【308技術趨勢】_01_自適型流量控制模組:工具機與成形產業的節能與智慧化新契機 2025.10.29
工具機與成形產業的節能與智慧化新契機
自適型流量控制模組
文/系統應用部 范耀仁
▋ 一、 前言:節能壓力下的工具機挑戰
在全球製造業邁向「碳中和」與「智慧化」的浪潮中，工具機與塑橡膠成形產業正面臨雙重壓力：
能源效率與
產品品質。以射出成形為例，加熱與冷卻製程佔據了總能耗的七成以上，其中模溫機與冷水機是主要的耗能來源。傳統模溫機透過加熱或冷卻流體，再將其導入模具水路來達到升溫或降溫目的。然而，這種方法存在兩大問題：
圖一、單流道與多流道之模具均溫性比較示意圖
- 定流量供應，能源浪費嚴重
無論模具大小與需求，模溫機往往以固定流量輸出，導致冷熱媒體過度供應。能源使用效率偏低，部分能量直接流失在管路或環境中。
- 模具均溫性不足，產品瑕疵風險高
傳統水路設計常是單進單出，流體在流經過程中溫度逐漸下降，造成模具不同區域溫差大於 ±5 ℃。這會導致產品出現白紋、短射、纖維外露等問題，特別在光學製品與高精度零件中影響更為嚴重(如圖一)。
歐美與日本的先進廠商（如 ENGEL、JSW）已推出「動態模溫控制」與「快速加熱冷卻」系統，並能結合 AI 演算法來最佳化能源分配。然而，這些設備動輒比傳統系統貴5到10倍，使得台灣產業難以全面導入。
因此，開發成本較低、可直接掛載於既有設備的「自適型流量控制模組」便成為了我國產業的突破口。這項技術來自精密機械研究發展中心的研發計畫，目標是為台灣成形與工具機產業提供自主掌握的節能方案。
▋ 二、 技術核心：自適型流量控制模組
- 模組概念
精機中心開發之「自適型流量控制模組」(如圖二)本質上是一個可即時偵測與調控的冷熱媒供應系統。它結合溫度、壓力與流量感測器，搭配控制演算法，能自動調整每一條模具水路的流量，使模具各區域溫度維持在設定範圍內。模組設計可支援 6~9 組水路，控制範圍在 40~180 ℃，流量誤差可壓低到 0.02~0.6 LPM，具備相當高的控制精度(如圖三)。
圖二、自適型流量控制模組
圖三、自適型流量控制模組架構
- 與傳統方式比較
傳統設備往往需要操作員依靠經驗，需要透過手動閥調整流量。每次換模後都必須重新調整，既耗時又無法保證精度。相較之下，自適型模組能自動演算，即時修正流量分配，不僅省去人工誤差，也縮短了調機時間。
- 效能成果
根據精機中心內部實測，其節能效果顯著：
- 冷卻節能:約20%
- 加熱節能:約45%
- 成形週期縮短:可達50%~55%
- 這代表著應用自適型流量控制模組可使生產效率提升，能源成本下降，並可間接減少碳排放。
▋ 三、 技術原理與方法
- MRAC 自適應控制演算法
目前業界多數模溫控制仍採用 PID（比例-積分-微分）控制。PID 適合固定條件下的製程，但若模具更換、外部環境變動或流體阻塞，就需要重新調整參數，穩定性有限。自適型模組則導入下圖四 MRAC（Model Reference Adaptive Control，自適應控制）。它透過模型參照的方式，能動態修正控制參數，即使模具流道設計或加工材料不同，仍可在20~73秒內收斂到 ±3 ℃的均溫範圍，遠優於 PID 的 34~141 秒與 ±5 ℃ 誤差。PID演算法控制較適用於固定模具射出製程，若變換模具，或目標溫度不同，則參數需重新測試調整。MRAC演算法為多組同時控制，同時可個別控制9組，不同目標溫度與材質情況下，不論是均溫性或收斂時間皆可符合設定目標。
圖四、透過MRAC控制，可於66秒內收斂模具溫度
- 介電加熱：提升加熱效率
除了流量調控，模組還結合瞬熱式介電加熱器，其原理是利用高頻電源在高導磁材料中產生「集膚效應」，使電流集中在材料表層，進而快速加熱流體。這種方式比傳統電熱管或導熱油加熱更有效率。熱能直接作用於流體，能減少損失，若使用於射出製程中，使用電介質加熱技術可使週期縮短30~50%。
- 數值模擬與機器學習
傳統開發新模溫設備多依賴試誤法（try & error）。但本計畫透過COMSOL Multiphysics 熱流模擬與機器學習演算法，提前模擬不同模具鋼材（如 M333、M340、M390）的導熱差異，建立設計準則，未來應用於業界可大幅縮短開發週期，也可降低學習試誤的成本。
本模組使用了MRAC自適應演算法進行多流道流量智能調控，並結合溫度偵測迴路，可於溫差40~180℃的範圍內實現智慧化調節溫控，使後端冷熱溫升標的可達到設定的均溫效果。
▋ 四、 產業應用範圍
- 塑膠產業
光學製品、碳纖維複合材料與回收再生塑料，對模溫控制敏感度極高。若模溫不均，容易出現白紋、短射或纖維外露等缺陷。自適型模組能將模具溫差壓縮到 ±3 ℃，有效提升產品良率，尤其適合光學透鏡、車用內飾件與高強度複合材料。
- 工具機產業
工具機本體亦需要冷卻管理，例如旋轉工作台、主軸與線性馬達平台。傳統冷卻方式常為固定流量，導致局部過熱或冷卻不足。若引入自適型流量控制模組，可針對不同部位進行差異化冷卻，不僅提升精度，還能延長主軸與軸承壽命。
- 金屬成形與壓鑄
壓鑄模具需快速冷卻，但傳統水路流量不可控，導致模具局部應力集中與壽命縮短。若能結合自適型模組即時調整流量，將能有效降低模具疲勞，並提升產品穩定性。
- 能源與永續價值
節能效益直接轉化為碳排放減量。以一間月產10萬件汽車零件的射出工廠為例，若每件產品能節省20秒製程時間，年產可省下上百萬度電，相當於數百公噸二氧化碳減排，若能於我國為數眾多的射出成型工廠導入此技術，對於實踐我國2050淨零政策具有高度可行性與實用價值。
▋ 五、 國際案例比較
- ENGEL（奧地利）
該公司推出的「e-temp 智慧模溫控制系統」能與射出機整合，並透過 AI 自動調整流量，但其系統多綁定自家機台，使用範圍受限。
- JSW（日本）
具備高精度模溫機與冷卻方案，廣泛應用於車用零件與醫療製品。其控制精度可達 ±2 ℃，屬於專案型解決方案。
- 台灣自主技術優勢
- 產品模組化:可掛載於既有模溫機與冷水機，不需全面更換設備。
- 使用成本低:僅需部分硬體升級，成本約為進口高階系統的1/3以下。
- 應用彈性高:可應用於射出成形、壓鑄、工具機冷卻等多領域。
▋ 六、 未來展望
- 與 AI 製程監控結合
未來將可以透過AI機能預測加工溫度之變化，配合自適型流量控制模組自動調整流量，即可達到「智慧模具」的效果。
- 與 IoT/OPC UA 平台整合
自適型模組若能與工廠建置之MES/ERP系統連線，就能提供即時能耗數據，成為智慧工廠能源管理的重要環節。
- 跨產業應用
除了內文所提及之塑橡膠產業與工具機產業，本模組亦可導入食品機械（如乾燥機）獨立控制、電子設備（如半導體冷卻）均溫方案，未來更可能與智慧節能系統搭配，成為產業普及的解決方案。
▋ 七、 結論
自適型流量控制模組結合了
MRAC自適應演算法、瞬熱式介電加熱技術與數值模擬方法，成功改善了傳統冷熱媒控制的三大問題：能源浪費、均溫不足與人工調整的低效能。對於塑橡膠產業，它能有效提升產品良率並降低能耗；對工具機產業，它提供了一種嶄新的冷卻與熱管理方式；對金屬成形產業，它能延長模具壽命並縮短週期。更重要的是，它以模組化設計降低導入成本，讓中小企業也能快速跟上國際趨勢。 但對於業界專業人士而言，這項技術帶來的不僅僅是模組應用的場域而已，其對我們的啟發是相當明確的：
- 傳統熱管理方式仍有巨大改進空間
- 模組化、自動化、智慧化是未來主流
- 節能與碳排不只是政策要求，更是競爭力來源應用彈性高
在邁向智慧製造與淨零碳排的道路上，自適型流量控制模組將是工具機與成形產業不可忽視的新武器，值得我國產業應用與投入。