產業脈動|國際模具產業發展重要觀測

作者:

盧素涵

刊登日期:2023/11/30

摘要:近年受新冠疫情、地緣政治與俄烏戰爭等影響,不僅全球供應鏈重組,產業結構也朝向虛擬與實體進行整合。全球市場朝向綠色製造、節能減排、自動化以及智慧化等方向發展,模具產業更應順勢進行產業調整與升級轉型。國際上模具製造業的綠色製造與減碳趨勢,除了材料端的降低材料使用(或提高使用率)、使用輕量化與回收材料外,還有製程節能、設備加工效能提升以及使用再生能源等方面的作法。

Abstract:Impact from the Russia-Ukraine War, U.S.-China Trade War, not only is the global supply chain reorganized, but the industrial structure is also moving towards the integration of virtual and physical entities. The global market is developing towards green manufacturing, energy conservation and emission reduction, automation and intelligence. The mold and die industry should take advantage of the trend to carry out industrial adjustment, upgrading and transformation.The mold & die manufacturing industry is responding to green manufacturing and carbon reduction trends by decreasing the use (or increasing the utilization rate) of materials, using lightweight and recycled materials, conserving energy in manufacturing processes, improving the processing efficiency of equipment, and utilizing renewable energy.

關鍵詞:模具、產業分析、淨零排放

Keywords:Mold and dies , Industry analysis, Net Zero

2023年模具產業五大趨勢

受到COVID-19影響,2023年全球模具產業供應鏈具有以下五大趨勢:回流(Reshoring)、勞動力短缺(Labor Shortages)、自動化(Automation)、3D列印以及大型鑄造(Larger Formats)。首先,在新冠疫情爆發之後,越來越多將製造業務遷回本國的回流計畫,為降低對離岸低成本供應商的依賴而採取重大措施分散其供應鏈,轉為著重供應鏈的可靠性及穩健性,多於成本及效率。其次,製造業的技能差距隨著時間的推移,越來越多經驗豐富的工具製造商退休,勞動力短缺影響模具產業尤其明顯,除非能夠解決這種專業技能和知識傳承的困境,否則模具產業在未來十年將面臨更多困難。此外,產業自動化的發展重新塑造製造業格局,模具產業的自動化包括:刀具路徑生成、自動特徵識別和加工模擬,因此設計人員可使用已建立的加工參數資料庫自動提取該資訊,不僅節省時間、減少錯誤,與減少重工次數。不過軟體仍然只是自動化工具的一環,關鍵還是具備專業能力與豐富經驗的工作者。

3D列印的優勢在於製造出傳統機械加工和模具無法製造的零組件,目前Divergent 3D公司甚至跨足航空業生產無人機,並具體實現快速生產。2020年特斯拉公司購買兩台全球最大的高壓鋁壓鑄機:OL6100 CS,長約64英尺(19.5 公尺),高約17英尺(5.3公尺),目的是為Model Y跨界車壓鑄整個後副車架和懸架托架組件,將六個部件整合為一個部件。而該大型鑄造方法與積層製造相結合,不僅將徹底改變汽車製造,加上電動汽車市場成長所帶來的設計與製造轉變,大型鑄造方法將會產生更大的影響。上述模具產業的五大趨勢並不是獨立運作:回流提高對熟練勞動力的需求、自動化的影響則降低需求,但3D列印和大型鑄造等新技術進展更進一步加劇了需求。

模具綠色生產

「淨零排放(Net Zero)」係指在特定一段時間內,全球人為造成的溫室氣體排放量,扣除人為移除的量等於零。該溫室氣體除了二氧化碳(CO2)之外,還包含:氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF6)及三氟化氮(NF3)等六種。而淨零碳排與淨零排放的概念相似,但僅限於二氧化碳這項溫室氣體。全球已有超過130個國家制定淨零排放相關政策,推動企業實現淨零碳排。模具產業隸屬於金屬製品產業,主要耗能是在生產製程,依製程主要可分成三類型:第一類是加工製程,包含機械車、鑽、銑、磨、裁剪、切削、銲接、成型、鍛造等設備為主,能源使用主要來自電力;第二類是熱處理製程,包含退火、焠火、深冷和回火等處理,能源使用主要來自機具設備之燃料耗用;第三類是表面處理製程,包含前處理、塗裝(含刷、噴、浸等)、電鍍、無電鍍(化學鍍)、陽極處理、熱浸鍍鋅等,能源使用主要來自電力。模具製造業主要位於產業鏈中游,組織碳排放主要來自外購電力或外購蒸汽的能源間接排放,主要採取節能措施或使用綠色能源等方式來降低碳排放。以下茲彙整國際模具產業,透過製程端的技術開發、製程改善或創新來達到綠色製造目標的具體作法、發展趨勢與標竿案例。

1.沖壓製程

(1)新型金屬沖壓技術

受益於專業的工具模擬軟體,該金屬沖壓方式大幅降低製作金屬零件所需的成本和時間。軟體最佳化模具配置,省去所費不貲的模具製作流程。主要應用在製造汽車零組件,如:擋泥板、車頂內飾板、後圍板和側圍板、閥門、排氣管、鉸鏈和煞車來令片等。

(2)採用環保作法

汽車沖壓製程有一項明顯變化,避開氯的使用,氯在沖壓應用中是當作潤滑油的高壓添加劑。避免使用氯,主要是為了盡量減少排放戴奧辛到空氣中,戴奧辛是由於氯與潤滑油中的芳香族化合物反應所產生。受油價波動和環境問題的影響,植物油或合成潤滑油逐漸取代礦物油基的潤滑油。植物油和合成潤滑油是可生物降解的,可採用厭氧和嗜氧處理,因此不會造成處置上的問題。

2.鑄造製程

金屬鑄造技術具有許多優勢,有助於提高能源效率、降低生產成本、創造創新鑄造產品,並提高環境品質。而金屬鑄造廠依賴金屬回收作為原料,不僅具有成本效益,更能大幅減少金屬廢料。

(1)使用資料分析來提高作業的準確性

資料分析提供生產力、製程時間和錯誤偵測等方面的可靠資料。以BMW集團為例,該公司在德國的金屬鑄造廠利用資料分析,在一年內以極具成本效益的方式生產約450萬個金屬零組件,包括車體和引擎零組件。資料分析使用大量的公司詳細資料,從壓力和溫度的具體細節到砂心的儲存時間。該金屬鑄造廠還根據3D測量資料,檢測孔隙率、氣孔等缺陷。與每個鑄造製程相關的眾多資料集使該公司能夠察覺多種關聯性。資料的透明性使公司可識別模式,這對於提高所生產零組件的品質至關重要。因此,資料分析協助該公司的鑄造技術人員為每個鑄造系統建立最佳的參數集,不斷地比對實際參數與理想參數集,以找出偏差,並在必要時發出警報和停止對應的製程。

(2)濕砂鑄造製程更普及

該製程使用砂料製作一次性使用的模具,並將熔化的黃銅注入模具中。雖然模具只使用一次,但金屬鑄造專業人員通常有回收計畫,將使用過的砂料用於其他應用中。此外,濕砂鑄造製程還會消耗碳和膨土,其中大部分材料會送到垃圾填埋場,但大多數金屬鑄造公司也會採用集塵和回收的方法。

(3)自動化技術

金屬鑄造產業的自動化進度相對緩慢。但最近ABB為金屬鑄造產業開發一個新的智慧工廠應用程式-智慧工廠整合追蹤引擎,可即時追蹤澆桶的移動。該解決方案的雷射定位技術使工作流程更加可視化。該解決方案的另一個重要特點是起重機自動排程功能,使路線規劃和工作預測更加容易。在使用鋼材時,該應用程式能夠提升約5%的鑄造速度,同時降低能源消耗並增加產量。另一個提高效率的技術是由新創公司Foundry Lab開發的。該公司開發一種加快鑄造製程的方法。與傳統鑄造方法相比,此方法在製程中使用CAD、大型微波和3D列印,能夠在更短的時間內製造汽車煞車來令片。傳統的鑄造製程通常需要約六個星期的時間才能完成這項工作。Foundry Lab目前使用鋁和鋅製造煞車來令片,但最終目標是使用黃銅和銅,該鑄造方法也對不銹鋼進行測試。

(4)以模擬為基礎的鑄件

 以模擬為基礎的壓鑄製程通常用於製造高精度、可靠且具成本效益的元件。該製程具備許多優勢,包括提高鑄件產量、輕鬆準確地偵測故障、縮短車間時間,以及最佳化鑄造製程進料的能力。許多壓鑄供應商為滿足客戶對精度的要求,開始採用以模擬為基礎的軟體,尤其是汽車產業的客戶。以模擬為基礎的鑄件可確保汽車產業的各種規格 (包括尺寸、重量和形狀) 維持高效且無瑕疵;模型亦有助於減少浪費,並幫助減少作業支出,例如:SolidCAST、ProCAST、AUTOCAST和MAGMA是精密壓鑄模擬軟體,廣泛用於鑄造產業的SOLIDCast結合鑄造廠和軟體工程方面的經驗;IIT Bombay所開發用於鑄造設計、模擬和最佳化的軟體程式AUTOCAST。

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