面對(duì)當(dāng)今國(guó)際減碳趨勢(shì)正逐漸邁入深水區(qū)，低碳製造更成為現(xiàn)今傳產(chǎn)製造業(yè)轉(zhuǎn)型成敗與否的關(guān)鍵，相對(duì)先進(jìn)的雷射加工法，更可結(jié)合工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)最晚突破的金屬焊接加工應(yīng)用。
因應(yīng)近年來(lái)美國(guó)發(fā)起的關(guān)稅、匯率挑戰(zhàn)，也是驅(qū)動(dòng)傳產(chǎn)製造業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，雷射光因?yàn)榫邆涓吣芰棵芏取⒏邷?zhǔn)直性、極小光束發(fā)散角、高同調(diào)性及單色性等優(yōu)點(diǎn)，得以發(fā)展出各項(xiàng)快狠準(zhǔn)的高階加工法與設(shè)備，包含：雷射切割、雷射焊接、雷射打標(biāo)（marking）等領(lǐng)域，提高了生產(chǎn)效率和品質(zhì)。
加上未來(lái)機(jī)械產(chǎn)業(yè)將會(huì)更加數(shù)位化、自動(dòng)化、智慧化，期待經(jīng)由數(shù)位分身（Digital twin）與CPS虛實(shí)整合來(lái)驅(qū)動(dòng)，向智慧與綠色製造雙軸轉(zhuǎn)型的模式。
利用數(shù)位化智慧控制的雷射系統(tǒng)，將使得雷射加工技術(shù)更具靈活性，能適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)需求，使工件的切割精度提高。並且為處理複雜形狀的工件，衍生出在微細(xì)切割、焊接、打孔等方面的應(yīng)用，滿足微型化產(chǎn)品和高精度元件的生產(chǎn)需求；以及雷射改質(zhì)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)催生出更節(jié)能、環(huán)保的製造方法，減少?gòu)U棄物。
根據(jù)市場(chǎng)研調(diào)機(jī)構(gòu)Spherical Insights最新報(bào)告，全球雷射加工設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模，在2023~2033年的預(yù)估年複合成長(zhǎng)率為10.2%。
其中，以金屬銲接的應(yīng)用占比為雷射加工僅次於切割的第二大市場(chǎng)，根據(jù)市場(chǎng)研調(diào)機(jī)構(gòu)Verified Market Reports分析， 2023年全球雷射銲接設(shè)備產(chǎn)值約為19億美元，預(yù)估在2031年將達(dá)到24.8億美元，在2024~2031年間、雷射銲接機(jī)的複合年增長(zhǎng)率為4.16%。
雷射銲接普及應(yīng)用 導(dǎo)入加工AI伺服器冷卻管路
儘管雷射銲接在初始設(shè)備建立和後續(xù)維護(hù)的成本相當(dāng)高，但相較於傳統(tǒng)銲接的工法，雷射銲接具有加工速度更快、變形量低、熱影響區(qū)小的特性，銲接品質(zhì)及精度更好的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，涵括電子、汽車和航太領(lǐng)域等各種行業(yè)、材料的生產(chǎn)製造，大幅改善銲接成效。
| 圖一 : 以金屬銲接的應(yīng)用占比為雷射加工僅次於切割的第二大市場(chǎng)。 |
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光纖雷射還具備優(yōu)良的光束品質(zhì)及抗反射光兩大特性，在不鏽鋼、碳鋼、鋁合金及銅的自動(dòng)化銲接應(yīng)用時(shí)，能協(xié)助解決雷射自動(dòng)化銲接設(shè)備的問(wèn)題，進(jìn)一步和自動(dòng)化系統(tǒng)整合，以確保銲接品質(zhì)的一致性、提高生產(chǎn)效率，從而解決現(xiàn)今工廠大多面臨的勞動(dòng)力短缺危機(jī)。
在今年臺(tái)北國(guó)際工具機(jī)展（TIMTOS）期間舉行的「高功率雷射技術(shù)與應(yīng)用」論壇上，也由由安德貿(mào)易公司的王森弘博士分享其將光纖雷射導(dǎo)入銲接AI伺服器的水冷系統(tǒng)、Rack Manifold分岐管等自動(dòng)化應(yīng)用實(shí)績(jī)。
該公司採(cǎi)用FANUC工業(yè)機(jī)器人搭配3D視覺(jué)鏡頭，針對(duì)端蓋密封銲接，採(cǎi)用單軸旋轉(zhuǎn)盤與機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)，所以即使用於水管接頭密封銲接時(shí)，雖有開(kāi)孔及定位誤差，會(huì)讓接頭有X-Y方向的偏移，也能利用3D視覺(jué)鏡頭修正偏移量，實(shí)現(xiàn)全圓周密封銲接。
另針對(duì)機(jī)器人路徑誤差，則可於教導(dǎo)8~12點(diǎn)來(lái)完成圓周路徑時(shí)，經(jīng)過(guò)機(jī)器人控制器運(yùn)算取得點(diǎn)與點(diǎn)之間的位置。雖然運(yùn)算路徑與實(shí)際路徑的差異，可能會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)過(guò)程中的焦距變化，但因?yàn)楣饫w雷射具備長(zhǎng)景深的特性，能確保可在相同的能量密度下，得到穩(wěn)定的銲接品質(zhì)。
產(chǎn)研合創(chuàng)H型鋼構(gòu)雷射銲接技術(shù) 發(fā)揮「高產(chǎn)速」、「低碳排」優(yōu)勢(shì)
此外，「銲接」其實(shí)也是大型建設(shè)的關(guān)鍵工序，包括從船艦、風(fēng)機(jī)、橋梁到高樓大廈，背後都有綿密的銲道來(lái)?yè)纹疬@些大型金屬構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，特別講究「精度」、「效率」與「穩(wěn)定性」。
臺(tái)灣也因位處全球供應(yīng)鏈重整的關(guān)鍵地位，相關(guān)科學(xué)園區(qū)積極擴(kuò)大產(chǎn)能興建新廠；積極推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和環(huán)保措施，需要鋼構(gòu)產(chǎn)品來(lái)支撐和承載設(shè)備而開(kāi)拓新市場(chǎng)，各式型鋼應(yīng)用需求劇增。
然而，現(xiàn)有鋼構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)苤旗朵摌?gòu)製程較仰賴傳統(tǒng)人力銲接且遭遇銲工短缺問(wèn)題，生產(chǎn)及品質(zhì)控管不易，導(dǎo)致單量供不應(yīng)求；再加上全球環(huán)保意識(shí)的抬頭，各國(guó)紛紛制定淨(jìng)零碳排的政策，鋼構(gòu)業(yè)更是首當(dāng)其衝的產(chǎn)業(yè)之一。
從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起家的臺(tái)灣光罩公司，也因此決定展開(kāi)多角化經(jīng)營(yíng)，跨足鋼構(gòu)、儲(chǔ)能及自動(dòng)化領(lǐng)域，深耕營(yíng)造市場(chǎng)。除了致力解決臺(tái)灣各大鋼構(gòu)廠供不應(yīng)求的情形；同時(shí)尋求高自動(dòng)化的機(jī)會(huì)，降低鋼構(gòu)廠的人力需求，解決未來(lái)面臨的缺工問(wèn)題。
臺(tái)灣光罩指出，目前既有的鋼構(gòu)製造產(chǎn)能瓶頸主要在於銲接工序上，因此嘗試以半導(dǎo)體的製造思維跨入鋼構(gòu)生產(chǎn)領(lǐng)域。與工研院共同投入開(kāi)發(fā)的全球首創(chuàng)「應(yīng)用於H型鋼構(gòu)低碳化製造之雷射銲接虛實(shí)整合技術(shù)」，係針對(duì)現(xiàn)今鋼構(gòu)為廠房與大樓建設(shè)核心，卻仰賴人力、耗時(shí)耗能的傳統(tǒng)高熱銲接，所以轉(zhuǎn)向應(yīng)用AI調(diào)控高能雷射的能量，結(jié)合Digital twin數(shù)位分身與智慧感測(cè)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，突破過(guò)去50年來(lái)使用電弧/灌鐵砂填料等傳統(tǒng)銲接生產(chǎn)方式。
從而研擬並籌建3萬(wàn)瓦光纖雷射源、萬(wàn)瓦級(jí)雷射銲接頭，結(jié)合銲道追蹤與自動(dòng)校正路徑系統(tǒng)及研發(fā)團(tuán)隊(duì)，建置臺(tái)灣首部H型鋼構(gòu)自動(dòng)化雷射送線銲接設(shè)備系統(tǒng)，具有「高產(chǎn)速」、「低碳排」兩大優(yōu)勢(shì)，佐以智動(dòng)化銲接產(chǎn)線建立，將可精簡(jiǎn)人力，同時(shí)能提升產(chǎn)能5倍且可有效節(jié)能減碳80%以上，大幅減少銲接時(shí)間及能源消耗，成本更降至1/3等優(yōu)勢(shì)，也省去了填料耗材及廢棄物處理，將翻轉(zhuǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
| 圖二 : 臺(tái)灣光罩決定展開(kāi)多角化經(jīng)營(yíng)，跨足鋼構(gòu)、儲(chǔ)能及自動(dòng)化領(lǐng)域，深耕營(yíng)造市場(chǎng)。(攝影:陳念舜) |
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結(jié)合AI機(jī)器人創(chuàng)新工法 應(yīng)對(duì)全球焊接技術(shù)人才短缺
值得一提的是，基於全球焊接人才短缺，為提升銲接品質(zhì)及解決缺工困境，由博世（Bosch）的自動(dòng)化控制平臺(tái) CtrlX 系列結(jié)合 Kassow Robot機(jī)器人的焊接解決方案，並導(dǎo)入先進(jìn)的AI機(jī)器學(xué)習(xí)演算法。
臺(tái)灣博世力士樂(lè)公司總經(jīng)理陳俊隆表示，這些系統(tǒng)可持續(xù)從操作數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，不斷提升生產(chǎn)效率、減少錯(cuò)誤，並靈活調(diào)整以因應(yīng)不斷變化的製程需求，使臺(tái)灣製造業(yè)在智慧工廠的實(shí)踐上建立領(lǐng)先地位。
| 圖三 : 臺(tái)灣博世力士樂(lè)公司總經(jīng)理陳俊隆(攝影:陳念舜) |
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位在南臺(tái)灣的金屬工業(yè)研究發(fā)展中心近期也推出一套具備高機(jī)動(dòng)性、智慧分析與協(xié)作能力的小型化高效銲接協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)，結(jié)合磁吸式模組、3D 感測(cè)、AI 分析與多機(jī)協(xié)同能力，體積小、用途廣，能應(yīng)對(duì)多變工況與各種複雜角度。目的是讓銲接現(xiàn)場(chǎng)變得更有效率、更穩(wěn)定，也讓企業(yè)在高技術(shù)人力短缺的當(dāng)下，帶來(lái)可行的變革方案。
實(shí)際應(yīng)用結(jié)果顯示，在工程中導(dǎo)入?yún)f(xié)作機(jī)器人後，整體效率可提升90%。關(guān)鍵在於AI能即時(shí)分析銲道狀況、調(diào)整每一道路徑與參數(shù)設(shè)定，不只讓多層銲接的品質(zhì)更穩(wěn)定，也大幅降低因厚板鏟修造成的返工率，有效預(yù)防構(gòu)件在多道銲接過(guò)程中產(chǎn)生的熱變形，確保最終結(jié)構(gòu)精度與效率。
當(dāng)製造業(yè)正快速走向智慧化與減碳並行的時(shí)代，技術(shù)的價(jià)值不只在於創(chuàng)新，更在於是否能解決真實(shí)問(wèn)題、被第一線所採(cǎi)用。金屬中心所研發(fā)的小型化高效銲接協(xié)作機(jī)器人，正是從現(xiàn)場(chǎng)痛點(diǎn)出發(fā)，提供一套能實(shí)際落地的解決方案，讓智慧製造的藍(lán)圖不只是理想，更能在每一項(xiàng)工程中逐步實(shí)現(xiàn)。
