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產業技術評析

淨零排放浪潮下全球金屬加工產業發展趨勢與應用
發表日期:2023-01-11
作者:簡佑庭(金屬中心)
摘要:
全球逾130多個國家陸續宣示2050年前將達成溫室氣體淨零排放目標,歐盟碳邊境調整機制(CBAM)與美國清潔競爭法案(CCA)亦陸續公告正式施行時間,除優先針對碳密集的初級產品進行納管,美國亦進一步規劃將納管範圍往下游延伸,擴大至碳密集產品,未來或將包含我國金屬材料產業在內的二次加工品項。

全文:

一、前言

全球逾130多個國家陸續宣示2050年前將達成溫室氣體淨零排放目標,歐盟碳邊境調整機制(CBAM)與美國清潔競爭法案(CCA)亦陸續公告正式施行時間,除優先針對碳密集的初級產品進行納管,美國亦進一步規劃將納管範圍往下游延伸,擴大至碳密集產品,未來或將包含我國金屬材料產業在內的二次加工品項。為掌握國際間金屬材料二次加工產業發展趨勢,蒐集2015至2021年美國、英國、歐盟等國家共計51筆科研計畫,並逐一歸類每筆科研計畫所屬類型,除全面性觀測近年科研計畫類型,並進一步分析全球金屬材料二次加工技術發展概況,鑑別重點關鍵技術並歸納布局建議。背景說明暨研究流程,彙整如【圖1】所示。
 

圖1 背景說明暨研究流程

資料來源:金屬中心MII-ITIS研究團隊整理(2022/06)
圖1 背景說明暨研究流程
 

二、金屬加工產業積極布局低碳轉型

綜觀近年美國/英國/歐盟等國家科研計畫概況,多以探討淨零排放議題為主,計有26筆,整體占比51%;在科研計畫數量部分,以英國39筆居冠,其餘為美國8筆、歐盟4筆;在科研計畫類型部分,概可分為成形、銲接、鑄造與其他等四大領域,以成形為主、銲接居次。美國/英國/歐盟等國家科研計畫布局分析,彙整如【圖2】所示。
 

圖2 美國/英國/歐盟等國家科研計畫布局分析

資料來源:美國SBIR、美國NSF、英國Innovate UK、英國UKRI、歐盟EU等資料庫(2015~2021)/中經院主要國家研發計畫題目資料庫/金屬中心MII-ITIS研究團隊整理(2022/06)
圖2 美國/英國/歐盟等國家科研計畫布局分析
 

(一)成形產業採用回收材料,並導入低能耗低碳排技術

成形產業以材料、製程等相關計畫為主,載具包含航空/航天(如起落架/引擎/翼肋)、汽車(如引擎彈簧/懸吊彈簧/底盤部件)等領域。其中,在材料部分,多探討材料(如鈦屑/鈦粉/鋼)及其適用的成形技術(如燒結鍛造);在製程部分,則聚焦(1)技術提升(如熱成形淬火/增量冷流成形/脈衝電流塑性變形/3D輥軋成形/閉模鍛造)、(2)智慧製造(如製程鏈數位整合/數位雙生/機器學習)、(3)設備(如衝頭/模具)、(4)檢測(如渦電流檢測)等項目,並開始採用回收料及其對應的成形技術,從材料與成形設計製造可閉循環回收產品,關注成形能耗與碳排量。成形產業在國際科研計畫布局分析,彙整如【表1】所示。
 

表1 成形產業在國際科研計畫布局分析
大分類 次分類 內容說明
材料 材料及適用的成形技術
  • 採用回收鈦料(航空/航太切屑),透過FASTforge技術,以燒結鍛造成形部件。
  • 透過FASTforge,研發鈦金屬原料並開發低成本鍛造技術。
  • 開發材料與成形設計,兼顧材料性能提高與可被製造性,製造閉循環回收產品。
  • 採用新一代合金,鍛造坯料接近最終形狀,減少變形與環境影響。
  • 新一代合金材料設計優化,適用鍛造等加工製程。
  • 開發創新鍛造技術的車用鋼材,減少零部件後加工及其製程碳排。
  • 將鈦粉製成鈦線材,用於引擎用彈簧與懸吊彈簧,可提升引擎運轉效率、降低碳排量。
製程 技術提升
  • 熱成形淬火技術,克服冷衝壓低溫成形性不佳,並用於複雜外形結構部件成形。
  • 增量冷流成形技術(ICFF),擠壓材料所需的力明顯低於傳統成形,適用高強度難變形材料。
  • 脈衝電流塑性變形技術,克服傳統難變形金屬需要加熱至高溫才能進行加工,導致表面品質較差且需要高能耗。
  • 3D輥軋成形技術,以輥軋成形代替熱衝壓,減少熱衝壓製程能源使用與減少碳排量。
  • 閉模鍛造技術,單道次成形至目標鍛件形狀。
智慧製造
  • 製程鏈數位整合,導入鍛造材料特性與製程鏈模擬分析。
  • 加工製程導入數位雙生,提高材料利用率並減少能源消耗。
  • 採用機器學習技術優化淬火模擬,預測材料可能形變位置。
設備
  • 開發新衝頭/衝壓模具,提升模具產量、使用壽命、可靠性,監控模具健康狀況。
  • 蒐集加工製程數據,用於合金材料開發與改善,提高零部件壽命。
檢測
  • 使用渦電流對材料進行無損檢測,克服市面上尚無用於鋁等非鐵金屬非破壞性檢測。

資料來源:中經院主要國家研發計畫題目資料庫/金屬中心MII-ITIS研究團隊整理(2022/06)
 

(二)銲接產業強化銲道品質,並導入低碳生產技術

銲接產業以材料與加工性能、製程等相關計畫為主,載具包含航空/航天(如燃料罐)、核能(如核反應堆儲存槽)、電動車(如傳動系統)、國防等領域。其中,在材料與加工性能部分,多探討銲接技術(如電子束/固態攪拌/超音波攪拌等銲接)及其適用材料(如鋼/鋁/鎳基/鈦基);在製程部分,則聚焦(1)熱處理(如局部預熱/銲後熱處理)、(2)設備(如夾持具)、(3)監診(如溫度與力道、工具磨損/壽命、銲縫壽命)、(4)低碳生產等項目,並開始關注雷射能量強度與碳排量的關聯性。銲接產業在國際科研計畫布局分析,彙整如【表2】所示。
 

表2 銲接產業在國際科研計畫布局分析
大分類 次分類 內容說明
材料 銲接技術及其適用材料
  • 開發核反應堆儲存槽用材及其加工技術。
  • 航太級鋁製推進燃料槽,聚焦固態攪拌銲接,後續擴至高溫/高強度合金接合,克服冷衝壓可成形性有限,間接囿限鋁製輕質部件的開發。
  • 探討固態銲接及其適用材料,如摩擦攪拌銲接與超音波攪拌銲接用於鎳基、鈦基等高溫合金,其重點為改善工件可靠度。
製程 熱處理
  • 以預熱方式強化異種金屬接合性,提高可銲性、降低開裂、鍛件可修復性。
  • 銲後熱處理,為厚截面銲縫、銲接材料等設計熱處理計畫。
設備
  • 設計/開發新型夾具,適用於惡劣工作環境,確保工件達成公差。優點為驅動軸強度增加、零件生產所需能耗微幅降低。
監診
  • 開發摩擦攪拌銲接診斷技術,對溫度與力道控制、工具磨損/工具壽命、銲縫使用壽命、縮短參數開發時間等進行診斷與改善。
低碳生產
  • 優化銲接領域的雷射加工低碳製造技術,並分析雷射能量強度與碳排量的關聯性,取代傳統能源密集與碳排密集的工藝技術。

資料來源:中經院主要國家研發計畫題目資料庫/金屬中心MII-ITIS研究團隊整理(2022/06)
 

(三)鑄造產業提升鑄件性能,聚焦綠色製造技術

鑄造產業以製程相關計畫為主,概可分為技術研發與脫碳生產等類型。在技術研發部分,聚焦反重力鑄造、精密鑄造等項目,目的多為降低材料缺陷、提升鑄件性能、延長使用壽命、減少環境汙染;在脫碳生產部分,則開始發展閉循環回收、提升再生料使用比例、低碳/無碳燃料等方式,研擬綠色製造方案。鑄造產業在國際科研計畫布局分析,彙整如【表3】所示。
 

表3 鑄造產業在國際科研布局分析
大分類 次分類 內容說明
技術研發 應用反重力鑄造技術於鋁鑄件開發
  • 聚焦鋁金屬材料,研發反重力鑄造技術,可降低缺陷發生機會與提升鑄件性能,技術經驗證後,英國部分鑄造廠擬開始採用。
精密鑄造提升帆船用螺旋槳性能
  • 開發帆船用垂直軸驅動系統與螺旋槳,其採用精密鑄造並具犧牲陽極特性,以鋁基螺旋槳而言,運轉時易與海水產生電流反應並造成腐蝕,以銅基防污漆而言,則造成環境危害。其優點為避免電化學腐蝕、減少海洋汙染、延長使用壽命、航行阻力降低進而減少燃油耗損。
脫碳生產 運具用鋁製輕型防撞系統
  • 以鋁材取代傳統鋼製防撞系統,並採用包覆、黏合、鉚接等方式結合高強度鋁擠件與鋁鑄件,提高抗撞性與重量減輕(降幅25%),同時以報廢車輛作為回收料源,採閉循環回收,再用於車體結構與車身面板。
以閉循環回收鋁料,開發高強度鋁合金
  • 以直接冷鑄與熱機械加工技術,開發高強度鋁合金材料(為傳統同類產品的2倍),並用於汽車結構輕量化,其優點為高強度、延展性佳、高抗撞性、高導熱性等,並以閉循環回收與精準分類,提升再生鋁料使用比例。
鍛/鑄件脫碳生產
  • 針對煉鋼、鑄/鍛造、熱處理等製程研擬脫碳製造方案,探討無碳/低碳燃料使用對技術與產品的潛在影響,例如加熱作業以氫能取代天然氣、減少切割作業使用的氧乙炔與丙烷。

資料來源:中經院主要國家研發計畫題目資料庫/金屬中心MII-ITIS研究團隊整理(2022/06)
 

三、結論與建議

因應國際間多數國家2050年淨零排放政策與目標,全球金屬二次加工產業積極在材料端與製程端進行布局。其中,在材料部分,國際大廠積極布局可回收、低碳、輕量化材料開發與應用技術;在製程部分,多致力於輕量化材料加工技術與高精度加工技術,並透過產品設計提升使用效率達到減碳效益。

考量國內金屬材料產業規模及其屬性,以及在輕量化減碳趨勢帶動下,汽車、工業機械、通訊等產業逐步提升如鋁等非鐵金屬用量,同時,為減少溫室氣體排放,製造業開始採用可循環回收的金屬材料設計並進行生產,品牌廠亦逐步要求提升再生料使用比例。在製程方面,借鏡日本塑性加工協會指引日本成形產業為例,其建議可聚焦輕量材料加工、高精度加工等技術提升,以因應全球終端產品市場趨勢需求與變化,加上鑄造產業逐步發展一體化壓鑄技術,產品可設計出複雜精準的形狀,降低二次加工的機會,減少廢料產生。有鑒於此,建議國內業者未來可思考使用可回收材料、提升回收材料使用比例、使用低碳材料、使用輕量化材料等方案,以及擴大導入輕質材料加工技術、高精度加工技術、產品設計提高使用效率與降低製程廢料等方案協助產業優化與低碳轉型。
 

(本文作者為金屬中心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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