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高效自動化成未來趨勢 傳統機械業搶進雷射設備商機

近期經濟部公布2021年各產業別生產指數,可說是電子、傳產豐收的一年,其中機械設備創下歷年新高,增幅尤為突出,成為機械業持續往兩兆產值目標邁進的動能。而現如今半導體、電動車、5G行情火熱,也帶動供應鏈自動化設備需求的看漲,尤更積極朝向高效自動化升級。舉例來說,雷射加工高精度、高速度潛力,正從半導體到電動車產業中扮演更重要的角色。

和和機械總經理羅嘉宇就相當看好雷射加工的諸多優勢,包括非接觸式加工省去刀具與模具的耗損,得以縮短開發時間、降低成本,而雷射加工也可應用於多種不同任務,具有相當大的使用彈性。從這些特點來看,「速度快、彈性高、成本低」,正好都是未來智慧製造所強調的主流趨勢。

和和機械總經理羅嘉宇。DIGITIMES攝

全球雷射市場規模持續成長

雷射科技歷經超過半世紀發展,早已與你我生活密不可分,例如較為人熟知的醫療美容、曾風靡一時的光碟機等,但事實上這項技術與台灣更應密不可分。

現今台灣半導體產業產值已達新台幣3兆以上的規模,居全球先進製程領先地位。當幾年前,許多業界人士懷疑更先進的5nm,甚至3nm製程真有可能達成嗎?後來,5nm晶片已經成功整合在行動裝置上。

業界分析,很大程度要歸因於全球領先的半導體設備公司艾斯摩爾(ASML)的獨創性,它開創了一種透過極紫外光(EUV) 微影的工藝,將電路圖案雕刻到矽晶圓的方法。而這項設備的關鍵模組,就是雷射。

雷射除了是半導體產業先進製程的關鍵,因應電動車在輕量化的加工需求,也有愈來愈多汽車製造商採用雷射焊接取代傳統點焊減輕重量,除此之外,雷射非接觸、低熱影響的特性是最有效的製程技術。終端需求噴發,帶動全球雷射市場規模持續成長。根據Strategies Unlimited研究顯示,雷射加工仍是雷射產業比重最大的應用市場,2020年在COVID-19(新冠肺炎)疫情下,全球雷射產值仍維持2.42%的溫和成長,預期至2025年產值上看258.6億美元。

隨著產業應用擴大,在智慧製造發展趨勢下,國內工業使用雷射製程逐年增加,惟可惜的是,過去這項技術長期仰賴進口設備,2020年台灣整體雷射設備進口值約新台幣220億元,卻是出口值的10倍之多,也因此更激發產業對國產化雷射設備的重視。尤其雷射設備朝向國產化發展,更將為台灣機械設備產業藉由提升產品附加價值,帶來龐大商機,包括傳統機械業也磨刀霍霍,而和和機械就是其一。

雷射加工潛力大 傳統機械業也搶進

創立於1979年的和和機械,以切管機生產製造起家,金屬圓鋸機及彎管機的產業規模已是亞洲第一,全球前三大。全球汽車座椅的管類加工,和和機械就獨佔七成市場,而台灣健身器材三雄也都是其客戶。雖然從事傳統機械業,但觀察業界對於精度與自動化需求愈來愈強烈,和和機械也開始關注雷射技術開發領域,在2007年就跨足雷射切管,更是全球第一家切入3D光纖雷射切管機的廠商。

羅嘉宇表示,事實上早在十幾年前,歐洲地區就開始以雷射技術來取代傳統沖壓、銑削方式, 並因此提高附加價值。曾經在一場德國展會現場親眼見證同行將一台雷射設備同時完成雕刻、切割、掃描、焊接等作業,雷射技術的應用潛力,更加堅定和和機械的開發決心。

這其中有許多顯而易見的理由,羅嘉宇進一步表示,像是傳統加工方法容易受到刀具、模具品質影響,包括維修保養、磨損狀況、更換頻率,甚至是上料固定的操作技術等,都左右著最終的加工結果,因此也較難以達到更精細與一致性的要求。而傳統加工方法可能需要透過某些特定的加工設備,生產過程中設備機台間的轉換,不僅難以維持精度的一致,同時也會造成時間成本增加。

但如果能改用雷射切割技術與設備來取代傳統機床,許多生產及管理上的問題便可迎刃而解。像是改用電腦控制雷射切割就不需要使用模具,非接觸式的加工型態也不需要刀具,而且只需一個機台就能完成所有切割、鑽孔等作業,加上自動化控制更可保持每一次切割的精準度,同時還能降低人工及廠房的成本。

這些雷射技術帶來的優點,讓和和機械早早就意識到這會是未來產業相當需要的技術,因此在2007年設立光電研發單位,投入雷射切割設備的相關技術研發,成為台灣機械業相對早期投入雷射技術發展的業者。

光與電的結合 雷射技術門檻高

但從原本的管件加工技術,跨越到性質差異甚大的雷射技術,中間要跨過不小的門檻,對設備業者來說,這項結合光電與機械的專業,門並不是這麼好進。尤其彼時台灣在雷射加工方面的資源相當缺乏,初期投入讓和和機械花了不少功夫,因此光是研發原型機,和和機械就足足花了四年的時間。

羅嘉宇解釋,雷射加工是利用光的能量經過透鏡聚焦後,在焦點上達到很高的能量密度,靠光熱效應來加工。三言兩語解釋完技術原理,但背後的技術開發過程卻一點都不簡單。前述提及, 一台雷射設備是能夠完成一次完成切割、鑽孔、焊接等作業的,而其中的關鍵就在於對雷射源的控制。

羅嘉宇進一步解釋,好比應用於量測,旨在接收目標物的反射光,因此在雷射加工頭就要把光打散降低熱能;而應用於切割,則是要把光熱集中在材料上以達到穿透的效果,又或者應用於焊接時,就要想辦法讓光熱聚集於材料表面使之融合。

因此羅嘉宇也笑說,開發雷射設備,「能夠順利發射雷射源,與控制好雷射源,事實上是兩回事。」可以想像研發過程中的關關難過,就好比和和機械當初為了理解雷射源的特性,也得像先將光路平台架設起來,設計各種實驗來測試雷射源在不同應用場景下的各種控制參數,更何況雷射技術本身也在迭代更新,這些往往加大整個研發過程的難度。

國產雷射設備初萌芽

因應5G/6G/車電等高頻通訊需求,針對其所使用的SiC或是高硬度載板,運用雷射切割可以對其進行超精微的加工,還可以使材料耗損減少約70%;而相較傳統加工配合模具開發至少要二至三個月,但雷射加工卻只要五分鐘,種種雷射加工體現的效益,產業預期,未來幾年主要的雷射技術也將會隨著5G、半導體、電動車等產業的發展而扮演更加重要的角色。

而羅嘉宇也看好,不只產業對高效製程有需求,雷射技術對應著不同加工應用推陳出新,例如從過去的二氧化碳雷射進展到光纖雷射,也會反過來成為驅使產業升級的一大推動力,「近年確實看到不少客戶都在慢慢轉型」,羅嘉宇說。當需求與技術同步成長,將會為雷射產業帶來高速成長的機會。

不過值得注意的是,儘管雷射市場潛力大,但根據經濟部數據顯示,台灣每年進口雷射相關設備超過200億元,其中雷射源就佔3成,而雷射源正是雷射加工設備當中最主要的關鍵模組。儘管近年台灣積極推動國產自主雷射源,逐漸累積基礎實力,但距離領先的美國、德國、日本大廠,仍有一段路要走。羅嘉宇則認為,一旦雷射源技術無法自主,設備商不僅難培養系統整合能力,甚至也會進一步弱化創新應用能力,因此產業鏈上下游從雷射源、雷射加工頭關鍵零組件到設備,甚至終端產業,都應全面投入發展,進而培養自主技術能力,如此才能為台灣優勢產業創造更強的競爭力。

雷射加工高精度、高速度潛力,正從半導體到電動車產業中扮演更重要的角色。Estimet

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