变塑橡胶行业的生产模式。


利用模温机多通道调控提高均温性,针对模具感应加热,将有助於节能15%以上。



图二 : 当循环经济增加产生的回收材料,通常残水率高,到了料管处容易造成气泡等产品瑕疵,所以势必要从源头开始快速加热乾燥。(摄影:陈念舜)
图二 : 当循环经济增加产生的回收材料,通常残水率高,到了料管处容易造成气泡等产品瑕疵,所以势必要从源头开始快速加热乾燥。(摄影:陈念舜)

PMC也将在本届Taipei PLAS展示其辅助塑胶射出机的电磁微波乾燥机和急冷急热模温机,尤其是当循环经济增加产生的回收材料,通常残水率高,更需要快速加热乾燥。即使有部份射出成型机厂商采取真空喂料方式,缩短了料管熔融等一部份乾燥时间,也须将含水率降低至200ppm以下才能使用;还须慎防渗水回潮,到了料管处容易造成气泡等产品瑕疵,所以势必要从源头开始加热乾燥。


PMC则有别於传统热风烘料或红外线等「间接」加热模式,须耗时3~4小时的缺点,改用自半导体产业引进的电磁微波技术,采取非接触直接加热立式乾燥桶并以螺杆搅拌,约可省下一半时间,快速逼出内部水份及节能30%,可用於透镜等需要更低含水率的高价值产品。


同时在机联网监控能源领域有所着墨,已与20馀家厂商合作搜集能耗资讯,并透过AI分析稼动率、需量管控;经COMSOL有限元素分析(FEA)软体模拟、预测加热设计构造;以及


博世力士乐混合油电动力 驱动新型节能整合方案

此外,如欧洲塑料和橡胶工业机械制造商协会(Euromap)早已建立了射出成型机等塑料机械接囗的通用标准,因此在设计机械和/或设备时,机组单元和额外机器模组的连接均得到了精确的定义,甚至还加强了机械制造业的模组设计化趋势,毋须更换其生产系统的核心元件,从而降低了投资成本。


射出成型机营运商面临的挑战,则是如何使其用户能确保信号和数据接囗匹配,轻松添加工业机器人和其他自动化操作设备,皆可通过此标准化接囗连接开放的生产系统,以提供生产设备适应多样少量、大批量客制化等不同生产要求所需的通用性。


因为液压具有独特的密集性和坚固性,适用於诸多产业应用。博世力士乐公司在广泛的运动控制系统中,开创了现代自动化的液压驱动,可整合数以千计的应用程序,简化了工程与兼具快速、灵活及可靠特性。


近期推广节能的「伺服液压推杆动力组(servo hydraulic actuator road kit, SHARK)」便是专为工业4.0概念设计的油电整合动力元件,设计轻巧仅30kg,噪音低、性能高。利用伺服马达和驱动器提升精准度及动态性能,可依据所需功率,更精确满足动力需求;并在闲置阶段切换至待机状态,减少能源消耗,进而降低二氧化碳排放。



图三 : 博世力士乐提供的油压控制系统及伺服阀,兼备输出力大、反应快以及2微米内精准定位的特性,可有效执行压力、推力、速度以及位置控制。(摄影:陈念舜)
图三 : 博世力士乐提供的油压控制系统及伺服阀,兼备输出力大、反应快以及2微米内精准定位的特性,可有效执行压力、推力、速度以及位置控制。(摄影:陈念舜)

近年来也有部份传统油压射出成型机制造厂商,为求洁净节能生产又不失强大锁模力,而开始导入油电混合动力改装市场。博世力士乐提供的油压控制系统及伺服阀,兼备输出力大、反应快以及2 微米(μm)内精准定位的特性,可有效执行压力、推力、速度以及位置控制。


其伺服油压轴和伺服马达轴向同步,双轴伺服油压可在轮廓精度10微米以内执行路径控制。与传统油压控制系统相较,HMC控制器不仅设计轻巧、低噪音、高效,更满足快速安装、即??即用的需求,节能效率可达30%~80%;且为工业4.0而生的2微米油压控制系统,更具备连网功能,只要透过线上软体,可即时监测工作状态与相关数据。


进而搭配博世力士乐CytroPac液压动力站,采低噪音设计的精巧空间内,配置了包含Sytronix经济型节能驱动系统、完整预接线式变频器和工业4.0接囗等所需组件,仅须连接电源、液压油、数据端介面即可快速安装,功率最高可达4kW;搭配即时监控服务,为客户带来前所未有的效能。


其中可调速式Sytronix驱动系统可依需求调节变量,节能幅度高达30%~80%,符合欧盟标准2009/125/EC;同时降低排碳量及营运成本。另将整合式变频器作为控制单元,整合在线压力、温度、液位、油液污染度和流量器感测等讯号。


CytroPac可提供多种总线接囗,便於扩充至即时监控系统状态,可与感测器和多功能乙太网路连接,为用户提供多项数据作业,包含:油液位置及温度、压力、电机转速或流量、过滤器等工作状态,帮助进行快速故障诊断,提高设备生产效率。


西门子减碳循环解决方案 快速落地永续支援

根据德国大厂西门子公司从国外终端使用者与OEM设备业者得到的回??,的确可以发现减碳与循环经济,将是未来台湾塑橡胶射出成型产业的开发重点与竞争力来源。其中对於终端使用者来说,环境、社会责任和公司治理(ESG),已成为全球对於企业的主流评断指标,影响投资人对於企业的观感。


且依其对於现今亚洲市场的日本、韩国、中国大陆、印度等地设备业者的观点看来,台湾的确是最早提出永续意识并进行研发的区域,也提升了更多的国际竞争力。西门子也针对台湾塑橡胶射出产业,提供有关减碳与循环经济的创新方案,包含:射出成型(Injection molding)、押出(Extrusion)、中空成型(Blow molding)与压空成型(Thermoforming)4大应用场域。


然而,这些应用的共同点都是须先将塑胶颗粒加热至熔融状态,也是制程中最消耗电力的阶段。在某些电费日益高涨的国家中,将是最难节省制造成本的瓶颈与痛点!因此,如何达成环境保护并降低制造成本,便成为产业中最关心的议题!西门子则针对塑橡胶射出市场需求与痛点,持续开发相关产品组合,提出了从终端使用者到设备业者的完整解决方案,以协助客户执行「可快速落地」的永续支援。


对於该公司所有产品进行环境永续评估范围,涵括:「永续材料(Sustainable materials)」、「最隹化使用(Optimal use)」与「循环价值(Value recovery & circularity)」总共13项评估条件,皆须符合各面向要求,才能获得Siemens EcoTech标章认证其永续性;确保使用者能以环境友善的方式经营自动化产线,并提升企业循环经济议题的品牌价值。


西门子也针对全电式射出成型提出完整解决方案,以伺服马达取代液压(Hydraulic)系统,除了提升射出产品的精度与品质外,也减少液压油对於周边环境的污染,以及维护设备所需成本与时间。从中长期眼光来看,投资与开发全电机种将是未来射出成型趋势。西门子全电式射出成型机搭配「塑胶程式库(Siemens Plastics Library)」,在全球及台湾都有成功开发案例,并在与客户合作交流中突破技术瓶颈,提升精密机械制造的竞争力。


另外,为了符合ISO50001能源管理规范,西门子也深入研究塑橡胶客户在电力成本控管上的痛点,透过自动化产品组合协助客户进行有效改善。例如其中SIMATIC Energy Management Solution,便是涵盖整条塑胶产线的自动化能源采集,从现场能源收集到上层能源管理系统,使用者除了可以得到产线碳排量,更能有效针对机台制程进行分析,列出改善顺序,达成企业节能目标。


特别是在加热制程的管理上,西门子已可透过SIMATIC S7-EE Monitor,搭配SIMATIC ET 200SP等Energy Meter,自动采集射出成型设备即时能耗资讯;并透过内建程式库,分析出每单位产品生产所耗能源,如电力、制程各段消耗电力等关键目标,快速找出产线能源使用的瓶颈并同时提升管理效率。


同时提供电力来源分析,包含各相电压稳定度、电压电流谐波、电力平衡指标与相关事件日记(Event log),把关设备电力来源;多台设备资讯可再上传至SIMATIC涵盖一条塑胶产线中,上层管理到现场能源采集所需要的所有软硬体Energy Manager,进行整厂或是跨厂管理,并产出报表。将在本届Taipei PLAS呈现其架构与功能,提升产线能源使用透明度,提供终端使用者与设备商整厂规画整合的依据。


值得一提的是,随着近年来再生能源发电转型以及老旧基础设施的影响,电力供应的可靠性下降。与此同时,设备性能越来越强大,这意味着停电造成的成本将显着增加。透过西门子(Smart Power Management;SPM)进行设备智能电力管理可降低此风险。其应用涵盖了机械制造的各个行业,例如木材、玻璃和塑料加工、金属成型和收放卷系统(Winder and unwinder),以及工具机或搬运(Handling)和机器人技术。



图四 : 随着近年来再生能源发电转型以及老旧基础设施的影响,电力供应的可靠性下降。与此同时,设备性能越来越强大,这意味着停电造成的成本将显着增加。(source:eu-images.contentstack.com)
图四 : 随着近年来再生能源发电转型以及老旧基础设施的影响,电力供应的可靠性下降。与此同时,设备性能越来越强大,这意味着停电造成的成本将显着增加。(source:eu-images.contentstack.com)

为了确保设备在??线较不稳定电网上运行不间断,且性能不下降,SPM还透过以下3种功能进行设备电力管理:


1.确保电网故障时设备运行可控:设备能够在电网故障期间继续运行,而不会出现停机或性能下降的情况;


2.降低电网峰值功率:减少设备在电网需求最高时消耗的功率


3.回收煞车能量:将设备在煞车过程中产生的能量重新利用


最後则是透过数位分身(Digital Twin)与SIMATIC Machine Simulator,设备可以在未完全组装前,进行相对应的虚拟试?,减少开发时间和组装後的修改,造成不必要的设计成本与材料浪费。透过「Unity Coupling」技术,可将机械设备以更具互动性的方式呈现在消费者的眼前,同时节省展览成本,是具有未来性的机械设备行销工具。


迎接9月底将登场的Taipei PLAS 2024西门子将同步推出具有未来性的射出成型软硬体解决方案:MM Core,透过Webserver + Basic HTML技术,提供具有开放性的架构,为西门子最经济型的射出成型组合。


此方案保留了西门子塑胶程式库(Siemens Plastics Library)对於温度控制、射出、保压等各段制程编程核心,同时支援全电与油压系统,并透过完整的诊断功能降低维护成本,利用该方案中搭配的西门子SIMATIC S7-1500 PLC 与SINAMICS驱动产品,提高系统稳定和可靠度。


同时展出压空成型数位化实绩,带领叁观者实际感受数位分身为塑橡胶机台设备制造商带来的优势,包含:NX MCD 机电一体化(Mechatronics Concept Designer)与Unity coupling两种模型呈现出不同的应用方式,提供更多元的数位化选择。


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