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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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美國領軍先進製造 迎戰歐洲工業4.0

撰文/胡家琁 圖片來源/工研院

為了掌握工業4.0的先機,工研院特別主辦「決戰工業4.0智慧製造研討會」邀請美國西北大學機械系講座教授Kornel F. Ehmann以及瑞士工具機製造商GeorgFischer集團研發主管Perez Roberto博士,分享歐美先進製造趨勢與現況,希冀對臺灣產業提供參考。

自德國喊出「工業4.0」後,相關議題迅速在全球發酵,美國隨即不甘示弱的提出「先進製造夥伴計畫(AMP)」,聚焦能快速商品化的新興科技,並分享政府研發設施,促進產業一條龍協同研發以降低商品化風險。

提倡先進製造的緣起

美國西北大學機械系Ehmann教授說,世人對於美國提倡先進製造有不少誤解。第一大迷思是很多人以為美國已失去製造業龍頭地位,其實不然,當今全球製造業產值達到前所未有的高峰,協助數百萬人脫離貧窮,除了中國大陸自90年代後快速崛起以外,美、日、德、英、印等製造強國的產出大致不變,其中仍以美國為首。

第二大迷思是美國就業市場低迷,導致生產力疲弱。但其實從1960年代中期至21世紀,美國的製造業產出成長了六倍,且就業市場穩定,工作機會並未隨生產力升高而流失。

其實,美國真正需要重新省視的是製造業對經濟的影響。長久以來,美國只顧著提振批發、金融、零售、專業服務業,然而這些產業所創造出的附加經濟效益其實最少。研究指出,製造業每投入一美元,能創造1.37美元的額外經濟需求,而零售貿易業只創造0.57美元,金融業更少,僅0.53美元,意即能創造出最多工作和服務需求的是製造業!可見若要驅動經濟,就必須著眼於正確的經濟活動和走向。

為突破此一窘境,2011年六月,美國總統的科學和技術顧問委員會(PCAST)上呈「確保美國先進製造領導地位建議報告」,明確指出目前美國基礎研發活動與在國內製造的技術創新推廣之間存在著鴻溝,且此一缺口已造成先進製造產品貿易失衡,導致製造業的附加價值比重遠低於日、韓、德。美國學界有充沛的研發能量,卻缺乏將發明商品化的機制,因此迫切需要聯邦政策支持,以加速先進製造發展。

先進製造夥伴計畫

2011年11月,美國商務部透過國家標準與技術研究院(NIST)設立「先進製造國家計畫辦公室(AMNPO)」,成員均為產官學界與製造相關的代表,負責統籌規劃與協調先進製造相關施政、管理公開競爭的研究所篩選創建流程,並負責維護先進製造入口網站Manufacturing.gov。

根據「確保美國先進製造領導地位建議報告」的定義,「先進製造」包括兩大類活動:第一是使用與整合資訊、自動化、運算、軟體、感測與網路技術,第二是使用最新材料及奈米科技、化學、生物學等學科催生的新興技術,可以用新的方法生產現有產品,亦可用新興先進技術製造新產品。

先進製造夥伴計畫即是奠基於此報告之上,結合產官學研協同振興製造業的重大計畫,預計投入五~十億美元的經費,達成四大目標:
一、強化攸關國家安全的關鍵產品的本土製造能力。
二、縮短先進材料由開發、製造產品,至市場應用推廣的時程。
三、開發下世代機器人,建立美國的產業領先地位。
四、研究開放創新的節能製造技術、提升製造過程能源的使用效率。

參與的學術單位有麻省理工學院、卡內基美隆大學、史丹佛大學等知名學府,產業界則有康寧玻璃、福特汽車、英特爾、寶僑等大企業。聯邦政府的角色在於幫助整個產業尚未完全發展前,建立較健全的體質,之後再由企業或地方政府自我投資加值及按照市場機制各自競爭。

先進製造技術聯盟

國家標準與技術研究院的另一重大預算案,為2013年促成,預計挹注2,100萬美元的「先進製造技術聯盟(AMTech)」。此聯盟藉由公私部門合作,為業界提供必要資源,支持具長遠競爭力的基礎和應用研究,用以強化美國製造業的研發能量。

此外,為鼓勵創新技術與提升現有技術,先進製造技術聯盟提供「技術提案獎(planning award)」和「專案執行獎(project award)」補助給符合資格的申請人,目的是從基礎研究中找出符合長期產業研發需求的技術,並依據需求迫切性排序,促進更高效率的技術移轉,整合價值鏈上所有企業。

2014年共頒發了16項技術提案獎,總獎金為780萬美元,共九個學術單位與七個非營利單位獲得獎金補助。獲獎單位與合作機構遍布全美,相當於將國家型先進製造技術注入私部門,有助於更順暢的推動政府跨部門計劃。

全國製造創新網路

有鑒於目前美國學界研發能量充沛,卻無法將想法商品化以帶動經濟,而業界雖有系統測試與推動產品上市能力,研發實力卻不足,美國政府續於2012年三月提出「全國製造創新網路(NNMI)」,由國防部、能源部、商業部、美國航空暨太空總署、國家科學基金會五個聯邦機構負責,旨在架起學界基礎研究與業界商品化之間的橋樑,並成立15個製造創新研究所(IMI),做為區域創新與人才培育中心。

每個研究所將發展獨特的重點領域,匯集企業、大學以及社區大學資源,矢力成為能永續發展的卓越技術中心,但同時又能共享基礎建設、智慧財產權、委託研究、績效指標,彼此截長補短,並於新技術商業化時,提供降低成本和風險所需的能力和設施。

2012年「積層製造創新研究所」成立,2013年又推出「數位製造與設計創新」、「輕量和現代金屬製造」及「下世代電力電子製造」研究所,前兩項由國防部主導,最後一項則由能源部主導。最新成立的「智慧製造創新研究所」為能源部資助的第三個研究單位,預計將獲得7,000萬美元的聯邦補助,與另外7,000萬美元的業界投資,目標是在2030年將讓美國的能源效率加倍。

值得一提的是,分別由國防部和能源部主導的「數位製造與設計創新」研究所和「智慧製造創新」研究所,在成立宗旨和核心技術上都有很大的差異。

數位製造的目的,在於使用供應鏈上經過增強、具相互操作性的資訊技術系統,來改善產品設計和製造流程,著重於整合設計、生產、產品使用的數據來降低製造時間和成本。方法係透過內含模擬、3D視覺化、分析及其他協作工具的整合型電腦系統,將設計與製造、永續、最終產品處置系統連結起來,使數位技術更臻成熟。在設計的執行上,則整合智慧感測器、控制器和軟體,提高永續性,並顧及系統資訊安全。

智慧製造的目的,則是透過即時能源管理、能源生產力和製程能源效率來降低製造成本。智慧製造裡有一個數據彼此相連驅動的流程平臺,結合創新模擬與先進感測與管控,以便在整個生產操作中整合即時能源管理數據,將能源和原物料使用降到最低,這對於大量消耗能源的製造尤其重要。

GF Machining Solutions 落實先進製造的典範

瑞士工具機製造商GF Machining Solutions研發主管Roberto博士亦分享該國經驗。他說,瑞士天然資源匱乏、工資高昂,加上瑞士法郎與歐元脫勾後大幅升值,重創當地製造業,因此製造商急欲將製造過程簡單化、數位化、標準化,並配合歐盟政策與他國合作,以期早日實現「工業4.0」的智慧工廠,GF Machining Solutions則正往此目標邁進,運用數位科技加強加工的精度和準度。

例如,進行線切割時,若線的垂直度不高,就會影響精度,導致成品壽命大減。但該公司採取即時監督閉迴路控制系統,可監督線振動頻率,適時調整線垂直度,讓線切割隨高度與放電能量變動之時,還能保持最佳垂直度,並輸出最優化的加工參數。

在整合智慧型自動化方面,則運用高解析度的相機,切割完第一空間後,可將光學影像放大100~200倍監看僅一至三微米的誤差值,再經由IVU光學影像系統放大,全自動產生更正後的加工程式,進行第二次切割時便能獲得最佳結果。另外,在高精度高速銑床方面,過去使用雷射測量直徑長度,但現在有了新的光學智能軟體測量刀具並做判斷,達到線切割高良率、高穩定性和重複性。

最困難的實例則是放電加工石墨電極,GF Maching Solutions採取閉迴路高速度相機,若放電過程中有異常,可用高速相機抓取最恰當放電波型,產出最優化放電加工參數後,便可達到最快加工速度、最低消耗、最高精度。此種超細微加工得到最佳模具品質的技術,亦可用在連接器和小馬達上。

臺灣「生產力4.0」 切入全球先進製造供應鏈

因應全球再工業化趨勢,今年行政院正式啟動「生產力4.0」計畫,意即應用智慧機械聯網、工業大數據分析工具,使產品設計、開發、生產、銷售等垂直與水平價值鏈具備自主感知、自主預測和自主配置能力,進而實踐客製量產與服務力。政府擬在九年內投入新臺幣360億元,鎖定製造業的機械設備、金屬加工、運輸工具、3C、食品和紡織、服務業的物流、醫療、農業等九大行業,並結合教育部,從人才培訓做起。
過去臺灣錯過了數位化與互聯網的浪潮,如今先進製造成為兵家必爭之地,電子電機、機械及資通訊業正好是臺灣的強項,該如何運用此優勢幫助臺灣企業切入全球供應鏈,實為當務之急。

美國的先進製造夥伴計畫和全國製造創新網路均以美國本土企業與研發單位為主,欲成為成員之一,必須能提出五年2,500萬美元的計畫,且公司至少能出資五分之一,並在美必須有研發據點,對中小企業為主的臺灣而言門檻較高。不過,臺灣可爭取與美國大學及研發機構合作的機會,針對臺灣的優勢項目加強研發,例如積層製造、先進精微製造、輕量化金屬製造、ICT應用、雲端服務、智慧製造等,藉此厚植實力並加速產業結構調整。歐洲的工業4.0則十分歡迎海外結盟,臺灣大有機會與德國和瑞士的廠商合作,一展長才。

因應來勢洶洶的全球先進製造洪流,臺灣應積極搶攻先進製造戰役的灘頭堡,再創產業高峰!

工研院主辦「決戰工業4.0智慧製造研討會」,分享歐美先進製造趨勢與現況,期待能對臺灣產業提供參考。
工研院主辦「決戰工業4.0智慧製造研討會」,分享歐美先進製造趨勢與現況,期待能對臺灣產業提供參考。

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