當(dāng)近年來臺灣工具機產(chǎn)業(yè)先後面臨對外有歐盟碳關(guān)稅壓境，以及內(nèi)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(fàn)疇一（Stage 1）」直接排碳大戶；也只能被動承受臺灣在「範(fàn)疇二」節(jié)節(jié)高漲的火力發(fā)電占比與再生能源代價?？刹僦诩旱?，唯有積極投入增效節(jié)能生產(chǎn)，進(jìn)而擴及「範(fàn)疇三」的供應(yīng)鏈管理，協(xié)助上中游零組件或終端加工業(yè)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(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的「可持續(xù)發(fā)展」應(yīng)用，正逐步在工業(yè)發(fā)酵，如依IEA估計，目前工業(yè)客戶約占世界能源消耗比重1/3；WEF則指出，其中由製造業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）排放量約占全球排碳量20%；又根據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)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(qū)。此發(fā)展也變得與企業(yè)推廣業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)性越來越密切，未來節(jié)能設(shè)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(jiān)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(jié)能減碳相關(guān)方案，且直到2011年國際通過ISO 50001能源管理體系標(biāo)準(zhǔn)，藉以滿足歐、日及臺灣OEM設(shè)備製造廠（Maker）與終端加工業(yè)者（End user）需求，找出下一代工具機減碳應(yīng)用方向。
如今為迎接低碳高效需求與人力挑戰(zhàn)，智能機械已成產(chǎn)業(yè)邁向智慧製造的重要一步，藉以協(xié)助業(yè)者提高生產(chǎn)力，或?qū)崿F(xiàn)少量多樣的生產(chǎn)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(yè)者關(guān)注。隨著如今節(jié)能永續(xù)的風(fēng)潮再被注意，臺灣又屬於出口導(dǎo)向經(jīng)濟體，容易在歐美等先進(jìn)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(jīng)貿(mào)困境。
| 圖1 : 目前已有越來越多減碳化並推動跨垂直領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的「可持續(xù)發(fā)展」應(yīng)用，正逐步在工業(yè)發(fā)酵，此發(fā)展也變得與企業(yè)推廣業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)性越來越密切。 |
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DMG MORI偕西門子 導(dǎo)入綠色節(jié)能專用技術(shù)
由於工具機在機臺本體和周邊自動化設(shè)備均使用相當(dāng)高比例的電力驅(qū)動器（Driver）和伺服馬達(dá)，且製造業(yè)有約70%以上耗能都與之有關(guān)，而被歸類為有節(jié)能必要的示範(fàn)產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)今所稱「能源效率」，應(yīng)是衡量為了實現(xiàn)特定效益，而付出於能源消耗的重要指標(biāo)，當(dāng)結(jié)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(yè)者或OEM設(shè)備廠商開發(fā)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(chǔ)之一。包括在整個機臺運轉(zhuǎn)週期的實際加工過程中，除了負(fù)責(zé)切削動作的主軸、伺服馬達(dá)及主驅(qū)動器產(chǎn)生的能耗，係基於切削力應(yīng)用和工具機加速移動質(zhì)量而引起者居多；較小部份則來自於主驅(qū)動器的熱損失造成，約覆蓋20%能源成本。西門子建議加工業(yè)者，應(yīng)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(fù)荷在工具機總能耗的份量，從而提高生產(chǎn)中的能源效率。
工具機另有70~80%耗能為供應(yīng)水、切削液等系統(tǒng)構(gòu)成的輔助零組件，造成能耗更高，相當(dāng)於工廠一開機就耗能。所以加工業(yè)者在預(yù)定生產(chǎn)車間，即應(yīng)選擇最合適的加工機臺大小，以最大限度減少空閒時間及過大能耗，提升整體設(shè)備效率（OEE）。同時避免使用者若採購尺寸過大機臺，恐不利於加工功率和基本負(fù)載間比重；且須移動大型和可能不需要的質(zhì)量，降低了生產(chǎn)過程的能源效率。
對於製造廠商和加工業(yè)者而言，降低工具機能耗也具有相當(dāng)大潛力。同時希望機臺加工當(dāng)下滿載而快速完工，在加工功率和基本載荷之間的關(guān)係表現(xiàn)更佳，而非斷斷續(xù)續(xù)或平緩的迴圈，得以提升稼動率，實現(xiàn)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(jìn)行智慧能源管理。例如在待機時暫?；虻退龠\行供應(yīng)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(fā)三大節(jié)能應(yīng)用技術(shù)，分為：
一、Green MACHINE，利用CNC軟硬體技術(shù)打造實體機器和虛擬（Virtual）模型，針對整機每個零組件節(jié)能而來，並要求供應(yīng)商能協(xié)助提供IE4節(jié)能馬達(dá)、油霧回收裝置；
二、Green MODE，經(jīng)由先進(jìn)加工技術(shù)（Adaptive Control Green Mode；ACM）提升效率，縮減約15~20%機臺加工時間，以及每次加工單一零件耗能；
三、Green TECH，透過工具機內(nèi)建Ctrl-E、M Center功能執(zhí)行智慧能耗監(jiān)控，或投入開發(fā)風(fēng)力發(fā)電機等再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以減少產(chǎn)品碳足跡。
| 圖2 : 工具機大廠DMG MORI則為此與西門子合作，開發(fā)3大節(jié)能應(yīng)用技術(shù)，包含：Green MACHINE、Green MODE、Green TECH。（source：dmgmori） |
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進(jìn)而總結(jié)了可提高能源效率的四大功能，包含：避免不必要的質(zhì)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(qū)動技術(shù)，西門子SINUMERIK系統(tǒng)也分別提供不同解方。例如具有最高效率的SINAMICS和SIMOTICS主驅(qū)動器，用於節(jié)能輔助元件；或與使用者應(yīng)用較為相關(guān)，有別於現(xiàn)今臺廠以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(guī)模生產(chǎn)下，切削策略將會顯著影響機器能耗，同時經(jīng)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(chǔ)。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(shè)備所有資訊，讓客戶可據(jù)此編輯可視化介面；同時監(jiān)控整機功耗，在休眠期間設(shè)定不同節(jié)能等級模式。
使用者只要按下Ctrl-E鍵，即可顯示驅(qū)動器、伺服馬達(dá)能耗；甚至設(shè)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(shè)備，確保能符合ISO50001規(guī)範(fàn)；進(jìn)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(diào)該公司電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所提供的SINAMICS高效變頻器搭配伺服和周邊自動化系統(tǒng)，將有助於臺廠從220V朝向國際標(biāo)準(zhǔn)的380~480V標(biāo)準(zhǔn)靠攏，相同伺服系統(tǒng)加工的能耗相差20%。
另搭配西門子多款SIMOTICS全電進(jìn)給/主軸伺服馬達(dá)和驅(qū)動器，其中採用同步建模技術(shù)馬達(dá)效率達(dá)88~94%、異步技術(shù)的馬達(dá)效率81~92%；主驅(qū)動器變頻器為效率最高的電力電子設(shè)備，受惠於多軸概念和通用直流母線，額定直接轉(zhuǎn)換的能源效率最高甚至可達(dá)99%；還可經(jīng)剎車回生的多餘能量再反饋基礎(chǔ)建設(shè)的電網(wǎng)，得以最大限度減少能耗，避免機器周圍產(chǎn)生不必要的熱量。
| 圖3 : 工具機搭配多款SIMOTICS全電進(jìn)給/主軸伺服馬達(dá)和驅(qū)動器，其中採用同步建模技術(shù)馬達(dá)效率達(dá)88~94%、異步技術(shù)的馬達(dá)效率81~92%。（source：siemens） |
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臺中精機聚焦3G 囊括綠色廠房與機臺
因應(yīng)零碳轉(zhuǎn)型智造時代到來，工具機大廠臺中精機在今年TIMTOS也為此打造多部智慧節(jié)能的高階工具機與自動生產(chǎn)線，結(jié)合智慧製造與零碳轉(zhuǎn)型，訴求「3G（綠色工廠Green Factory、綠色工具機Green Machine和綠色目標(biāo)Green Goal）」為核心。
在「綠色工廠」方面，臺中精機在臺中精密機械創(chuàng)新園區(qū)打造一座全球營運總部暨智慧化工廠，甫於3年前啟用，不但是臺灣工具機業(yè)界首座以工業(yè)4.0為架構(gòu)打造的智慧工廠，更獲得綠建築標(biāo)章的認(rèn)證，集智慧化、綠能化與現(xiàn)代化於一身，成為臺灣智慧機械產(chǎn)業(yè)的典範(fàn)工廠。新廠也以節(jié)能環(huán)保為主要訴求，除了以物聯(lián)網(wǎng)即時監(jiān)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(diào)耗能、以雨水回收系統(tǒng)創(chuàng)造水資源循環(huán)利用等。。
針對「綠色工具機」的研發(fā)上，臺中精機秉持以終為始的精神，持續(xù)開發(fā)擁有智慧化機能與節(jié)能減碳的產(chǎn)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(jìn)行主軸/螺桿振動監(jiān)控、智慧潤滑、機臺熱變位補償、刀具負(fù)載監(jiān)控，再選配變頻主軸油冷卻機，達(dá)到更節(jié)能減碳的要求。複合加工機，則強調(diào)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臺之間的等待、搬運，造成浪費與多次裝夾過程中所產(chǎn)生的位置精度誤差，實現(xiàn)高精度與高效率加工及節(jié)能減碳。
同時推出5項獨特智慧化功能，包括：「工件數(shù)位雙生技術(shù)」，係由臺中精機攜手發(fā)那科與西門子發(fā)展，可藉此降低客戶工件打樣上的風(fēng)險與損失，倘若實際加工後發(fā)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(jié)能技術(shù)」，展出最新「機臺熱變位補償機能」，能降低機臺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(shù)，開發(fā)ECO電力分析、ECO等級設(shè)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，讓機臺加工過程發(fā)揮節(jié)能減碳的效果。
同時在推廣機聯(lián)網(wǎng)（SCADA）方面，臺中精機新一代SCADA系統(tǒng)已可連結(jié)發(fā)那科、西門子和海德漢等多款控制器，並具備即時狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)報表產(chǎn)出、OEE計算、刀具壽命檢視、警報分析、機臺程式上/下載、MTBF指標(biāo)/MTTR指標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)功能、機臺能源管理、電子看板、上位系統(tǒng)資料交換等選配功能，方便管理者快速監(jiān)控管理整廠機器的情報資訊。
| 圖4 : 工具機大廠臺中精機在今年TIMTOS也結(jié)合智慧製造與零碳轉(zhuǎn)型，訴求「3G（綠色工廠Green Factory、綠色工具機Green Machine和綠色目標(biāo)Green Goal）」為核心。（source：cloudfront.net） |
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在機臺操作更簡單更人性化方面，臺中精機也因應(yīng)少子化趨勢與機臺親和性需求，開發(fā)出「主軸刀具負(fù)載監(jiān)控對話機能」，利用友善人機介面引導(dǎo)客戶能快速使用機能，並進(jìn)行可視化，增加親和性，減少學(xué)習(xí)的時間?！搁L棒加工顫震抑制機能（SSV），利用長棒加工產(chǎn)生的規(guī)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(shè)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，由臺中精機與仁安資訊合作開發(fā)的「CNC數(shù)位分身加工模擬系統(tǒng)」，透過電腦虛擬出機臺控制器面板，讓操作者上機前能先模擬操作機臺，達(dá)到「1：1精準(zhǔn)模擬」的效果。該套系統(tǒng)適用於技職院校、職訓(xùn)中心及初學(xué)者訓(xùn)練，可應(yīng)用於數(shù)位化CNC教學(xué)，在加工前進(jìn)行虛擬加工與干涉檢查，快速驗證程式的準(zhǔn)確性，有效減少刀具材料等費用的支出。
在「綠色目標(biāo)」的實踐方面，臺中精機除了加入「零碳大學(xué)」學(xué)習(xí)最新減碳技術(shù)外，並已完成高耗能的后里鑄造廠獲得ISO 50001的認(rèn)證，接著導(dǎo)入臺灣4個廠區(qū)的ISO 14064溫室氣體盤查和ISO 14067產(chǎn)品碳足跡認(rèn)證，承諾要在2050年達(dá)成淨(jìng)零碳排，每年致力減少5%碳排量，並將減碳變成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)，以大帶小引領(lǐng)客戶、協(xié)力廠共同來打造臺灣機械業(yè)的零碳生態(tài)系。
尤其是臺中精機推動供應(yīng)鏈減碳最堅實的基礎(chǔ)，就是已經(jīng)推動了超過20年以上的數(shù)位布局。包括自1981年就已投入資訊化建置，推動精實生產(chǎn)（Lean Production），透過減少浪費、提升效率及降低成本，創(chuàng)造更多利潤與競爭力；1998年導(dǎo)入ERP（企業(yè)資源規(guī)畫），接著建立電子商務(wù)平臺；並在2011年及2016年陸續(xù)取得ISO 14064溫室氣體盤查、ISO 50001能源管理系統(tǒng)兩項重要的國際認(rèn)證。
今年推動的供應(yīng)鏈零碳轉(zhuǎn)型，又樹立了一個重要的里程碑。由於工具機產(chǎn)業(yè)有很多排碳都是來自供應(yīng)鏈產(chǎn)生，臺中精機身為臺灣工具機產(chǎn)業(yè)聚落的中心廠，圍繞著數(shù)百個協(xié)力廠，供應(yīng)數(shù)千個零組件，在這樣的共生關(guān)係下，零碳轉(zhuǎn)型必得把供應(yīng)商一起拉進(jìn)來！未來臺中精機的零碳轉(zhuǎn)型，將以三階段推動。
第一階段就從供應(yīng)商大會開始，讓供應(yīng)廠商了解為何而戰(zhàn)，而不是被迫。目前臺中精機已掌握供應(yīng)鏈當(dāng)中前20大碳排放的廠商，接下來會分別進(jìn)行協(xié)商，希望能導(dǎo)入零碳轉(zhuǎn)型的方法論，讓整體供應(yīng)鏈產(chǎn)生實際的減碳效果。
第二階段則希望推出一個供應(yīng)鏈共創(chuàng)共用的碳盤查平臺，因為工具機產(chǎn)業(yè)的重疊性高，幾家中心廠都有許多共同的供應(yīng)商，也想將其他工具機的中心廠像是永進(jìn)機械、東臺精機等一起拉進(jìn)來，建立一個相容的平臺來整合所有的數(shù)據(jù)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(guī)畫，尋求國際上其他軟體服務(wù)平臺的合作機會，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(quán)等問題。
