科技創新

手術機器人進入醫材大廠爭搶階段

金屬中心ITIS-MII研究團隊/葉哲政

金屬中心資深產業分析師 / 蔡欣芝

國際離岸風力機零組件暨水下基礎製造商智慧化研究 

機台虛實整合與智慧診斷 技術研究運用

國立虎尾科技大學機械與電腦輔助工程系助理教授/詹子奇 

國際離岸風力機零組件暨水下基礎製造商智慧化研究 

金屬中心資深產業分析師 / 蔡欣芝

一、前言

臺灣具有天然優良的風場以及明確的離岸風電目標與政策,已經吸引許多歐洲風場開發商、風力機系統商與製造業者等前來投資,拓展台灣市場,更將台灣定位為開發亞洲離岸風電市場之重要據點。惟台灣離岸風電產業目前尚面臨基礎設施及產業能量不足狀態,除需要時間填補缺口外,更有賴於政府投入資源扶植產業發展,以茁壯離岸風電產業技術及供應鏈在地化。透過政府積極推動離岸風電產業,第一階段示範以及第二階段遴選及競價結果皆已完成,台灣將於2025年達成離岸風電總裝置容量5.7GW之政策目標,成為亞太離岸風電市場的一大亮點。政府透過公布「離岸風電產業政策」及「離岸風電產業關聯執行方案」推動離岸風力發電產業發展,建構我國新興離岸風力機零組件在地化供應鏈,催生我國新興離岸風力機零組件、水下基礎、海事工程船舶在地產製,希望藉此促進能源多元化及建立自主供應能量,帶動內需與就業,建構風力發電友善發展環境。


在台灣積極發展離岸風電產業市場的同時,英國研究機構BVG Associates也觀測到全球能源均化成本(Levelized Cost of Electricity, LCOE)有不斷下降之趨勢,BVG Associates甚至更進一步預測球離岸風場LCOE將降至新台幣2.11/度以下。若根據BVG Associates研究數據,將離岸風場全生命週期之結構逐項檢視,如【圖1】,可發現風力機(含塔架)以及水下基礎之成本分別佔離岸風場全生命之29.5%與8.2%,顯示這兩個項目製造成本的降低對LCOE的降幅具關鍵性影響。


另外,隨著風力機零組件與水下基礎尺寸規格逐漸朝大型化發展,例如風力機標竿系統商西門子歌美颯已在Wind Europe Offshore 2019展會上發表新型風力機種SG11.0-193DD Flex,其單支風力機發電容量最大可達11GW。水下基礎部分,歐洲標竿製造廠商Sif以及Steelwind皆已發展出巨型單樁式水下基礎(XXL monopile),也促使全球風力機零組件與水下基礎之供應業者,在製造過程中的生產設備需同步升級,採用智慧機械,如:採用模組化生產或是自動設備、機械手臂等技術來達到降低產品成本之目的,以減少對勞動力之依賴,方具國際競爭力。

資料來源:BVG Associates/金屬中心 MII整理

圖1  離岸風場全生命週期成本分析圖

二、 離岸風力機零組件製造商智慧化製造個案


(一)    丹麥塔架製造商Welcon 
丹麥塔架製造商Welcon採用丹麥商設備商Innovative Robotic Technologies (Inrotech)所研發的WeldLogic Technology自動銲接機器人執行縱縫銲接(longitudinal welding),如【圖2】,Inrotech是一家丹麥銲接設備商,致力於提供產業界自動銲接解決方案。而WeldLogic Technology是Inrotech研發出來的新式自動銲接設備,WeldLogic Technology成功關鍵因素在於其結合了銲接機械手臂以及3D掃描技術,在執行銲接之前,機械手臂會先以一個線性掃描探頭對於工件執行3D掃描,成功取代了傳統的潛弧銲工藝。


掃描完成之後,操作螢幕上會自動繪出3D銲道圖,而整個設備的中心運算軟體Weldplanner再針對該3D掃描圖,判斷銲道、分析銲接參數(如速度、銲道角度等)以及計算銲接程序同時可在系統上判別以及回報銲道上的變異參數,大型鋼材在進行加工的時候,很容易發生變形,Weldplanner系統可自動回報之系統可進一步提升銲接品質,在整個電腦計算完畢之後,會自動進入銲接程序,銲槍內部設有感測器,可自動定位接縫處,銲接採用完全自動式的電弧銲工法,ISO 9001,EN1090、EN3834-2。整個過程完全不需要操作人員介入,因此大幅減少勞動依賴度,過往一名操作人員負責一個銲接工作站台,而透過WeldLogic Technology的導入,一名操作人員可同時負責六個銲接工作站台,因此這套系統不僅可以提供精準的銲接工法,又可有效的降低勞力依賴性。WeldLogic Technology是Inrotech於2014年開始研發之技術,並於2016年正式導入Welcon生產線中,而初期該技術只能應用在縱縫銲接作業段,即主要為圓筒(Can)之製備,經過不斷的升級改良,Inrotech又陸續研發出Inrotech-Crawler,可擴大該技術之應用範圍至環縫銲接作業段,成功提升銲接自動化程度。

圖2. WeldLogic Technology可自動執行縱縫銲接作業

資料來源:Welcon YouTube

(二)    西班牙塔架商 GRI Renewable Industries 

GRI本為陸域塔架製造商,2016年開始投入離岸風電塔架市場,而隨著風力機大型化的趨勢,塔架鋼板材料厚度的增加,GRI決定投入4億歐元,與芬蘭設備商Pemamek共同合作,建置可生產離岸風力機塔架之自動化PEMA生產線(PEAM production for offshore tower)。該生產線包括7個PEMA超重型銲接十字臂、1個PEMA雙邊銲接平台、32對重型PEMA輥床、4條PEMA裝配線、板材連接站和用於縱向和圓形接頭的銑床,生產線上配有銲接機器手臂,可透過PEMA自動控制系統完成銲接。


PEAM最重要的核心價值乃在於其整合了所有的塔架生產工序,包含銲接以及銑床加工等技術,優化整體工藝同時提升工法品質,進一步降低廢品率。在使用者操作介面部分,PEMA生產線搭載PEMA銲接控制系統(PEMA Weld Control),操作者可以透過PEMA控制系統輕易的操作並完成銲接作業,另外PEAM生產線配有管理和生產控制系統、服務警示和維護診斷功能,也可以及時回傳生產品質分析報告。

三、 國際水下基礎製造商智慧化製造個案
 

(一)    西班牙製造商Navantia

Navantia雖成立於2005年,但其承襲西班牙17世紀起的海上強權、造船技術之背景,整合了西班牙全國最高端的造船、海洋工業技術以及深厚的經驗,2016年時,Navantia以歷史過往的實力,結合21世紀最創新的工業4.0發展核心,推出結合13項創新概念的”Shipyard 4.0”工廠改革,其13項創新概念中包含了大數據分析、無人載具應用、擴增實境(AR)&虛擬實境(VR)應用、機械手臂等技術導入。雖然Navantia本為造船公司,但其在鋼構件之加工經驗以及技術,恰可同步應用在離岸風電產業水下基礎的製造領域,另外其導入Shipyard4.0概念也可同步應用在離岸風電產品,並不限於船艦製造。


銲接作業部份,一直是生產大型鋼構件最重要但是成本及作業時間較高的部分,早在2012年時,Navantia就導入ROBOT FADE I 專案,當時即採用FANUC機械手臂,但是因為傳統工業用機械人執行的工作重複性較高,而造船或是製造套筒式水下基礎時,每個銲點參數皆不同,導入機械手臂反而增加操作難度高且費時,並沒有提升整體生產效率,因此Navantia又和西班牙加的斯大學(University of Cadiz)共同合作ROBOT FADE II專案,率先在位於Puerto Real生產基地導入機械銲接解決系統,以提升Shipyards 4.0的整體概念效益。在新推出的應用軟體中分成幾個步驟來執行機械手臂,首先會由座標建立工作手臂(Coordinate measuring arm)蒐集工作件的銲點資訊以及工作件參數,包含尺寸以及幾何形狀,結合到系統建置的多種範本當中進行整合匯集,銲工在操作時再選取合適的參數以及範本,進一步操作銲接機器人完成作業。Navantia所使用的機械手臂為日本製的FANUC ARC Mate 100iC銲接手臂。


除了使用機械手臂來銲接之外,Shipyard4.0的概念中還包含了AR以及VR技術。Navantia首先在Ferrol廠房生產線上,導入工業用擴增實境(Industrial augmented reality,簡稱IAR)技術,IAR技術是提供技術人員一個實際的視覺介面,讓他們從視覺介面中可以取得任務的資訊以及執行工作內容的細節,Navantia的IAR程式方法是建立在霧計算(fog-computing)的架構上,需搭配使用三個電子裝置,包含智慧通訊裝置、平板電腦、智慧眼鏡,使用到的操作運算軟體為ARToolKit以及Vuforia。在實際作業應用上,工作人員可佩戴上裝置(AR glasses)之後,讀取銲點條碼,即可從公司內部系統中,讀取銲點資訊,包含銲點位置、材料等,並顯示在視線看出去的眼鏡上,如【圖3】所示,另外若以工廠管理的角度,也可詳細知道每一個工作部件、銲點的執行操作人員以及執行的作業內容,可降低人員錯誤發生機率,或是減少遺漏的部分,將擴充實境技術應用在工廠內可徹底改變工廠管理方法。

圖3. Navantia在生產線上導入工業用

擴增實境技術

資料來源:Navantia YouTube

資料來源: BiLFINGER Engineering and Services

    圖4  銲接手臂完成節點銲接

四、 我國離岸風力機零組件暨水下基礎智慧化製造現況與未來展望

目前國內已有金豐機器與韓國塔架商CS Wind合作結盟,進行技術移轉以生產塔架,另外樺晟世紀也宣布將與Welcon Taiwan 以專業分工的方式合作,搶攻塔架市場訂單。另外水下基礎的部分,本土知名鋼構廠世紀鋼構已與丹麥商Bladt Industries合資成立世紀鈽錸特股份有限公司,投入套筒式水下基礎製造,中國鋼鐵也在旗下成立子公司興達海基,技轉自西班牙商Nervion,並以興達港為水下基礎生產據點,另外亦有台船、台朔重工等公司投入基樁製造。上述國內廠商現階段尚以取得訂單、保證產品品質以及準時出貨為生產首要目標,因此在智慧製造部分能量尚不及國際標竿廠商。


未來國際離岸風力機市場,預測將持續往大容量、大體積發展,因此在製造階段導入智慧製造方法、採用機械手臂可大幅降低對勞動力之依賴,另外風力機塔架與水下基礎亞太市場商機仍持續蓬勃發展,亞洲製造競爭對手也逐漸浮上國際舞台,對台灣離岸風電產業塔架與水下基礎製造業者造成威脅,影響台灣在亞洲市場之競爭力,因此雖台灣離岸風電產業尚在萌芽時期,仍應藉此時機,掌握國際離岸風力機零組件製造趨勢以及技術核心。短期規劃來說,國內已有數家離岸風力機零組件與水下基礎製造業者與國際標竿廠商結盟,以利快速導入自動化銲接生產及檢測設備與技術,並掌握生產品質並且準時交貨;中期之後應借重生產線上之設備以及生產技術,訓練本土智慧製造人才,強化專業能力;長程而言,可藉由既有的生產設備,同步結合國內其他業者技術能量,例如機械手臂設計開發業者以及遠端監控技術開發業者等,導入高階智慧製造技術,結合我國研發創新能力,升級產線設備,同時也可尋求由國內供應生產設備之可能,以進一步降低國內生產成本,帶動台灣離岸風電零組件製造產業的供應鏈,才能在中國及其他亞洲國家的激烈競爭之下,強化我國在零組件供應之能量以及優勢,建立本土自主供應機制,未來更可著眼於亞太市場。

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