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結合注塑行業諸多挑戰,本文不僅綜合對比了當前國際領先供應商提出的工業4.0解決方案,更從塑料製品生產流程的角度分析了智能注塑工廠的架構,試圖通過探討新時代工業4.0注塑成型工廠的發展現況與趨勢,為產業界帶來一些多元化的觀點。


針對注塑行業目前的許多挑戰,如員工難管、競爭激列、需求個性化、數據及時性真實性、產品生命週期短、成本大幅上升、質量如何保證、可追溯記錄、排產及插單等,本文主要探討新世代工業4.0注塑成型工廠的發展現況與趨勢,希望能為產業界帶來一些多元化的觀點。

從注塑機設備商的角度看智能注塑工廠

克勞斯瑪菲(KraussMaffei)提出Plastics 4.0,其解決方案分成三大類,分別為智能型機器,自適應程序控制(APC)是智能型機器的新功能,該系統考慮原材料的黏度變化,自動調適參數智能生產;在集成生產方面以質量為導向的加工數據,可透過DataXplorer提高塑料加工產能,可檢測、分析和記錄注塑生產過程以及上下游加工過程的綜合工藝數據的開放系統;在互動服務方面,基於OPC-UA報告的聯網機器的各種項目攝像機應用,客戶可在任何時間在克勞斯瑪菲公司網站直接登錄電子服務平臺,查詢所有的中央數據,與售後服務部門進行順暢溝通,快速找到解決方案。

阿博格提供智能型機器到主機系再到智能工廠和智能服務。阿博格(Arburg)提出Industrie 4.0,提供智能型機器到主機系再到智能工廠和智能服務,數字化工廠的基礎由生產工藝構成,其他組成部份包括一套中央過程管理系統和一套中央主機系統,用於數據的收集、交換、和存檔。阿博格強調沒有普遍適用的4.0解決方案,因為沒有一個注塑生產是與另一個完全一樣的,通往智能工廠的道路也需要通過不同元件和系統的共同合作來生成個性化的方案。線上流程控制通過ALLROUNDER控制這個壓力曲線進行調節,在模具保壓階段每次注塑時恒定的壓力變化,達到產品質量最佳的重複能力。在SELOGICA控制系統的功能,還隨帶記錄調節器的調節行為,配合流量和溫度檢測系統,為實現個性化線上監控,在插上插頭時進行自動辨識,每一個被監控的參數誤差都是由SELOGIGA控制器決定的。

最新的動態型 ENGELiQ vibration control 借助感測器不僅能識別到操控機械手的振動特性還能積極補償外部影響產生的振動。恩格爾(Engel)提出Inject 4.0,在三個相互協調的領域內提供相應的技術和基礎,通過構建智能注塑機工廠並充分利用製造的潛力。Smart Machine(智能型機器)代表自調節的思格爾注塑機和機械手臂,他們能識別到生產條件中最細微的差別,通過智能輔助系統,在進行製造期間得到最佳成型參數。Smart Server(智能服務)主要是意外維護時間的降低,通過連續分析注塑機數據,通過預防性維護系統發現磨損並估計零件剩餘使用壽命。所以可以系統地預測非計劃停工時間,最大限度提高注塑機的可用性。Smart Production(智能生產)提供客戶在生產過程中連接輔機,並將其整合為一整體,優化規劃資源,同時提高生產率。通過T.I.G. MES authentig清晰顯示並控制已聯網的注塑機群。

威猛巴頓菲爾UNILOG B8控制系統。威猛巴頓菲爾(Wittmann Battenfeld)提出威猛4.0,透過注塑機UNILOG控制系統實現集成機械手、流量監測裝置、重力混料機、模溫機和乾燥機等週邊設備集成進來,通過統一的Windows用戶界面進行操作,這促進了各個裝置之間的互動,整個製造過程,包括餵料混料、乾燥、溫控、自動化和注塑,都可以得到最佳協調與追蹤。另一個重點是,當出現換模時可集中地記錄下所有的參數設置,自動化工藝和配方,並分配至正確的裝置中,明顯縮減換模時間及由此產生的成本。根據即插即用的原則,甚至當機器運轉時,威猛4.0也能提供動態地插入和拔出上述裝置,更快地使機器運作更加的有效率。

沙迪克(Sodick)提出注塑機與週邊設備一體化的MR30單元製造系統,基於三維水路冷卻水配管內置模具實現高生產性,採用最小的暗盒式模具結構,內置在以精密金屬3D打印機OPM系列成形的三維冷卻水配管中的單穴模專用成形系統。2台模溫機的標準配置,可通過雙系統模具溫度配管進行最佳局部溫度調結,實現理想的高質量快速成形,追求單模穴成形所必要的成形機規格與周邊設備規格。使各設備具備必要且充分的能力,構築成形機與周邊設備的輕巧型一體化系統結構,實現了成形區域的最小化。向成形機內讀取所有周邊設備的輸入輸出信號,可在成形機的操作面板上對所有設備的運轉進行一元化管理。可對成形數據和周邊設備數據進行一體化管理,通過與Sodick-IoT功能的協同效應,提供全球對應的最新生產系統。

發那科機器人高柔性智能訂單揀選。發那科(FANUC)是全球最多樣化的工廠自動化、機器人和智能機械製造商,在多色成型、光學部件、粉末射出成型、纖維複材成型、埋件射出成型等領域提供注塑機集成發那科自已研發生產的工業機器人,展現全電動注塑機和自動化系統的和諧共舞。機器人配套注塑機取件的體系,使此系列注塑機具有逆流監督和精細計量,高剛性組織和最新的操控技能,經過機器人和視覺體系進行連線查看,完成了高質量的安穩性,被廣泛應用在精細光學、生物醫藥、轎車電子、精細齒輪、數碼電子、食品包裝、微型連接器等領域。

住友重工(Sumitomo)的物聯網iiil系統是住友重工的生產管理系統,自動收集質量確認情況報告,每日報告匯總,檢查遠端的成型現場情況,提高現場工作效率和製品質量。利用IoT/M2M提高生產性價比,建議客戶通過數據統一管理、週邊設備聯動、感測器連接等方式來提高生產性和質量。

從塑料製品生產流程的角度看智能注塑工廠

中國目前的現況來看注塑工廠,可能連工業2.03.0都沒達到,在這種情況下我們大談工業4.0其實是非常不務實的作法。注塑智能化的首要基礎便是運用CAE模流分析的電腦試模概念,協助工程人員檢視其製品與模具設計的可行性,透過分析數據的相互比較尋找出最適當的設計組別,使製品在開發階段即可將潛在的設計盲點挑出,若以“憑過去的設計經驗決定未來的製品設計”,試模次數與模具成本將無法被預測,產業間的競爭優勢將因此尚失。

根據美國辛辛那提大學李傑教授長久觀察與研究提出的見解,工業4.0可以概括為6M+6CACMT協會認為該理論亦適用於智能注塑工廠,並且將該理論溶合到注塑智能工廠的流程改善。其中注塑車間的6M指的是製造生產過程的信息化與自動化,透過系統整合,讓整個生產製造流程自動化與最佳化。6M系統包括:建模(Model):指的是模型建立與類比驗證(Simulation);測量(Measurement):指的是生產過程的檢測與製品管控;工藝(Method):指的是注塑生產參數與工藝;設備(Machine):指的是注塑設備及週邊輔機;材料(Material):指的是塑膠原料與物件零件;維護(Maintenance):指的是設備與模具的維護及保養。

其中建模(Model)部份,注塑製品在設計時需要分析塑料製品的工藝要求,面向可製造分析(DFM, Design for Manufacturing)的注塑設計,需要跨設計和製造環節開發平臺的支持。在模具設計過程,CADCAE系統如同資深工程師或專家一般的協同作業,讓工程師在操作CAD過程中,已經為CAE環境準備好了先決條件與佈局,CAD/CAE集成技術的發展提供面向塑件及模具設計的技術支撐。CAE技術可幫助工藝人員在產品造型階段對製作的注塑工藝進行可行性及存在的缺陷進行評估,可預測潛在的製造風險,並驗證優化設計及製造工藝對製品的影響。

測量(Measurement)部份,過去工程師主要關注基於注塑機參數的程序控制,但近年來基於模腔壓力的注塑控制系統被證明是確保生產過程高度一致性和優化質量的重要手法,從歐洲的克勞斯瑪菲、阿博格、及恩格爾等設備商的大量採用即可獲得印證。現今尚有熔膠溫度、模具溫度、熔膠速度、熔膠前沿位置等感測器可進行多模穴的平衡確認、追溯不良品、驗證模流分析、成型週期的縮短、剪切黏滯的升溫、成型條件的優化等等,蘊含着各種應用的可能,通過有效利用所測量的數據,搭配模流分析及自動化工程可以提高生產效率。

工藝(Method)部份,由於注塑行業的設備、人員、及製造工序複雜,實際生產時由於一些關鍵工序受注塑機等資源的限制,或其他特殊情況導致存在着多種加工工序流程並存的情況;不同工藝的使用,一套模具必須結合多套設備才能生產,設置需要工程人員參與。如何讓工程人員具備正確的試模知識及技能,就顯得特別的重要,因此必需透過在職培訓,持續提升現場人員的工藝水平。

設備(Machine)部份,注塑機及自動化設備都是非常昂貴的,相較於傳統的標準工時方法(PACS)管理辦法,IoM物聯網系統可自動記錄每台注塑機在任一時間的生產效率,通過損失評估改善工廠的營運方向,提高設備整體生產效率,建立設備或模具生產效率的基準參考值,另外注塑工廠什麼時候該添加設備,什麼時候又該招募員工呢?另外注塑工廠除了注塑機之外,常配置輔機設備,如乾燥機、模溫機、溫度控制器、冰水機、中央供料、及整廠水電氣系統等,從監控工藝的角度,減少原料及水電氣的浪費也是非常重要的。

維護(Maintenance),模具作為注塑加工過程中最重要的成型治具,其質量優劣直接關係到塑膠製品質量,模具生產週期長,加工複雜,生產成本高,而且在成型中極易出現銹蝕、龜裂、磨損及沖蝕等老化問題,嚴重影響產品質量及模具壽命。因此,提高模具質量,定期對模具做維護和保養,是企業提升產品質量及降低生產成本的重要手段。目前,大多數工廠都是通過手工做保養,經常因模具管理混亂而忘記保養、漏保養或者保養不及時。有數據表明,定期有效的模具保養,可以使模具壽命提升30%左右,這將有效的延長模具的使用模次,降低生產成本,並且更能保證產品質量與交期。

最後,現今注塑工廠和許多製造商都面臨同樣的問題,持續努力招聘工廠員工,尤其是在需要輪班的崗位。實際情況是,現今環境沒有很多人願意從事注塑成型工作,如果沒有足夠的人手,工廠就不能運作了。佈署協作機器人執行秏時又具強重複性但又不能出錯的任務,這樣員工可把精力集中從事更具價值的生產任務和活動上。不過,在機器人市場,大家依然習慣用傳統機器人的標準來評判人機協作協器人,“精度”與”速度”成為了協作機器人飽受詬病的兩大問題,事實上協作機器人完全足以滿足注塑工廠的生產需求。

ACMT協會輔導的蘇州誠模精密科技有限公司為例,該公司採用模具企業數字化發展系統,產品設計、模具設計與成型工藝在模具開發過程中是高度協同的任務,模具設計工程師在設計過程中,模流分析系統以標準化及智能化流程自動啟動,協助模具設計工程師驗證模具是否能百分百符合產品設計及成型工藝需求。在生產線和產品混合變化很快的今日,採用自動化以滿足需求既燒錢又費力,全流程數字化管理可輕鬆切換任務並且對多變的工廠環境適應力很強。這也解放員工,讓他們有更多時間培養創造性思想並且有機會從事更複雜的任務以解決更複雜的問題。

要點總結:

  • 克勞斯瑪菲KraussMaffei提出Plastics 4.0,其解決方案分成三大類;
  • 阿博格提出Industrie 4.0,提供智能型機器到主機系再到智能工廠和智能服務;
  • 恩格爾提出Injecct 4.0,在三個相互協調的領域內提供相應的技術和基礎,通過構建智能注塑機工廠並充分利用製造的潛力;
  • 注塑智能化的首要基礎是運用CAE模流分析的電腦試模概念,協助工程人員檢視其製品與模具設計的可行性,透過分析數據的相互比較尋找出最適當的設計組別;
  • 工業4.0可以概括為6M+6CACMT協會認為該理論亦適用於智能注塑工廠。


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