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技術趨勢
風電產業鑄件製造技術與 設備的現況與趨勢
2024.05.14∣瀏覽數:347

風電產業鑄件製造技術與設備的現況與趨勢

金屬工業研究發展中心 企劃推廣處 產業研究組 林子欽

隨著全球暖化和氣候變遷對我們生活環境的影響越來越大,全世界都在急著減少空氣中的碳排放量。目標是到了2050年能讓地球上的碳排放量達到「零排放」。臺灣也不例外,正全力以赴,推動能源的轉型,比如用更多的再生能源來取代傳統的石油和煤炭,以此提高我們能源的自給自足率,同時也保證能源供應的穩定和清潔。在這些能源轉型的領域中,離岸風電成為一個關鍵領域,不僅在臺灣,也是全球許多國家積極投資和研究的重點。

風力機中的其中一個關鍵零組件是鑄件,包含輪轂鑄件及機艙底座鑄件等。觀察全球的風力機鑄件市場(如圖1),從2020年的約19.9億美元,預計到2031年會增長到63.7億美元。這表示在未來十年裡,全球的風力機鑄件市場會增長超過3倍。同時,該趨勢也顯示全球對於再生能源的需求正在快速增加,尤其是對風力發電的需求。

近年來,全球對風力機鑄件的需求穩步增加,但國際風力機製造商面臨俄烏衝突與疫情等因素造成的成本上升壓力。面對綠色能源需求的持續擴大,如何利用智慧化製造技術提升風力機鑄件的生產效率並有效控制成本,成為該產業關注的重點。

MA159-精選文章-全球風力機鑄件市場規模分析

當前,風力機鑄件製造業正在向智慧化、自動化和節能化方向轉型,以提升生產安全性和效率,並降低能源損耗。自動化設備的導入是為了降低製程的生產安全風險,同時,鑑於鑄造業是能耗密集型行業,面對氣候變遷帶來的挑戰,行業正推進高效、環保的製造技術。此外,物聯網、感測技術、機器學習與人工智慧的整合,正提升運營效率與穩定性,進一步增強鑄件產品的市場競爭力。

隨技術進步與成熟,智慧製造在風力機鑄件製造領域的應用將在未來變得更廣泛、深入。這不僅促進風力機技術創新,也為再生能源轉型提供穩固的基礎,以加速實現淨零排放目標。

國際風力機鑄件智慧化製造技術布局

(一)風力機鑄件製造流程

風力發電機組件的製作過程極為關鍵,涵蓋從原料準備至成品檢驗的一系列複雜步驟。此過程起始於精選適當的鑄造砂和結合材料,將其填充至模具所在的砂箱,以形成鑄件的模型。金屬隨後在高溫下熔化並注入模具,此階段必須嚴格控制溫度和澆注時間,並防止氣泡和不均勻分布現象,以確保鑄件的高品質。

在金屬凝固後,砂型將被拆除以取出鑄件,隨即進行清理砂痕和去除多餘材料等後續處理,例如切割澆口和流道。此外,砂磨和拋光工序將用於整理鑄件表面,而高速噴砂則用於去除表面殘餘物質,進一步提升鑄件的外觀和質感。細節檢驗階段包括進行精確尺寸量測、超音波檢測及表面磁粉測試,以驗證鑄件達到規定要求,並通過機械性能的測試。基於特定需求,鑄件可能需要進一步的加工,如鑽孔、銑削等機械加工工序。最終,鑄件將接受全面品質審查,以確保滿足所有設計和品質標準。考量到防蝕和美觀,多數風力機製造商會要求進行表面塗裝,塗裝後的鑄件需再次檢驗,以確保塗層均勻、附著力強。

MA159-精選文章-風力機鑄件製造流程參考圖

隨著技術進步,部分製造流程已開始利用先進的智慧化設備,以提升製造效率、精確度及安全性,同時減少生產成本。整體而言,風力機鑄件的製造是一個高度專業化且技術密集的過程,涉及眾多細節和技術要求。從選材、鑄造、加工到最終的檢驗和處理,每一步都需精確控制,以確保最終產品能達到最高的品質標準。未來,隨著更多智慧化製造技術的引入,風力機鑄件的生產效率和品質將進一步提升,為全球風力發電技術的發展貢獻重要力量。圖2彙整風力機鑄件的製造流程。

(二)國際風力機鑄件智慧化製造技術介紹

1.鑄件鏜銑加工設備

鑄件鏜銑加工設備在風力機鑄件生產中扮演著關鍵角色,這些高精度的機械不僅確保了鑄件的尺寸精確與表面光滑,而且大幅提升了生產效率和產品品質。尤其輪轂鑄件等風力機內部零組件有著較高難度且複雜的加工形狀需求,特別在隨著風力發電機朝向大型化發展,這些設備的應用更顯其重要性。在製程中,先進的控制系統被廣泛應用於鑄件的鏜削、銑削和鑽孔,以形成所需的產品規格、形狀和細節。

在全球範圍內,多家知名的設備製造商已經開發出適用於處理大尺寸鑄件的加工設備,以滿足離岸風電產業對於大型鑄件加工的需求。這些設備製造商,包括義大利的PAMA、中國的沈陽機床、德國的Heckert以及日本的三菱重工,都在這一領域有著突出的貢獻。特別是PAMA公司所開發的SPEEDRAM系列鏜銑床,已被廣泛應用於加工離岸風電領域所需的大型鑄件。

MA159-精選文章-PAMA SPEEDRAM 4000鏜銑加工中心示意圖為了迎合離岸風力發電機向大型化發展的趨勢,PAMA的SPEEDRAM鏜銑床提供了8公尺的加工範圍,能夠滿足20MW甚至更大功率風力發電機鑄件的加工需求。隨著未來更大型風力發電機的出現,這些加工機具也正逐步擴展至10~12公尺的加工範圍,以適應這一發展趨勢。

PAMA的SPEEDRAM 4000型鏜銑床不僅在離岸風電行業中有著廣泛的應用,也被廣泛使用於航空、重型機械製造、軍事國防以及其他能源產業領域。該機型擁有強大的加工能力和靈活性,X、Y、Z三軸的大行程設計使其能夠處理各種大型工件。此外,其工作台最大承重達到180噸,可客製化提升至230噸,能夠處理極為重型的鑄件或金屬組件。多軸運動能力(包括X、Y、Z和W軸)確保其在多方向上的高精度加工能力。此外,這些機器配備了先進的數位控制系統,能夠進行高精度且高效率的加工作業。

除此之外,我國在大型金屬加工領域,也在風力發電領域中擁有突破性的進展。榮田精機目前已經開發出6公尺龍門式車銑複合中心,以因應國際間日益成長的大型鑄件生產需求。該設備的推出,不僅標誌著榮田精機在風力機製造市場的積極布局,也展示了其在高端製造技術領域的實力。另外,榮田精機憑借其創新的PL-600CM智慧複合加工設備,成功獲得國際市場,包括歐洲、美國和中國等地風力機製造商的認可與訂單。這款設備能夠一次完成多種加工程序,包括數控立車加工和龍門式加工中心的銑削與鑽孔,大幅提升了生產的效率和加工件的精度。

MA159-精選文章-PAMA SPEEDRAM 4000鏜銑加工中心示意圖 我國目前唯一的大型風電鑄件製造商永冠能源,也在臺中港新設廠房採用了榮田精機的先進設備。這不僅凸顯了榮田精機設備在滿足複雜和大尺寸加工需求方面的能力,也展現了臺灣在全球風力發電供應鏈中的重要地位。榮田精機的創新不僅促進了本土製造業的發展,同時也為全球的可再生能源事業貢獻了重要的技術力量。

2.品質檢驗設備

在風力機鑄件的品質檢驗方面,對於剛從模具中取出的半成品進行品質檢查是不可或缺的一步。這項檢查主要聚焦於評估鑄件的外觀和尺寸準確性,確保每件鑄件都達到了預定的製造規格。

MA159-精選文章-RENISHAW XL80雷射追蹤儀示意圖 對於規模較小或是預算有限的鑄造廠來說,他們可能會選擇成本較低、操作簡便的檢測工具,比如採用紅外線追蹤儀等單向測量設備來進行尺寸精度的初步評估,如RENISHAW公司生產的雷射追蹤儀XL80(示意圖如下),能夠有效追蹤並確認鑄件的尺寸是否符合精準的製造標準。這類儀器的選用往往基於成本效益和操作效率的考量,但前提是使用的設備必須擁有高穩定性的雷射波長,以保障測量結果的準確性和可靠性。

然而,面對8MW或更大功率的離岸風力機鑄件,由於這些鑄件的尺寸通常超出了傳統三座標測量機的測量範圍,儘管設備製造商能夠提供客製化解決方案以滿足這些特殊需求,這往往會導致成本的進一步增加。因此,在離岸風電產業中,許多業者可能仍會選擇使用操作更為靈活的單向測量設備來完成尺寸測量和品質檢驗工作。

MA159-精選文章-蔡司ZEISS MMZ G產品應用於檢測大型風力機變速箱 另外,部分業者採用先進的大型三座標式測量設備,這類設備的投資成本雖然較高,但能提供更高的測量精準度和穩定性,尤其適用於大型且要求高精度的加工件。在眾多製造這類量測設備的公司中,德國蔡司公司( Carl Zeiss AG)開發的橋式三座標測量機(Bridge-type coordinate measuring machines)是工業加工領域中常用的一種(示意圖如下),被廣泛應用於各種成熟的製造工業中。

3.鑄件噴砂/珠擊設備

在風力機鑄件的製造和加工過程中,珠擊和噴砂是兩種關鍵的表面處理技術,它們在製程上有明顯的差異且各自扮演著不同的角色。珠擊,又稱為珠擊或噴丸,通過使用小圓形鋼珠連續敲打鑄件表面,使工件可達到一定程度的表面處理,或者透過連續撞擊來增強鑄件的硬度和抗疲勞性。而噴砂則主要用於清潔鑄件表面和提升表面粗糙度,以利於後續加工如電鍍、烤漆等。它通過高速噴射砂粒或其他磨料,去除鑄件表面的氧化層、鏽蝕、殘留砂粒和其他雜質,達到清潔和精加工之目的。在鑄件製造的毛胚階段,通常會使用珠擊來強化表面而不是噴砂,而噴砂則是在塗裝前的階段使用,以確保塗層的良好附著。

MA159-精選文章-Blastman自動噴砂機器人示意圖儘管珠擊和噴砂在原理上相似,設備和流程的差異卻很大。珠擊過程中除了要考慮回收、集塵、強度外,還需對變形和破碎的鋼珠進行篩選和分離,並嚴格控制鋼珠的流量和大小。這些控制措施確保了珠擊製程的效果和品質。而噴砂設備則需考慮砂回收、集塵及使用的砂質強度等。

噴砂設備透過高速噴射的砂粒或其他研磨材料,能夠有效去除鑄件表面的各種不純物,如氧化層、銹跡和殘餘的砂粒,以強化其外觀品質。為了提高生產效率,部分鑄造商會引進自動噴砂系統。這種系統可以有效地對鑄件進行表面處理,從而節省了時間和人力成本,如Blastman的自動噴砂機器設備,可代替傳統的人工噴砂作業,提升生產效率並降低人工噴砂作業的安全風險。

4. 其他風力機鑄件創新技術 - WeldCast鑄鐵銲接

隨著全球對於再生能源需求的持續增加,風力發電已成為推動能源轉型的關鍵力量。風力機的關鍵零部件,特別是大型鑄件,對於保障風力機的高效運行和長期耐用性至關重要。由於這些零組件必須承受強大的機械壓力和惡劣的外部環境。這就要求它們必須具有無懈可擊的品質和堅固的耐用性,任何製造過程中的小缺陷都可能對風力機的整體性能造成不利影響。

在目前的製造環境中,這些關鍵零組件的製造不僅依賴於高端的鑄造技術,還需投入大量的成本和時間,即便如此,製造過程中的微小缺陷也無法完全避免,導致生產效率低下且成本高昂。然而,目前的製造和維修過程存在著一些關鍵的挑戰和限制,這正是WeldCast計劃應運而生的原因。

面對這些挑戰,該計畫誕生並目標透過創新技術降低大型鑄件的製造和維修成本,以提高風力機的整體經濟性並因應未來可能的挑戰。這個計畫的長期研發目的,是為了因應在風力機邁向更大型化的同時,能夠用扣件連結或銲接的方式,將鑄件以模組化的方式拼接,或者可利用該技術修補鑄件的瑕疵。除了可降低成本、提高鑄件生產的可行性外,亦允許中小型鑄造廠有機會使用該技術製造風力機商所需的零件規格。

該計畫匯集風力機系統商SGRE和Vestas、丹麥技術商Force Technology、丹麥技術大學風能研究所(DTU Wind Energy)和鑄件商Baettr共同參與。該計畫預計將大型鑄件成本降低10-15%,對風力機總製造成本的影響預計將在0.5-1%之間。這不僅意味著製造商能以更低成本生產更高品質的風力發電機,還將縮短製造周期,提升生產效率,並為那些受到生產能力限制無法參與供應鏈的中小型鑄造廠開闢新的機會。

結論與建議

在目前的全球經濟情勢中,離岸風電產業正面臨多重壓力,包括物價上漲、供應鏈的困難和風場建設成本的持續攀升。這些挑戰迫使業界必須迅速採納創新技術,以提升生產效率並降低製造成本。此外,隨著風力發電設備逐漸邁向大型化,全球的鑄件製造商也正快速進行技術升級,以迎接市場的需求。

為了適應這一趨勢,國際知名的設備製造商,比如義大利的PAMA和臺灣的榮田精機,已經推出了專門針對大型鑄件加工的高效能鏜銑機,例如PAMA的SPEEDRAM 4000系列和榮田的PL-600CM。這些高端設備的引入,不僅能夠滿足對大型零件加工的需求,還能提升整體生產的精準度和效率。在尺寸測量及表面處理方面,自動噴砂系統和先進的三座標測量設備的應用,極大提高了產品品質的檢測效率和準確度。此外,WeldCast計劃正集中研發一種創新技術,專注於利用銲接和扣件連接技術來實現鑄件的模組化組裝,這將為風力機零件的製造提供更多的靈活性和成本效益。

我國風力機大型鑄件製造商如永冠能源等,目前正在進行產業的初步探索,儘管面臨諸多學習和挑戰,但已經取得了一定的成果,並為未來更大型的風力發電機零件生產做好了準備。此外,在加工設備方面的使用因過去在相關領域的經驗,亦已有周全的計畫且已經開始使用國內生產的加工設備(如榮田精機)。

未來,我國風力機鑄件商應持續深化與國內加工設備商的合作關係,同時也尋求與國內外的設備製造商緊密合作,以確保技術的領先地位。這不僅對提升國內風力機零件製造業的競爭力有著至關重要的意義,也為臺灣的加工設備製造業帶來了新的發展機遇。隨著技術的進步和產業的合作,臺灣在風電設備製造領域的地位將進一步鞏固,且在與國際業者共同應對未來風力機邁向大型化挑戰的同時,提高國內加工設備產業的技術水準。