■ 財團法人精密機械研究發展中心 

智慧化設備發展處 / 黃崧原 & 周明慶

前言

塑料反復加熱射出至模具后冷卻固化，此為橡塑膠成型主要生產模式，然而隨著產業對于產品的功能性與質量需求越來越高，許多業者開始針對橡塑膠成型進行制程的加熱與冷卻設備評估，期望透過高溫制程能夠提升成型能力與改善質量，并縮短產品周期。

綜觀現今的加熱方式，感應加熱具有升溫迅速、熱量集中于模具、能源消耗少、能源使用效率高……等優點，但冷卻方面卻受限于熱交換器性能需額外設置冷水機進而增加設備成本與維護成本，因此財團法人精密機械研究發展中心(PMC)投入能耗占比最高的冷熱制程技術項目進行開發，聚焦變模溫制程，投入變模溫調控技術，產出變模溫設備，整合改良型殼板式熱交換器與感應加熱器，并將冷卻機構、加熱機構、流體切換機構整合至動態模溫機內部，可有效簡化管路設計、減少占地空間，預期可縮短模具成型周期，提升加熱與冷卻效率，提升外圍輔機加熱機構之熱轉換效率。

變模溫加熱設備機構構型樣態

本文聚焦于橡塑膠射出成型機之加熱應用，探討加熱結構特性分析。在有規格限制的主機與構型匹配下，設計加熱結構樣式，達到加熱效率最佳的規格目標。以100~200噸射出成型機可使用的規格與結構設計為例，為了獲得良好的溫度分布，分別考量如下設計：

• 「面積增大型」，將加熱區域劃分為疊片狀，使加熱結構內的水接觸到的加熱面積提升。

• 「路徑延長型」，加熱區域做蜿蜒狀，讓流體在結構內盡可能流過較長加熱路徑，如圖1所示。

冷熱交換結構制作與組裝

動態模溫設備測試

實驗架設如下所述：

1. 動態模溫設備：本實驗針對本計劃所研發之多區模溫設備，進行查核點實驗，主要系驗證先前計劃所設計多層板的感應加熱結構，分析結果是否正確，以及安裝于多區模溫設備上時，是否可確實提供150℃以上之熱水，以及60L/min之流量輸出。

2. 紅外線熱像儀與個人計算機：透過紅外線熱像儀進行模具表面各點溫度量測，并透過個人計算機記錄量測期間內之數據，方便進行數據調閱作業。

3. 計時設備：為得知各項指標達成所需時間，此實驗設置之計時設備為紅外線熱像儀計時時間，并輔以手持式行動裝置開啟秒表功能計時及功率計量測溫升溫降期間內之耗能與時間作為記錄。

實驗結果如下所述：

1. 此實驗必須確保可得到準確的溫度反饋，因此將K-Type溫度傳感器安裝于出水口位置，如圖6所示，主要目的系測試當加熱器啟動時，可從K行傳感器測反饋實時溫度，并計算室溫25℃之溫度到達150℃所需花費的時間。

2. 透過人機界面設定所需加熱之溫度150℃，開啟加熱器后，出水口當前溫度將顯示于人機界面上，并透過計時器進行加熱時間的記錄，經實驗測試后發現，加熱器花費約150秒的時間即可達150℃。此外，從圖6可發現加熱趨勢接近穩態，符合規格設計。

3. 實驗完成后，其加熱時間于60秒時已接近100℃，于180秒之后，接近穩態150℃之溫度，優于傳統電阻式加熱方式。顯示本開發之加熱設備其加熱設備具有高度穩定性。

4. 透過升溫曲線可知升溫初期溫度有明顯上升，接近目標溫度時升溫速率逐漸放緩。

5. 藉由降溫曲線，降溫初期迅速，接近目標溫度時降溫速率逐漸放緩。

實驗架設與結果：

1. 為確保流量傳感器所反饋之數值正確性，因此本實驗將機械式流量傳感器安裝于循環泵出水口位置，確保進出水的正確流量數值，如圖7所示。并將實時偵測到的流量，經由人機界面設定后顯示于視窗上。

2. 完成水路連接之后，隨即開始流體進行測試。此實驗目的主要測試馬達全速運轉下的最大流量，流量由0LPM開始測試，以全功率狀態輸出（馬達轉3400rpm），實驗結果顯示最大流量為60~61LPM。由圖7得知，全狀態輸狀態下，約4秒即可達最大流量，符合設計規范。

完成動態模溫設備與模具整合上線測試。本實驗主要系將模溫機、模具與射出成型機（150噸）整合連結，并進行以下測試。

• 運轉測試：整合完成后，進行機臺基本運轉測試，包括模溫機冷熱水輸送測試，確保運轉正常。

• 射出測試：進行射出機運轉測試，測試PC材料射出測試，其參數設定為加熱150℃、冷卻40℃，進行手動射出與自動射出程序，確認各機狀況與模具溫度狀況，確保后續節能比例與制程時間縮短實驗順暢。

由圖8可得知模溫機與模具已完全整合于射出成型機上進行試運轉。并于手動射出步驟完成后，進行100模次自動射出程序，模擬產線連續運轉下個設備運行與動作之流暢度，并于自動生產100模后確認模具表面與水路及模溫機各接口狀況，皆無松脫與漏水現象。

加熱效率測試：

能耗測試：

本實驗將進行能耗測試，其實驗分為對照組（定模溫機與水冷機）與實驗組（動態模溫設備）進行比較，分別進行100次模次射出，并以功率計與計時器記錄能耗與時間。其對照組生產時間為70分，累計能耗約為16.799kWh，實驗組100模次生產，生產時間為50分，累計能耗為12.727Wh，實驗組與對照組之比較，能耗節約24.2%。實驗結果如圖10。

并可看出傳統冷熱制程因冷熱媒體之管路連接復雜，能量損失高，鏡片易有光澤度不佳、產生留痕等問題，而動態模溫機因加熱與冷卻機構二機一體，且內建切換閥組，可有效縮短冷熱媒至模具的距離，有效減少能量損失，可有效消除因模溫損失所產生之缺陷。

結果與討論

本研究依據射出成型產品的加熱冷卻需求，產出動態模溫設備。經過上述研究之后，本文可歸納下列結論：

• 采用改良型殼版式熱交換器可提升冷卻性能，并與水冷機進行比較，可節省設備成本。

• 動態模溫設備應用于3C產品之快速熱制程，模具升降溫時間比較傳統方式可縮短28.6%。

謝志

資料來源

[1]. 王祥安，“料管感應加熱線圈分析設計技術報告”，能專計劃成果資料，財團法人精密機械研究發展中心，民國104年。

[2]. 陳秋君，“含加熱系統模具模溫之模擬與驗證”，私立中原大學機械工程研究所，碩士論文，2001。

[3]. Guilong Wang, ”Research of thermal response simulation and mold structure optimization for rapid heat cycle molding processes, respectively with steam heating and electrical heating.” , MATERIAL AND DESIGN, 2010.

[4]. 彭信舒，“射出成型模具表面瞬間加熱建置與分析之研究”，博士論文，中原大學機械工程研究所，民國91年。

[5]. Davies E.J. and Simpson P.G.., “Induction Heating Handbook”, Mcgraw-Hill Book company Ltd., London(1995)

此文章摘錄自ACMT- SmartMolding雜志-(2023/5月刊)

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