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銑削製程數位雙生技術開發

摘要"

配合國家發展能源與航太產業政策,本研究以高溫合金之耐高溫/高壓之金屬零組件自主研發為主軸,強化我國產業鏈於產品材料、成形、加工與後處理之技術量能,輔導以鋁合金/鈦合金零件代工業者轉型升級至具高溫合金零組件之高附加價值金屬製品,建置高溫合金零組件先進製造設備系統銑削製程數位雙生技術整合能量,技術核心包含具虛實整合(CPS)加工製程決策及設備聯網智慧監控,以製程參數優化資料庫系統及加工路徑前置預判優化技術,結合感測器及大數據分析,根據機台當下狀況,回饋最佳的調機參數予控制器完成加工補償,並協助製程開發人員掌握更多資訊,來達到智慧精準製造之目的,以提升產業國際競爭力。

關鍵詞:銑削加工、數位雙生、品質估測、機器學習、虛擬製造

產業需求

根據相關產業報告,台灣在全球「航太製造業吸引力評比」排名第六,已成為國際航空產業供應鏈重要一員,目前波音、空中巴士等窄體客機,已開始使用高效能LEAP引擎(取代原有CFM56引擎),預計訂單於20年內將達到41,030架,總值超過6.1兆美元,並以亞洲為主要市場。本研究重點在於協助國內廠商由原本的低溫引擎零件加工(材料:鈦合金、Inconel 718),如:進氣倒流葉片、機匣、低壓壓縮葉片及外燃燒筒…等,升級到高價值、難切削的高溫引擎零件加工(材料:718 Plus),如擴散器、高壓壓縮葉片、低壓渦輪葉片及內燃燒筒…等。然而,台灣航太製造業面臨以下四種困境:(1)供應鏈逐年降低成本要求、(2)高溫合金材料移除不易、(3)刀具磨損嚴重,增加生產成本、(4)製造多採試誤法耗材耗時,機加工殘留應力導致易變形,本研究將採用複合加工技術之虛實整合領域知識,結合精準製造設備之智慧監控、監診與參數決策,克服上述產業問題,達到品質要求、交期縮短、成本管控等航太加工產業三項需求,可提升台灣廠商取得未來國際航太訂單的利基,對台灣航太產業永續發展甚為重要。
以國內廠商而言,目前此類關鍵零組件大多需自海外進口;除須仰賴外購,更有購置成本高昂、後續維修運作處處受限等衍伸問題。在產業環境日益惡劣的情況下,對於業者在全球供應鏈布局已成形競爭障礙。因此,透過先進製程技術(預製&複合加工/精修/檢測)、開發相關製程所需設備,以協助產業界提升此類高性能金屬零組件的發展自主性,有其必要性及重要性。我國金屬零組件業者經營型態多為中小企業,透過利基市場建立優勢,產品多以出口為導向,為我國重要創匯產業。且金屬加工產業之生產技術與經驗成熟度高、特有的協力網絡特色使得優勢互補、彈性調度的加工機制使得生產靈活。此外,多年來已建立良好銷售管道,並有健全的上中下游加工體系,可迅速應對終端系統客戶之客製化需求。再加上周邊加工設備產業基礎穩固,且持續因應金屬零組件加工產業需求進行改善,提升效率。
分析國內傳統金屬零組件產業,其既有材料加工製程技術變化與更新速度平緩,不足以因應此類高性能金屬零組件的生產研製。且國內金屬加工設備業者,多屬中小企業規模,對於高階特殊設備在研發經費及人力等之投入不足。因此,在開發高性能如高溫用之金屬零組件,面臨到以下幾個關鍵問題:(1)在材料加工成形方面:高溫合金材料有移除不易的議題;(2)在設備方面:設備製造多採試誤法耗材耗時、機加工殘留應力造成變形;(3)在終端客戶應用方面:a.代工供應鏈有逐年降低成本之要求;b.刀具磨損嚴重,造成生產成本增加。整體而言,對於金屬零組件先進製造技術及智慧精準製造設備開發與系統整合等面向,尚未許多技術議題亟待研究與開發,如圖1。
然而,就SWOT分析來看:
優勢(S):
(1) 國內金屬加工產業之生產技術與經驗成熟度高、且建立良好銷售管道,並有健全的上中下游加工體系,可迅速應對終端系統客戶之客製化需求。
(2) 周邊加工設備產業基礎穩固,且持續因應金屬零組件加工產業需求進行改善,提升效率。
劣勢(W):
(1) 國內既有材料加工製程技術變化與更新速度平緩,不足以因應此類高性能金屬零組件的生產研製。
(2) 國內金屬加工設備業者,多屬中小企業規模,對於高階特殊設備在研發經費及人力等之投入不足。
機會(O):
(1) 目前此類關鍵零組件大多需自海外進口;對終端系統業者來說,除須仰賴外購,更有購置成本高昂、後續維修運作處處受限等衍伸問題,不利於業者進行國際供應鏈布局。
威脅(T):
(1) 國內金屬加工產業之生產技術與經驗成熟度高、且建立良好銷售管道,並有健全的上中下游加工體系,可迅速應對終端系統客戶之客製化需求。
(2) 產業界多仍習於OEM代工生產模式,缺乏自主權,未來不利於應對高值化金屬零組件(如高溫用)之研製,圖2。
由上述說明,歸納出4項產業發展需求:(1)發展快速移除材料且品質符合製程技術;(2)提出有效降低零組件製造成本解決方案;(3)建構可預測及可追溯之參數管理系統;(4)確保長期穩定加工之製程監控設備。最終強化國內高溫/高壓用金屬零組件製程關鍵技術,及其製程設備與系統整合能量,以加速台灣成為高溫用金屬零組件之國際市場重要供應鏈之一。
因此,本研究所聚焦先進製造技術開發就有以下兩項:

金屬零組件先進製造技術

• 高溫合金複雜特徵預成形技術:目前國內業者缺乏高溫合金鍛造製程與複雜產品生產能力,仍需藉由後端大量機械加工處理。以本計畫欲投入之應用載具來看,國內既無業者熔煉及生產718 Plus合金。
• 高溫合金特徵高效減材複合製程技術:現行國內產業於複雜曲面特徵之難加工零件皆以放電加工或機械加工為主,導致刀具耗損大、製造緩慢;且其治具設計與傳統切削加工不同,造成推廣不易且廠商接受度不高。此外,目前業界普遍以加工經驗法則及試誤來建構使用之加工參數,尚無虛擬切削模擬的能量。

智慧精準製造與設備系統整合

• 設備聯網智慧監控系統:現在難切削材加工產業大多以經驗法則來解決問題,而非以資料驅動為基之科學方法進行分析解決問題,對未來多樣新材料、生產複雜度與加工瑕疵多樣化益加龐雜時,需使用資料科學的分析方法才能提升效益。
• 具虛實整合加工製程決策系統:理論模型現階段只在探討經由數據庫分析一組較佳的初始加工參數,無法因應實際狀況改變而調整參數優化。
針對金屬零組件製造進行技術開發與整合,以產品生產模式分為複雜特徵預成形技術、高效減材複合製程技術及無應力精加工技術三大技術項目。依據目前先進製造智慧化技術里程區分成五類,有聯結化、可視化、透明化、預測化與適性化。在技術上要先做到聯結化,大多集中在智慧設備與一部分的智慧生產中,後續要做到可視化、透明化部分。最終,要做到預測化與適性化,這些相關技術要達到需透過虛實整合與領域知識智慧參數決策等技術才能被實現。因應先進製程設備開發需求,強化產業智機化技術布局,針對各特殊製程完成多目標製程狀態感測(Sensing)、CPS整合,將理論解模型(Cyper Model),透過感知前饋與NC路徑/製程參數優化,達到離線/線上加工智慧補償;同時建置參數決策數據資料庫(巨資分析),透過感知回饋修正參數自適化調整以達穩定控制,引領國內產業朝向智慧精準製造設備智機化之目標
邁進。

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