节能新方案！橡塑胶产业必看！

■ 财团法人精密机械研究发展中心 

智慧化设备发展处 / 黄崧原 & 周明庆

前言

塑料反复加热射出至模具后冷却固化，此为橡塑胶成型主要生产模式，然而随着产业对于产品的功能性与质量需求越来越高，许多业者开始针对橡塑胶成型进行制程的加热与冷却设备评估，期望透过高温制程能够提升成型能力与改善质量，并缩短产品周期。

综观现今的加热方式，感应加热具有升温迅速、热量集中于模具、能源消耗少、能源使用效率高……等优点，但冷却方面却受限于热交换器性能需额外设置冷水机进而增加设备成本与维护成本，因此财团法人精密机械研究发展中心(PMC)投入能耗占比最高的冷热制程技术项目进行开发，聚焦变模温制程，投入变模温调控技术，产出变模温设备，整合改良型壳板式热交换器与感应加热器，并将冷却机构、加热机构、流体切换机构整合至动态模温机内部，可有效简化管路设计、减少占地空间，预期可缩短模具成型周期，提升加热与冷却效率，提升外围辅机加热机构之热转换效率。

变模温加热设备机构构型样态

本文聚焦于橡塑胶射出成型机之加热应用，探讨加热结构特性分析。在有规格限制的主机与构型匹配下，设计加热结构样式，达到加热效率最佳的规格目标。以100~200吨射出成型机可使用的规格与结构设计为例，为了获得良好的温度分布，分别考量如下设计：

• 「面积增大型」，将加热区域划分为叠片状，使加热结构内的水接触到的加热面积提升。

• 「路径延长型」，加热区域做蜿蜒状，让流体在结构内尽可能流过较长加热路径，如图1所示。

冷热交换结构制作与组装

动态模温设备测试

实验架设如下所述：

1. 动态模温设备：本实验针对本计划所研发之多区模温设备，进行查核点实验，主要系验证先前计划所设计多层板的感应加热结构，分析结果是否正确，以及安装于多区模温设备上时，是否可确实提供150℃以上之热水，以及60L/min之流量输出。

2. 红外线热像仪与个人计算机：透过红外线热像仪进行模具表面各点温度量测，并透过个人计算机记录量测期间内之数据，方便进行数据调阅作业。

3. 计时设备：为得知各项指标达成所需时间，此实验设置之计时设备为红外线热像仪计时时间，并辅以手持式行动装置开启秒表功能计时及功率计量测温升温降期间内之耗能与时间作为记录。

实验结果如下所述：

1. 此实验必须确保可得到准确的温度反馈，因此将K-Type温度传感器安装于出水口位置，如图6所示，主要目的系测试当加热器启动时，可从K行传感器测反馈实时温度，并计算室温25℃之温度到达150℃所需花费的时间。

2. 透过人机界面设定所需加热之温度150℃，开启加热器后，出水口当前温度将显示于人机界面上，并透过计时器进行加热时间的记录，经实验测试后发现，加热器花费约150秒的时间即可达150℃。此外，从图6可发现加热趋势接近稳态，符合规格设计。

3. 实验完成后，其加热时间于60秒时已接近100℃，于180秒之后，接近稳态150℃之温度，优于传统电阻式加热方式。显示本开发之加热设备其加热设备具有高度稳定性。

4. 透过升温曲线可知升温初期温度有明显上升，接近目标温度时升温速率逐渐放缓。

5. 藉由降温曲线，降温初期迅速，接近目标温度时降温速率逐渐放缓。

实验架设与结果：

1. 为确保流量传感器所反馈之数值正确性，因此本实验将机械式流量传感器安装于循环泵出水口位置，确保进出水的正确流量数值，如图7所示。并将实时侦测到的流量，经由人机界面设定后显示于视窗上。

2. 完成水路连接之后，随即开始流体进行测试。此实验目的主要测试马达全速运转下的最大流量，流量由0LPM开始测试，以全功率状态输出（马达转3400rpm），实验结果显示最大流量为60~61LPM。由图7得知，全状态输状态下，约4秒即可达最大流量，符合设计规范。

完成动态模温设备与模具整合上线测试。本实验主要系将模温机、模具与射出成型机（150吨）整合连结，并进行以下测试。

• 运转测试：整合完成后，进行机台基本运转测试，包括模温机冷热水输送测试，确保运转正常。

• 射出测试：进行射出机运转测试，测试PC材料射出测试，其参数设定为加热150℃、冷却40℃，进行手动射出与自动射出程序，确认各机状况与模具温度状况，确保后续节能比例与制程时间缩短实验顺畅。

由图8可得知模温机与模具已完全整合于射出成型机上进行试运转。并于手动射出步骤完成后，进行100模次自动射出程序，模拟产线连续运转下个设备运行与动作之流畅度，并于自动生产100模后确认模具表面与水路及模温机各接口状况，皆无松脱与漏水现象。

加热效率测试：

能耗测试：

本实验将进行能耗测试，其实验分为对照组（定模温机与水冷机）与实验组（动态模温设备）进行比较，分别进行100次模次射出，并以功率计与计时器记录能耗与时间。其对照组生产时间为70分，累计能耗约为16.799kWh，实验组100模次生产，生产时间为50分，累计能耗为12.727Wh，实验组与对照组之比较，能耗节约24.2%。实验结果如图10。

并可看出传统冷热制程因冷热媒体之管路连接复杂，能量损失高，镜片易有光泽度不佳、产生留痕等问题，而动态模温机因加热与冷却机构二机一体，且内建切换阀组，可有效缩短冷热媒至模具的距离，有效减少能量损失，可有效消除因模温损失所产生之缺陷。

结果与讨论

本研究依据射出成型产品的加热冷却需求，产出动态模温设备。经过上述研究之后，本文可归纳下列结论：

• 采用改良型壳版式热交换器可提升冷却性能，并与水冷机进行比较，可节省设备成本。

• 动态模温设备应用于3C产品之快速热制程，模具升降温时间比较传统方式可缩短28.6%。

谢志

资料来源

[1]. 王祥安，“料管感应加热线圈分析设计技术报告”，能专计划成果资料，财团法人精密机械研究发展中心，民国104年。

[2]. 陈秋君，“含加热系统模具模温之模拟与验证”，私立中原大学机械工程研究所，硕士论文，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间加热建置与分析之研究”，博士论文，中原大学机械工程研究所，民国91年。

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

此文章摘录自ACMT- SmartMolding杂志-(2023/5月刊)

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