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突破傳統模具瓶頸 載具輕量化催生複材加工新技術

國外航太加工設備業者整合彈性複材板件夾持系統。圖為西班牙MTorres公司。MTorres

載具輕量化是達成節能與減少碳排的關鍵之一,而為了助力輕量化發展,隨著複材應用的日益成長,其相關製程加工技術也是製造商未來相當重要的關注重點之一。舉例來說,過去國內在薄型複材加工常使用成本較高的固定式模具夾持系統,產業開始訴求更彈性、更節省成本的方式,工研院因此耗時4年研發國產化全自動彈性陣列夾持系統,除了因應未來彈性換線的生產需求,也藉由完整解決方案協助國產工具機切入航太複材加工領域。

工研院智慧機械中心經理王仁傑指出,國外航太製造商如波音採用非固定式模具的彈性夾持系統,來加工大型複材薄型板件的作法已久,但目前國內市場尚未形成風氣,而產業也的確有這樣的需求,工研院因此從4年前便開始投入研發。

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國外航太加工設備業者整合彈性複材板件夾持系統。圖為義大利CMS公司。CMS

王仁傑進一步表示,透過彈性夾持系統取代傳統模具,未來這項技術不僅可幫助航太業者提升換線速度與生產效率,還能節省龐大的模具成本,另一方面,國內工具機業者也能藉此朝向提供完整解決方案(Total Solution)發展,加強在國際市場的接單競爭力。

改善傳統模具缺點 彈性夾持系統因應智慧製造趨勢

過去國內航太業者在進行複材加工時,如何克服不規則形狀的薄型板件變形問題,支撐工件的夾持系統即相當重要。目前國內航太業者是採用固定式的模具夾持。在精密機械的的製造工程中,模具不僅是一種成型工具,在航太的複材加工過程同時也是一種夾持工具。

但固定式的模具進行薄型板件加工,卻有許多問題。王仁傑舉例,像是模具需要經過特殊設計與驗證,而通常一件工件還會準備2~3套模具,這也會造成模具需要更大的儲放空間,不僅搬移耗時,更無法達到快速換線,王仁傑強調,未來產業勢必走向少量多樣、大量客製化模式發展,為了響應更快的換線速度與彈性生產系統,就必須對傳統生產工法做出改變。

王仁傑觀察,當前歐美都已開始採用先進的彈性夾持系統,其架構是以延長桿為主體,並在機構前端透過萬向支撐結構,就可以依工件外型調整延伸桿長度及吸盤角度來固定工件。不過即便國外有這項技術,對於國內業者來說仍然具有一定挑戰,主因在於國外系統龐大且造價昂貴,光是一套系統就高達新台幣1億元,而這單單只是系統成本,更別說還要整合到大型工具機設備中。

工研院於是投入研發全自動彈性陣列夾持系統,該系統不僅建立國產技術,也針對國外系統較無法滿足的部分進行優化。其中,這項技術最大的亮點就是透過台灣最擅長的精密機械技術,利用齒輪傳動與滾珠花鍵達到雙馬達驅動三軸向的自由度,在軸數不變的目標下,透過減少馬達的數量來縮小體積。

王仁傑表示,在複合式馬達驅動機構下,彈性夾持系統可以根據工件外型分析的最佳支撐位置,主動調整水平與垂直位移,並擺動吸盤角度,這跟過去國外所研發的系統需要靠工具機主軸頭去拉動有很大的不同,「光是系統設定的所耗費的時間成本,就能凸顯出兩者差異性。」王仁傑說。

至於彈性夾持系統如何分析出最佳支撐位置,讓系統全自動化,關鍵就在於背後同樣由工研院自行研發的專用軟體。該軟體會先根據複材疊層角度及材料特性進行結構變形分析,並依此產生最佳化支撐模型以避免複材在支撐夾持中變形,進而推算出支撐間距的座標,接著就可以將座標程式輸入到工具機的控制器中。

「以150軸的陣列系統來說,系統設定前後不過3分鐘,就可以計算出來!」因此當需要彈性換線時,全自動化夾持系統就可以幫上大忙,預估可減少換線時間七成,並提升生產效率。

航太加工市場 越來越講究系統整合

工研院表示,目前這項技術已實際與國內航太工具機製造商進行系統整合導入,而國內航太業者也興致勃勃,對於可望創造多少價值效益,王仁傑相當有信心。

王仁傑表示,彈性夾持系統改善傳統模具工法,對於現今強調彈性生產的製造趨勢來說,可以大幅降低換線所需的時間,而最重要的是解決模具儲存與建構的成本,王仁傑舉例,通常一套鋁合金模具,造價數10萬元,不僅費用昂貴,存放更要相當小心。對於航太業者來說,雖然自動化夾持系統仍有一定成本考量,但面對未來製造需求,仍需從長遠的角度思考。

而另一方面,工研院也希望透過這套系統的研發,未來可以完整製造方案提升國產設備價值。王仁傑表示,過去工具機設備業者是單機輸出,但未來在航太加工市場,將越來越講究系統整合,終端業者通常都希望設備業者能根據客戶需求整合所需的服務,進而提供一站式購足的完整解決方案。而這在許多先進製造國家,如日本、德國等設備商都已經行之有年,台灣工具機勢必也會面臨這個問題。
 
工研院也盼在國產化技術開發下,成本至少可減少6成,透過降低業者導入門檻,讓國內工具機業者具備建構複材加工完整解決方案的能力,未來在國際航太複材加工市場中爭取訂單時更有競爭力。

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