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技術通報 287期_多區模溫模調控應用之研究 協助橡塑膠產業節能 2022.06.24

  多區模溫模調控應用之研究
協助橡塑膠產業節能		  
  文／智慧化設備發展處 黃崧原  
  　　在射出成型中，成型品的結構設計，例如：含有結構、曲面、肉厚不均等，對成型品的影響極大。因為成型品的厚度有變化，在不同厚度的斷面收縮量皆不相同，會於模具內產生多個積熱區，導致產品在冷卻時容易造成收縮不均勻，進而讓成型品產生形變、翹曲甚至破損，最終影響成型品的尺寸精度與表面品質。因此在射出成型時，若有不同厚度出現，通常會盡可能將產品斷面厚度設計成相同的肉厚，主要原因是希望能夠避免塑膠材料收縮不均勻造成的成型品表面凹陷、成型品的尺寸精度不佳和功能不正常，因此藉由模具溫度與流量的控制，達到對非均一肉厚成型品精度之控制。因應塑橡膠成形產業製程塑料之成形之溫度控制需求，以及中上游塑橡膠設備、輔機製造業者之關鍵零組件技術亟需提升，投入微波輔助乾燥機構分析設計技術關鍵零組件研發，並開發微波輔助乾燥技術，取代傳統使用電熱棒、蒸氣等技術，與傳統冷熱製程比較，能提升能源使用效率與縮短生產週期。  
  ▋ 多區模溫調控應用於晶圓盒生產之品質控制介紹  
 
　　塑橡膠成形產品外型複雜，加上高階製程（纖維材、複合材、醫療用PEEK、PP、POM）應用也越來越多，使製程均溫控制與高模溫需求逐漸被重視，而晶圓盒之構型複雜，同時包含結構、曲面與不同肉厚之設計（如圖一），因此存在多區積熱問題，而改善方式除了水路設計外，模溫機就更是關鍵存在，模溫機為射出成形製程普遍使用的輔機設備，傳統模溫機有著佔地空間大、加熱形式電熱轉換效率差、流量不可調等，因此本計畫投入多區模溫控制技術以解決產業對於模具溫控上的模面均溫（預計 < 5° C）、流量調控與佔地等問題（如圖二）。
  
 
   
 
  ▋ 實驗建置  
  　　為驗證多區模溫調控設備與傳統模溫機之各項性能比較，本實驗主要係將模溫機、模具與射出成形機（150 噸）整合，並進行射出測試，使用PC 材料射出測試，其參數設定為加熱120℃、冷卻40℃，進行自動射出程序。利用熱像儀確認模面均溫與利用功率計量測傳統模溫機（實驗之對照組）與多區模溫加熱設備（實驗組）之能源使用率。透過熱像儀量測，可得知模具於表面均溫為2.6℃。並於手動射出步驟完成後，進行30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，並於自動生產30模後確認模具表面與水路及模溫機各接口狀況，皆無鬆脫與漏水現象。  
 
 

 
 
  　　以功率計對模溫設備進行功率紀錄（加熱器輸入累積能耗），進行計算。測得當加熱機構溫度由25℃提升至120℃時升溫段與恆溫段恆累計20min 總功，加熱機構輸入累積能耗4.22kWh，流體累積輸出熱功3.06kWh， 由η= 輸出熱能(Q)/ 輸入電能(W)，得平均熱效率為72.51%，其實驗結果如圖五所示。  
 
   
 
  　　對照組（傳統水路模具與電阻式模溫機）與實驗組（多區異型水路模具與多區模溫加熱設備）進行比較，分別進行100 次模次射出，並以功率計與計時器紀錄能耗與時間。其對照組生產時間為50 分，累計能耗約為13.34kWh，約0.13kWh/ 個。實驗組100 模次生產，生產時間為23 分45 秒，累計能耗為6.24kWh，約0.06kWh/ 個。實驗組與對照組之比較，能耗節約53.2%。實驗結果如圖六。  
  ▋ 結果與討論  
   
 
  產品品質測試結果如圖七所示，晶圓盒射出製程採用多區模溫加熱設備，可以有效提高晶圓盒之表面光澤度，以及消除產品表面之流痕。  
 
   
 
  ▋ 結論  
  多區模溫調控設備之溫度控制範圍25~120℃，於連續生產狀態下，較傳統射出製程產品溫度均勻改善約48.6%（5℃降至2.57℃）、冷熱時間縮短約52.3%（30 秒降至14.3 秒）、節能比例約53.2%（產品平均能耗0.13kWh/ 個降至0.06kWh/ 個），能有效降低生產週期與能源使用率，提升產品品質，為塑橡膠製造業者提供一個新選擇。  
  ▋ 謝誌  
  本研究計畫承蒙經濟部能源局提供經費補助（計畫編號110-E0204），特此致謝。  
  ▋ 資料來源  
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