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產業技術評析

塑橡膠射出機品質關聯特徵分析及智慧參數調校技術
發表日期:2022-11-09
作者:黃仲宏(工研院)
摘要:
根據臺灣機械工業同業公會(TAMI)的統計數據,2005年至2020年,臺灣塑橡膠設備的產值每一年平均為450億元新臺幣(除2009年之外)。臺灣塑橡膠機的產值占全球產值約6.5%,在全球的出口國家排名在德國、中國大陸、日本、義大利、美國之後的第六位。

全文:

一、 臺灣塑橡膠射出機設備產業發展概況

根據臺灣機械工業同業公會(TAMI)的統計數據,2005年至2020年,臺灣塑橡膠設備的產值每一年平均為450億元新臺幣(除2009年之外)。臺灣塑橡膠機的產值占全球產值約6.5%,在全球的出口國家排名在德國、中國大陸、日本、義大利、美國之後的第六位。臺灣塑橡膠機械設備以臺中、嘉義、臺南為主要生產聚落,是僅次於工具機與電子設備的第三大的產業機械設備,並以出口為主,以2017年臺灣塑橡膠機械產值逾14億美元來說,出口額就佔逾11億美元。出口地區以中國、東協等新興國家市場為主(合計61%),近年仰賴新興國家市場的崛起,致使我國塑橡膠射出機設備產值維持在一定的水準。

二、 目前面臨的問題
 

圖1、臺灣塑橡膠射出機產業鏈

資料來源:工研院產科國際所(2022/11)
圖1、臺灣塑橡膠射出機產業鏈
 

圖1是臺灣塑橡膠射出機的產業鏈,以機台的各個組成來拆分,並列出各零件或模組的主要國內外供應商,我們發現臺灣塑橡膠射出機設備從上游原物料、中游零組件到下游應用,供應鏈尚稱完整。
 

圖2、臺灣塑橡膠射出機的全球定位

資料來源:工研院產科國際所(2022/11)
圖2、臺灣塑橡膠射出機的全球定位
 

圖2是臺灣塑橡膠射出機的全球定位,以概括的認知來看,臺灣塑橡機射出機設備的技術層次介於中韓和德日美之間;消費性電子、家電用品等應用端,是我國塑橡膠射出機設備的銷售主要領域。國內以泛用機種為主力銷售,但隨著產業少量多樣的趨勢越來越明顯,若與德日美的產品做比較,具智慧彈性的機種,且擁有製造製程整合應用技術,是目前塑橡射出機設備業面臨的最大問題。

為了因應少量多樣與高附加價值之客製化需求,塑橡膠機設備要如何同時提升現場生產效率,有效控管成本是一項重要課題,而參數調校不易為其中的關鍵因素,大多憑師傅調機經驗與材料特性,導致成品異常(毛邊、縮水、凹陷、變形等問題)之異因關係無法有效管控。國內的設備通常為一般參數取得及顯示,缺乏對關鍵參數分析統計和運用,因此也無自我回饋控制功能。我們從塑料配方的調校、感測技術、參數調校、微結構、異常分析等技術,以表1來呈現臺灣與國際業者的比較。
 

表1、品質關聯特徵分析及智慧參數調校技術的比較
技術發展項目 國內業者投入的概況 技術領先國指標 技術差距
  • 射出機智慧塑料配方調校技術
• 考量材料成本與環保議題,國內塑橡膠產業使用二次料需求逐年增加。 • 德國Arburg、奧地利Engel及Wittmann Battenfeld、日本JSW及Nissei等國際大廠透過改變射出壓力,讓實際生產曲線與參考曲線相近。 • 技術差距約2~3年。
• 射出機品質關鍵感測特徵分析技術 • 國內產業較無相關監測技術。 • 日本感測器大廠Futaba MMS 監測系統提供8種固定模內感測特徵進行成型品質監測,但無關聯係數分析。 • 技術差距約2~3年。
• 押出設備智慧參數調整與異常診斷技術 • 目前國內設備廠大多能顯示設備狀態,但缺乏對關鍵參數分析統計和運用,因此也無自我回饋控制功能。 • 日本廠商如TAHARA、日本製鋼所、東芝機械和住友重工等廠商透過物聯網提高設備生產率與機械的自動化系統,並同時通過物聯網技術進行預防性維護和遠程維護,以滿足用戶的需求,但目前設計回饋優化仍在建置中。 • 技術差距約1~2年,國內只有設備狀態警示機制,欠缺設備診斷及製程優化功能。但國際領導廠商已有部分功能並持續擴增。
• 微結構成型優化與管理技術 • 國內無整模成型優化技術。 • 國外模具商已有模具內量測及無線監控方案,但尚缺成型條件最佳化功能。 • 技術差距約2~3年。
• 射出成型機產品異常分析技術 • 目前國內設備廠大多能顯示設備狀態,但缺乏對關鍵參數分析統計和運用,因此也無自我回饋控制功能。 • 德國Krauss Maffei,瑞士Netstal已提出自適應過程控制的智慧型射出成型機,可通過手機、平板電腦或者桌上電腦查詢、跟蹤每個零組件的加工數據,但目前設計回饋優化仍在建置中。 • 技術差距約2~3年。

從表1的比較我們發現,臺灣塑橡膠射出機經過多年的發展,在硬體上的相關技術與商業模式逐漸步入成熟期,業者目前面臨的技術問題,有很大部份是需要數位化技術的協助,我們認為要往製程與設備技術層次更高的方向走,臺灣的業者要考量結合感測器、人工智慧與邊緣運算技術,來達到每一模次即時成型品質檢測,以此為穩定生產品質的解決方案來思考。

第一個問題是,近年因機械手臂的發展,射出機台自動化的程度高,不過在射出品質上,較缺乏品質變異偵測功能,當生產品質變異時,例如短射、應力痕、熔合線、翹曲變形等瑕疵,有可能未即時察覺導致良率下降。再者是,國內因設備老舊或資訊封閉,異因關係無法被有效管控,影響良率與品質,其中熔膠在模穴內的成形品質判斷,目前是離線後進行,不易掌控試模與試產時間與產品品質,且成型件微結構化,致成型條件難以快速設計與回饋,往往使得微結構快速固化,易產生缺陷。而傳統仰賴現場人力檢測與巡檢方式,無法提供穩定且高品質生產,重要品質(如成品強度、光學特性)無法於成型製程段即時檢測,亦有可能造成大量不良廢品。

三、 SaaS加值軟體讓設備業者智慧化升級

這裡的設備業者即是指塑橡膠射出機業者,透過SaaS(Software as a Service,軟體即服務)讓設備廠智慧化升級,其技術開發建議包括:

1.擷取射出機關鍵資訊,例如加料速度、料管溫度、射出壓力、保壓壓力等製程感測值,建立生產品質變異偵測AI模型及異常警告系統,以品質關聯特徵的分析來避免因未察覺品質變異而持續生產所造成的損失。

2.建立模具微結構最佳化成型條件分析模組,搜尋最佳化製程參數設定,使得翹曲及收縮值達到最佳,以有效控制製程條件,並透過缺陷補償技術,減少試模次數與成本,再透過塑橡膠設備的生產追蹤模組與品質管控模組,整合有線與無線傳輸技術,收集設備狀態及生產製造的狀態並記錄;讓生產過程透明化,這樣有機會能降低首件調校時間,提高塑料製品品質,減少塑橡膠射出成型產品缺陷。

3.開發智慧成型品質監測模組,導入機台感測數據(壓力、溫度)及結合模內數據提供通用型成型品質檢測方案,結合感測器、人工智慧與邊際運算技術達到每一模次即時成型品質檢測,穩定生產品質。開發射出機智慧塑料配方調校及二次料射出產品品質改善技術,提升產品品質,降低不良率。

四、 結論

本文在技術發展上的建議主要是射出機品質關聯特徵分析及智慧參數調校技術,簡而言之就是整合機械、電子及資訊技術,發展智慧偵測、參數優化等功能,做到即時監視生產穩定度及產線成型品質即時分析,提高生產效能;塑橡膠射出機設備若建立智慧化解決方案,預估將有效提升設備價值至少25%,這對於業者將產品導入航太、光學產業搶佔高值化市場有極大助益。

升級手段是結合機械與資訊技術,發展塑橡膠射出成型機智慧偵測與管理功能,建立塑橡膠設備之生產追蹤模組與品質管控模組,實現塑橡膠設備生產資訊透明化,減少人為的記錄與人力投入成本,自動做到成型生產參數即時量測與異常警示,降低生產缺陷產品而衍生的廢料成本。

而微結構最佳化成型條件分析有可能達成最佳化製程參數的設定,使得翹曲及收縮值邁向最好,進而有效控制製程條件。方法是發展不同應用模組以滿足射出成型應用廠全製程需求,藉由APP導入協助射出廠從設計段、試模段、量產段、品檢段改善製程問題,提升產品品質與生產效率,讓臺灣塑橡膠射出機廠商加速提升設備智慧化功能,以維繫目前所積累的國際競爭優勢。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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