成功大學智慧製造研究中心主任鄭芳田

工業4.1 實踐品質零缺陷願景

採訪/施鑫澤 文/林裕洋 刊期/2019.6

市面上工業4.0 相關技術,均放在強調要提升生產效率,卻忽略提高產品良率的重要性。而成功大學智慧製造研究中心的工業4.1,則是全球唯一能實踐產品品質接近零缺陷的解決方案。

成功大學智慧製造研究中心主任鄭芳田指出,在全球化競爭的時代,製造業透過資通技術和虛實整合系統,提升生產效率和提高產品良率,已是全球企業共同追求的目標,也是成功大學設立智慧製造研究中心的目的。

在行動裝置出貨量持續攀高、連網裝置數量快速增加,帶動全球半導體產業的蓬勃發展,根據工研院日前公布研究報告指出,美國以領先者角色維持霸主地位,且市占率達40%以上。而在記憶體價格快速滑落下,台灣有機會超越韓國,重返全球第2名地位,市占率達到20%。至於晶圓代工產值則台灣排名第一,市占率約達70%;台灣IC封測產值亦是排名第一,市占率約50%。

台灣產業能在競爭激烈的半導體產業中脫穎而出,除企業本身專注於技術研發之外,也積極透過產學合作方式強化研發能量。以日月光導入半導體Bumping 製程為例,即是成功大學智慧製造研究中心(iMRC)在背後扮演幕後功臣的角色,使日月光能夠持續坐穩IC封測全球第一名的龍頭寶座。

成功大學智慧製造研究中心主任鄭芳田指出,在全球化競爭的時代,製造業透過資通訊技術和虛實整合系統,提升生產效率和提高產品良率,已是全球企業共同追求的目標,也是成功大學設立智慧製造研究中心的目的。除日月光之外,我們亦參與群創光電的面板、漢翔航空工業的發動機機匣、發得科技的汽車鋁輪圈加工自動化、銓寶工業的PET吹瓶機、…等等的智慧製造導入計畫,期盼強化台灣製造業在國際舞台的競爭力。

工業4.1獨步全球 產品接近零缺陷

為維持在全球製造業的龍頭地位,2013年德國政府推動工業4.0的政策,全力協助中小企業運用資通訊科技改善體質,提升整體生產效率。此政策一出,引進世界各國爭相仿效。為配合行政院推動的智慧機械產業推動方案,並結合教育部高等教育深耕計畫,與整合跨校和跨領域的研究能量,國立成功大學於2018年初成立智慧製造研究中心(iMRC),且由製造資訊與系統研究所鄭芳田講座教授擔任中心主任,其主要目標為協助國內各式產業實現工業4.1,即產品接近零缺陷(Zero Defects)的目標。

鄭芳田表示,目前世界各國所提出與工業4.0相關之技術,均放在強調要提升生產效率,卻忽略提高產品良率的重要性,這代表僅能將產品品質接近零缺陷做為願景,卻無法做到真正接近零缺陷之境界。個中關鍵,在於無論產業或學界,均缺乏具經濟實惠特性的線上且即時的全檢技術;而我們團隊研發的全自動虛擬量測(AVM)技術,就可達成所有生產產品全檢的目標。至於經由全檢程序被剔除的瑕疵品,亦可用智慧良率管理(IYM)系統內的關鍵參數搜尋演算法(KSA)找出其所產生缺陷的主要原因,進而能根本解決良率不佳的問題且持續改善,使所有生產產品接近零缺陷的境界。

獨創全自動虛擬量測技術 助各式產業提升產品品質

不同於其他國家推動的工業4.0,成功大學智慧製造研究中心則運用物聯網、虛實整合系統(CPS)、巨量資料分析、和雲端運算等技術所構成的工業 4.0平台,再加上鄭芳田教授團隊所發明的全自動虛擬量測(AVM)、智慧型預測保養(IPM)、和智慧型良率管理(IYM)等技術,就能做到產品接近零缺陷之境界,此境界就是鄭芳田教授所定義的「工業4.1」。

高科技產業是支撐台灣經濟發展的重要支柱之一,各家廠商在投入先進技術研發之外,亦得擴大量產規模,因產能越大越具生產效益,才能維持在市場上的競爭優勢。而最佳運作情境,自然是生產設備保持每天 24 小時不間斷地正常運轉,且維持高產品良率。

然而若要達成高產品良率,就必須在生產過程中對所有半成品及成品進行全檢。只是市面上的傳統全檢機制,必須購置大量的量測機台,且得耗費大量生產時間,以至於現今業界在考量工時和成本等多重因素,絕大多數都是採取以抽檢的方式來進行品質監測,但此舉並無法達到全方位品管的目標。

「我們推出的全自動虛擬量測技術,可應用在如半導體、面板、或太陽能等高科技產業,和在航太、汽機車、工具機、吹瓶機、碳纖等傳統產業中,當產品無法進行實際量測時,即可利用生產機台參數,推估剛生產完的產品品質,以進行線上且即時的產品品質預測,進而達到生產線全檢的效果。」鄭芳田指出:「在另一方面,該技術不僅能有效監控產品品質,也能即時發現生產機台是否有異常,避免發生重大損失。」

鄭芳田教授已於2016年在IEEE國際期刊發表工業4.1的概念,且受邀在2017 IEEE International Conf. on Automation Science and Engineering( C A S E 2 0 1 7 )擔任大會之Plenary Speaker,其演講議題即為「Applying AVM & AMCoT for Industry 4.1」,由此可見國際學術界對AVM、先進製造物聯雲(AMCoT)、和工業 4.1概念的重視與讚賞。

整合四大子中心 共同實現智慧製造

為協助台灣製造業達成此目標,智慧製造研究中心規劃5年全程技術時程,其中前3年為「系統開發」階段,而後2年則為「應用推廣」階段。在系統開發階段,第1年總計畫將主導並協同四個子中心:“E化製造研究(E化)中心、性能與品質之穩健最佳化(RO)中心、3D金屬積層製造(AM)中心、與智能巨資整合方案(IBDI)中心”共同實現智慧製造系統之單機智慧功能。

至於第二年則是基於前期成果,建構先進製造物聯雲平台(AMCoT),並透過資通訊技術將產線上之機台設備彼此串連,使企業可以監控生產過程中的每一個環節,並瞭解當下產品品質與機台狀態,藉此完成智慧製造系統之整線智慧功能。在第三年則應用雲端運算技術把前期研究成果雲端服務化,使得企業可透過網路訂閱雲端平台上的各式智慧製造服務,即時掌控工廠內所有生產資訊,達到智慧製造系統之整廠智慧功能。

「進入應用推廣階段後,第四年將協同產業鏈結夥伴共同規劃與建置示範場域,企業將提供實際廠內之生產環境與生產資訊,來進行智慧製造系統之實際上線測試與試煉。」鄭芳田指出:「第五年,智慧製造研究中心也將用過去四年所累積的研發能量與經驗,配合產業進行業界整廠整線之輸出,進而建置智慧製造之生態系,達成產品接近零缺陷即工業4.1之願景,並成立研究服務公司(RSC)以永續經營。」

整合成大研究成果 E化製造研究中心立大功

誠如前述,智慧製造研究中心總計畫主要負責協調E化中心、RO中心、AM中心、與IBDI中心等之間的分工合作,即由各子中心提供關鍵實現技術,共同完成智慧製造系統之實作,俾便能將智慧製造系統導入台灣各式製造業,並建置智慧製造之生態系,以及實踐產品接近零缺陷即工業4.1之願景。不僅如此,該雲端版智慧製造系統亦會推出能讓使用者或外部系統,透過網路隨需(On Demand)訂閱智慧雲端服務,如此將可以創造新的營運模式,讓智慧製造系統服務範疇得以更完善。

在前述四大子中心中,又以E化中心成立時間最早,其多年來極力結合產、官、學、研各界之力,致力推動與E化製造相關之研究及產學合作。除延攬E化製造領域內的研究長才,針對各項相關技術進行精進、創新研發之外,也非常注重與業界之合作關係,以便能了解台灣產業在技術面所遭遇之困難。成立此單位的初衷,是希望透過產學合作之方式,以創新之技術降低台灣產業生產成本,協助產業解決問題;並且針對重點技術進行研發與推廣,加強產業之全球競爭力,使台灣成為國際快速生產、研發與製造的中心,進而促進國家整體競爭力。

鄭芳田指出,早在智慧製造研究中心成立之前,成功大學就已經設立E化製造研究中心,整合校內與E化製造相關之資訊、技術與研究成果,為台灣企業提供與E化製造相關的技術支援與服務,協助台灣產業能夠在國際市場取得競爭優勢。其實,我們投入E化製造領域的時間點比德國喊出的工業4.0還早,多年來已累積相當豐碩的成果。

攜手中華電信 打造智慧製造雲

為協助台灣製造業投入工業4.0、數位化轉型,中華電信攜手鄭芳田所領導的成大智慧製造研究中心與先知科技、智能服務,合組「智慧製造方案戰略聯盟」,建置智慧工廠自動化(iFA)解決方案平台「智慧製造雲」。

鄭芳田表示,結合中華電信應用寬頻網路、雲端平台、資安、大數據、物聯網等專長建置「智慧製造雲」平台,國內製造業客戶僅須付月租費而不需自行建置本地端系統,除能節省建構成本,更可確保資料安全。其中便是以研究中心團隊所研發之旗艦型智慧機上盒(CPA)及先進製造物聯雲平台(AMCoT),將智慧運用模組匯整成雲端智慧製造服務,提供包括全自動虛擬量測(AVM)、智慧型預測保養(IPM)、智慧型良率管理(IYM)與刀具磨耗壽命管理(TLM)等功能模組;並由先知科技和智能服務負責推廣、行銷、導入各行各業。

其中,智能服務的母公司遠東機械為國內工具機製造大廠,應用其豐富的製造業合作經驗,提供客戶工廠欲導入工業4.1的客製化需求分析,快速完成智慧工廠自動化(iFA)系統的導入。

鄭芳田強調,「智慧製造雲」未來將可協助各式產業提供機台與生產線的各項智慧能力、提高產品產能與良率、減少機台未預期的失效與保養成本,達成產品接近零缺陷之所謂工業4.1的境界,進而提升企業競爭力與獲益能力。

工業4.1揚名漢諾威 助台灣產業接軌國際

成大智慧製造研究中心主任鄭芳田教授亦在全球最大的“2019年德國漢諾威工業展”中展出智慧製造雲端服務系統之工業4.1方案,展現成大學術與產業結合的能量與實力。