技術專輯主編前言 | 數位製造與檢測技術專輯主編前言
隨著5G、物聯網與智慧製造等技術成熟發展，數位雙生或被稱為數位孿生(Digital twin)技術也被認為未來核心技術之一，數位雙生技術是指在模擬軟體平台中進行類比物理或化學等實驗、流程或是系統製造，類似實體系統在模擬軟體平台中的雙胞胎。藉助於數位雙生技術，可以在模擬軟體平台上了解物理或化學的實驗結果，並進行相關系統與流程之優化，特別被應用於實驗成本昂貴或高風險之測試中，例如: 美國航空太空總署 (NASA) 透過數位雙生模擬飛機與太空船的運作，以提高任務成功率、延長使用壽命和降低維護成本。電動車大廠特斯拉(Tesla) 透過數位雙生技術，加快設計與決策速度，打造售後服務和維修商的產品生態系統。工業機器人大廠ABB公司藉數位雙生技術讓廠內自動化設備、工業機器人和人類共享資訊協作，取得所有動態流程的即時真實數據回饋，進行預先排程與實驗系統規畫，以防止意外停機，故數位雙生技術已逐漸導入各產業中，具有縮短產品開發週期與成本，提升產品與企業價值等優勢。
隨著智慧製造發展日趨重要，產品精密度也大幅增加，全球檢測、檢驗與認證市場規模在2300億美元，以半導體產業為例，檢測設備產值約佔整體半導體設備產值之17%，隨著製程精密化與智慧化發展，檢測技術與設備之產值也將隨之增加。
為減少實驗測試成本，與提高製造良率，數位製造與檢測技術已廣泛應用於各產業中，本期專輯將針對數位製造與檢測技術進行介紹與說明，如：「繞射式深度感測元件之基材熱效應模擬分析」一文，利用繞射光學編碼、熱形變模擬及深度計算模型評估在不同材料下，由溫度所引起的深度計算誤差。由於溫度的上升使得繞射元件上的微結構形變，進而造成繞射光點的位移，對應的位移量造成深度計算誤差，由模擬結果可知在針對高精度的量測需求下，熔融石英材料為基礎的繞射元件，為目前最佳的解決方案。「小型化被動元件電鍍設備數位模擬與實際驗證」一文，開發高分散性超小型元件電鍍技術，藉由數位模擬進行電鍍流場設計，採用 Comsol Multiphysics 作為分析流場變化的模擬軟體，採用對稱型流道設計可有效降低流場內部的渦流生成機率，獲得較好的裝置流線分佈均勻性，其電鍍不良率可降為10%以下，滿足產業界對於被動元件電鍍之需求。「12吋晶圓接合模組熱固耦合模擬與驗證」一文，晶圓接合設備由於結構部件不平均的熱源分布、冷卻、熱變形影響的熱誤差可能導致晶圓貼合位置偏差，而合理的熱平衡設計可以減少溫度場對熱變形的影響，藉由導入熱-結構耦合有限元數值方法，分析熱壓接合模組的溫度分佈，同時在高溫條件下加入高壓合力以得到模組的變形和應力。「雙螺桿膨脹機流體力學分析」一文，使用流體力學軟體ANSYS-CFX，搭配專門生成旋轉機械動網格軟體TwinMesh，建立無油型雙螺桿膨脹機模型。透過雙螺桿壓縮機將其反轉作為膨脹機使用，模擬工作流體隨著轉子轉動，在膨脹過程的流場變化並計算輸出功等參數，同時分析效率表現，結果證實若入出口壓力比與內容積比沒有互相匹配時，將導致機器等熵效率下降。「先進控制技術應用在造紙生產製程」一文，在造紙製漿程序中導入先進製程控制技術，以及建立游離度預測及優化控制平台，平台功能包含工業通訊模組建置、磨漿設備恆功率控制邏輯設計，以及製漿品質-游離度虛擬感測器建立與即時預測。透過通訊功能可擷取生產數據並進行分析，達到降低20%的能源使用，游離度預測模型誤差指標MAPE小於5%，未來可應用於游離度優化控制以維持品質穩定性。
檢測技術之先進技術與應用如下，「電漿量測技術」一文，將針對常用之電漿診斷工具包含蘭牟爾探針及電漿光譜量測進行介紹，電漿腔體中最具影響的應屬電子特性參數，氣體之解離、游離等諸多反應，因此藉由侵入式的蘭牟爾探針能提供完整之電子溫度、密度與能量分佈函數等資訊。而在非侵入式的量測工具中，則以電漿放射光譜最常被使用，可量測電漿中物種成份及其濃度之變化。「大氣電漿精密鏡面拋光檢測技術」一文，鏡片加工完成後，需透過精密形貌量測技術來進行檢測，分析其曲率值與表面粗度等特性，傳統的生產加工方式是於鏡片加工後採用離線檢測流程來進行檢測表面形貌特性與分析，再由人員進行加工參數調整，此加工流程已無法滿足生產需求。本研究為使生產效能與良率提升，將光干涉量測技術整合於加工機進行即時檢測與資訊回饋，發展光干涉量測技術進行大氣電漿拋光後的鏡片形貌量測技術，採用複合式組合將光干涉與單點共焦模組整合為智慧檢測模組，可達成高精度解析與高空間解析的區域三維形貌重建，並分析檢測鏡片加工時所產生的細微瑕疵量測與分析，回饋鏡片曲率、P-V、細微瑕疵與表面粗度等數值，給予加工系統進行再加工路徑規劃應用，提升加工與檢測效率。「化學機械研磨製程機上量測技術」一文，為了精準評估研磨拋光墊對材料的移除率來計算研磨製程的耗時，必須監控拋光墊的表面粗糙度，並預測拋光墊的再使用壽命以適時安排拋光墊修整或是更換。文章提出一種非接觸式機上(in-situ)拋光墊光學量測技術，搭配空氣噴嘴裝置可以暫時移除表面水膜並獲得較為準確的結果，可將差異降低至0.013%，有效降低水膜引入的高度訊號誤差。「工具機幾何誤差量測於智慧製造之應用」一文，工具機製造商常以雷射干涉儀進行幾何誤差的量測與補償，在高達43項幾何誤差的五軸工具機上，如何快速且準確地完成量測與補償已成為業者迫切的需求。文章將二維標準件於座標量測儀的量測結果與傳統標準件進行比較及建立五軸工具機數位化量技術系統，協助製造業升級。「數位計量資訊交換發展–以工具機旋轉軸角度定位誤差補償為例」一文，結合可攜式連續角度參考標準件(PoCAS)，以統一的資料交換格式與全球既有的SI單位制度為基礎，使用可延伸標記式語言作為共通的數位資料交換格式，訂定資料交換架構，使得物聯網內傳遞之計量資料皆可具備數位校正報告之功能，提供業者於機台交予客戶端用的調機後證明文件。「主軸熱伸長即時檢測模組開發」一文，文章以主軸軸向熱伸長即時檢測為應用之位移感側器的開發，介紹渦流電磁輻射耦合原理之量測方法，及量測模組之規格與測試，其適合安裝於主軸內部嚴苛的環境，可針對主軸的熱伸長即時量測並回饋補控制器，相關技術亦可延伸應用於偏擺量測、導螺桿伸長、刀把夾持偏擺檢測等應用。
本期專輯期望能從數位製造與檢測技術中，挑選突破點與建立技術制高點，並與讀者們一同分享與交流，同時也希望能引起產學研各界之共鳴，大家一起投入發展，讓臺灣數位製造與檢測技術能持續進步與應用，帶動台灣製造業之發展。
…本文未結束
更完整的內容 歡迎訂購 2021年10月號 463期
機械工業雜誌‧每期240元‧一年12期2400元
我要訂購