回顧30年來國際製造科技展:從黑手起家的台灣機械業,該發展3D列印、機器人嗎?

回顧30年來國際製造科技展:從黑手起家的台灣機械業,該發展3D列印、機器人嗎?
我們想讓你知道的是

三十年來,這個展覽除了名稱稍有變化外,展出的內容也有很大的改變。我以過去模糊的印象,對照現今的展覽內容,來看看台灣相關產業的狀況。

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文:趙平宜(曾任國立大學機械系教授,現任企管系教授。致力於國內教育觀念的釐清與提升中小企業的能力。)

美國製造科技展(International Manufacturing Technology Show, IMTS2016)是世界上有關機械製造業的重要展覽,每兩年辦一次,世界各地的廠商與客戶都會參加。

三十多年前我在芝加哥附近唸書時,因為所學專長的關係,也會來參觀這個展覽。當時的展覽名稱是國際工具機械展(International Machine Tools Show, IMTS)。同樣的字母,卻代表了不同的意義,擴大了許多,裡面的內容也有許多變化。

芝加哥的這個場地McCormick Place,是一個在密西根湖旁邊,距芝加哥南方四公里左右的大展覽場,分成了東南西北四個館,總共有約十二萬平方公尺的面積。每個展場的規模都很大。此次展覽大會就將廠商分類為金屬切削、工具與挾持系統、沈積加工/雷射、研磨/鋸床/精細處理、自動化/量測/品質管理系統等等不同的類別,總共有超過兩千家廠商。

我代表的公司則是在零組件類別,加上是台灣同業公會組織組團參展,所以與其他廠商放在東館的台灣區分開的場地。在這個館展覽的,還有自動化控制、量測設備、零組件、繪圖軟體等廠商,當然也有非公會組織的其他台灣廠商,以及其他國家的廠商,分別在不同的展場。我看到的有韓國、義大利等有以國家組團方式的攤位。

三十年來,這個展覽除了名稱稍有變化外,展出的內容也有很大的改變。我以過去模糊的印象,對照現今的展覽內容,來看看台灣相關產業的狀況。

三十年前的展覽,既然以工具機為主,所以是由許多機器製造商展出很多的工作母機為主。當時最紅的應該是所謂的電腦數值控制機械Conputer Numerical Controlled(CNC)Machines,三軸加工中心是先進設備。

當時美國最大的製造商為Cincinnati Milacron、通用電氣General Electric、機械控制器的大廠Allen-Bradley,還有許多的汽車公司等等。現在的展覽,已經看不到那名字了,也沒有類似的公司出現。至於其他國家的廠商方面,許多德國廠商與日本廠商仍在市場中活躍,例如Siemens, Mitsubishi, Bosch等等。但是也有更多的新品牌出現,而且是以大型機具、整合型系統出現。使我感受到這些年在技術方面的進步,同時在市場中汰換的迅速與徹底,業者必須兢兢業業,才能夠在市場中存活。

這個展覽是世界上數一數二的產業展,所以世界各地的廠商都會參與。但是走遍展場,我大概可以看到的現象,除了世界級的大廠外,就是由許多較小企業與不同國家在不同的展場展示。世界級的大廠,不外乎美國、日本、德國等廠商。而台灣的廠商,也有不少配合他們經銷商的展覽,看來規模也不小。

至於其他國家,我看到了除了上述的三國與台灣外,還有中國、德國、韓國、義大利、荷蘭等有用國家名義展出的。其中台灣有四個公會團體組團參展,同時有好幾個大型公司,配合他們在美國的經銷商參展,也有個別公司自行設攤參展,所以看來規模也不小。

德國展出的廠商與機器設備或許沒有日本多,但是他們做出的機器設備,其動作的精妙,體積的龐大,以及控制的精準,非常令人印象深刻。這點使我感到技術鴻溝仍然很大。雖然台灣在進步,但是其他國家的進步更快。

技術發展比較:工具機、3D列印、機器人

三十年前的展覽,台灣的廠商並沒有大型廠商的攤位,或許有些小規模的小公司參與,現在並沒有印象。當時的台灣機械產業,正處於萌芽階段。印象中的較大型公司,僅有楊鐵、台中精機等,但是現在這些公司並非國內相關產業的主要廠商,汰換程度也很高。

在當時,國內有許多小的機械廠逐漸變大,從單元機械開始,如車床、銑床、磨床等幾台,加上了數值加工(Numerical Control, NC)控制器,成為較高階的NC機械。工業技術研究院的機械所,也在努力配合產品的研究與開發。當時的技術,除了機體與軸心外,還有就是以數值控制器為主。

機械所研發了控制器,但是市場上卻要求台灣的工具機製造商使用日本Fanuc,或是德國Siemens的控制器。這些訴求,也是使用者在購買機器時所要求的。所以台灣自行設計開發的控制器也都一直無法打開市場。這個市場因素,是國內廠商的困擾,存在已久,至今仍難以突破的。目前也只有德國與日本廠商的設備中,可以使用該廠商自行開發的控制器。而台灣廠商的產品,也多仍舊使用德國或是日本品牌的控制器。

以前的工具機技術強調電腦控制,三軸至五軸同步運作,可以加工出複雜的形狀與精度,例如飛機引擎中的葉片等。這次看到的技術,有關多軸的控制,已經不是問題了。從展示的各種工作母機看來,軸的觀念似乎不重要了。因為機器可以將工具轉動、移動,所以從過去的xyz三個直線軸以及abc三個旋轉軸,到現在用的是球座標(Spherical coordinate)的空間觀念進行控制,同時刀具也在轉動,所以車銑鉋磨等加工作業的分野,也沒有以前這麼大了。

工件可以轉動,刀具也可以轉動,同時工作台也可做移動轉動等控制。所以一個工件裝在機器上,可以一次完成,無須多做搬動、拆卸、定位、校準等,可以降低外在干擾因素,使得品質更為穩定,並節省工作時間。這個觀念雖然存在已久,同時許多廠商也在製造這種設備了。但是德國廠商所展示的設備,除了擁有這些能力外,可以看到展示出的精準度、工作的多樣性以及產品體積,這些都是製造重型設備的基礎,也顯示出他們的大型製造能力。

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一台德國的機床,包括鑽銑鏜車量測深孔等加工作業,是多軸加工機械,很大的工件,多個加工程序,都可以在這台機器上一次完成。

除了這些傳統金屬切削技術與機器設備外,現在發展的另外的沈積加工成型(Additive Manufacturing)技術,就是一般所稱的「3D列印」技術,也發展得相當好了。三十年前這種技術,是利用電腦繪圖與切割機器將紙材或是薄木料切出一片片的形狀,然後再黏合一起,成為立體產品。

當時的技術與產品,只能顯示出立體產品可以用電腦直接製造完成的概念。但是產品的精度與結構都無法放在實際上應用。而且當時的這種設備也非常昂貴,通常百萬美元起跳,一般是有錢的學校或是大型企業用來作為研究或是示範使用的。

現在的技術,則已經進步到塑料、金屬粉末等材料燒結的技術,利用金屬粉末,或是塑化粉體,透過電腦繪圖與控制機器,將粉體噴在一起,然後用雷射或是其他高溫方式燒結,最後形成立體的產品。這樣的技術,可以使得產品的精度達到微米級的程度,同時強度也夠某些條件下的直接運用。

台灣也有這樣的技術產品,國內的相關產業展也可以看到許多小廠商展示他們的3D列印設備,價位也在數萬元左右。當然這是屬於一般塑料的設備,並非用金屬粉末為原料的。也有台灣的廠商研發金屬粉末成型設備,不過在此次展覽中,可能因為牽涉到專利問題,所以廠商並沒有展出機器。

本次展覽中,美國的實驗室與公司展示了大型設備所列印出來的汽車,車廂等實體產品,也有金屬材料的列印產品出現。當然,大型設備的技術開發,就遠比小型機器的要複雜得多,這也是另外一種製造能力。國內目前的技術與能力可能還無法達到這樣的尺寸。

3D技術日趨成熟,利用這樣的技術,未來製作模具與樣品可以節省許多。同時這類製造方法的應用,也越來越廣。在展覽中也可以看到這種技術在醫療方面的實驗品展示,例如人工關節,小型輔具等。所以以後我們該有機會幫肢體損傷者做出更好的義肢,配合控制器與感測器,希望能夠協助患者恢復原先四肢的能力。

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3D列印製造的電動汽車,後面那台也是。
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機器人雖然是最近很紅的項目,政府一直在推這樣的觀念,鴻海與上銀這種公司也在發展。但是我記得三十年前我在出國念書之前,就有不同的機器人在應用了。

三十年前,台灣政府推行了自動化工業與工業自動化。那時候政府的工業自動化,強調的是生產作業用自動化的方式運作,以代替人力操作。而自動化工業則是生產自動化的設備,例如機器手臂、自動抓取設備等產業。工研院機械所製造了許多的機器手臂放在庫存,但是並沒有聽到太多的銷售。所以用機器人的觀念早就存在了。

這次的展覽,我看到了許多機器人的產品與應用,雖然概念與三十年前相差不多,但是技術上成熟許多,也有相當便宜好用的產品出現,這就是自動化工業了。所謂的好用,就是一個高中水準的作業員可以在兩三個小時內學會機器人操作,應用在生產線上,而且價格不應該太高。這樣的產品已經可以看到,也就是說,低階勞工的作業,該可以陸續被取代了。

三十年前的機器人大廠,有Fanuc,ABB,GE等國際大廠。現在則除了GE外,許多大廠都還仍在市場活躍,同時也增加了許多廠商。目前德國的Kuka,日本的安川、三菱等等大型製造商,也都有非常多的機器手產品。除此外,也有不少過去做資訊產品的廠商也加入戰局,如Epson等。國內的廠商也逐漸增加,大家可以看到的,就是上銀、台達電、甚至於鴻海也以使用者姿態進入此市場。

這種設備需要的除了馬達外,還有控制裝置,軟體介面,氣壓單元等等。下圖中所顯示的,是Fanuc的重型機器手搬運一台汽車的示範。一輛車重達兩噸,要搬運起來,同時運作自如,的確需要相當的能力。這些能力在於精密的軟體運作計算以及硬體的設計與精準度。這也是國內目前不容易做到的。

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Fanuc的機械手臂,那台車是Chevrolet Corvette。
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這台機器手售價兩萬九美元,容易學習。用手搬動就可以告訴它位置了。

除了廠商增加,使用者增加,還有一項重要的發展,就是使用方便性,就是前面所說的:一個高中水準的作業員,可以很快地學會使用該設備。過去的機器手,最好的就是利用手持的有線教學器(Teaching panel)將機器手一個位置一個位置的逐步教導它,將其帶入工作流程中,讓機器手學會該作業。

這樣的學習方式非常費時,而且受限於精準度,所以也要求作業員對於機器手的運作有相當程度的瞭解。現在的技術,可以使得使用者直接將手臂拉到工作點上,然後記住位置與作業,省去了操作教學器的麻煩,也節省了許多時間,增加了方便性。

台灣產業:以黑手起家,未來又該何去何從?

前段提到過,這麼大的展覽,真正讓人感覺到有影響力的國家,就是美國德國日本了,其他的都是小規模的展示。可是細看參展國家,我們也只看到台灣、韓國、中國、義大利、荷蘭等。雖然有許多國家沒有以國家的名義參展,而是以個別公司自行設攤,但是我們仍可以看出一個國家的能力。

所以以機械產業而言,台灣的實力不容小覷。工具機是製造所有機械的機器,所以稱為工作母機。工具機強了,國家的製造實力就強。所以即使二次戰敗國的德國與日本,擁有堅強的製造能力,雖然許多設備建築被摧毀,仍然可以在四五十年後領先世界。資訊與電子業變化很快,但是這些產業的許多基礎設備也是機械製造出來的產品。

台灣的機械業,多數從企業主以黑手姿態起家,克勤克儉,靠勞力、耐力、毅力,才能夠有今天的格局。他們的常用語言是台語,不是英語。他們沒有太高的學歷,所以一般的氣質不若科技業的從業者那樣的文質彬彬,口帶英文單字片語,不太容易得到政客、投資者與高學歷者青睞;但是這種產業是基礎,門檻也不低。

這些都是台灣的潛在實力,也是政府想要發展軍事工業的基本盤。政府應該要善加利用,並且用合適的方式引導,除了要協助目前幾家上市櫃公司擴展世界市場外,同時也要讓更多的中小企業能夠順利發展,繼續傳承。若不如此,則許多中小企業將被中國買去,而連帶著技術也流至對方。

中小型製造業有許多的能力,但是更需要舞台與市場。政府推動軍事工業,製造潛艇、飛機等軍事用設備,就是需要這樣的基礎配合。軍事設備中,除了整合性的大型武器如飛機、船艦等外,許多小的零組件也是重要的基礎。這就是台灣供應鏈的強項。

所以政府對外採購武器外,也應該可以要求對方釋出維修與零組件的供應條件,讓台灣廠商可以承接零組件的製造與維修。如此可以培植國內製造能力,接軌國際的國防產業,除了強化台灣國防之外,同時也能夠將技術深耕民間,也擴大了國內的市場需求。

相信以目前國內的機械製造能力,我們有足夠的能力做好世界級的產品的。

責任編輯:羊正鈺
核稿編輯:楊之瑜