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技術通報 288期_模具與料管感應加熱應用 協助塑橡膠產業節能 2022.07.05

  協助塑橡膠產業節能
模具與料管感應加熱應用		  
  文／智慧化設備發展處 周明慶  
  　　塑橡膠成形機台於模具之加熱一般採用電阻式和熱媒式之加熱方式，這兩種方式之能源使用效率不高，而新的加熱方式為「感應式加熱技術」，其原理為利用交變磁場於模具上產生渦電流來加熱，此種加熱方式之能源使用效率高，能節省能源，本文介紹用於感應式料管與模具加熱技術，並將電力逆變模組裝置，應用於負載諧振感應加熱系統之上，於全橋式逆變器電路架構下，利用功率變壓器的電感搭配感應加熱線圈與諧振電容產生共振，進而使功率開關上的切換能量獲得適當的轉換。傳統料管的加熱方式，以電熱片加熱廣為業界使用，但電熱片加熱速度慢、能量傳遞易散失、加熱溫度不高等多數缺點。為此，本計畫開發料管感應加熱技術與模具感應加熱技術，希望透過電磁熱轉換直接加熱料管與模具表面，可大幅縮短加熱時間與提升加熱極限溫度，且使能源使用效率提高並節省能源。  
 
      研究背景與動機  
 
  　　財團法人精密機械研究發展中心（PMC）因應全球節能減碳，投入感應式料管與模具加熱之節能技術開發，透過新技術之導入，推出低能耗成形塑橡膠烘料創新技術。在高表面光澤度或微結構塑膠製品部分，則以光學、3C、家電、車輛等產業應用案例最為顯著，因其外觀件（外殼）須表現終端產品設計質感，常使用高表面光澤度設計方式（例如：烤漆面）展現，近來更常有利用微結構設計（例如：髮絲紋、特殊霧化等）應用例。

　　這類製品的製程技術，關鍵在於如何將模具表面微結構設計精確地成形在產品表面（亦即表面轉寫性），國外業者多導入高溫成形製程技術（提高模具表面溫度，減緩塑料表面固化層）。而3C 產品趨勢部分，已明確朝向輕、薄、短、小發展，外觀件在物理剛性不變的前提下，訴求更輕、更薄成為設計主流，故纖維複合材料的應用亦為目前塑橡膠製品領先國重要發展方向與趨勢。

　　為了解決上述問題，傳統成形量產過程必須長時間運作電熱式料管加熱器、模溫機，花費許多能源與時間，才能足夠提高模具溫度，增加熔膠在模具內的流動性。然而隨著全球環保意識抬頭，上游品牌公司（例如：Apple、Samsung、ASUS）對於環境責任越來越重視，紛紛要求產業鏈下游供應商採用節能與環保的綠色製造技術，面對新的產業環境，綠色製造科技的發展，適時導入感應式模具加熱與感應式料管加熱技術（如圖一所示），做到塑橡膠整廠工作站生產單元製造過程節能、節料、精簡製程、降低不良率、提高加工速度乃至人力都是當前國內塑橡膠成形產業發展迫切需解決之問題。		  
 
   
 
      電磁熱耦合分析技術  
 
  　　本研究利用有限元素軟體COMSOL 軟體進行模擬分析演算過程可分為電磁耦合分析及磁熱耦合分析 其模擬流程如圖二所示。  
 
   
 
  1. 線圈設計：
針對現有料管規格或結構尺寸，依電磁加熱原理，設計出線圈樣式，並進行模擬。

2. 前處理：
分別須進行材料參數設定、邊界條件設定及網格建立。依據實際使用材料，將參數設定於軟體中，或直接尋找軟體內建雷同之材料，按照感應加熱主機之輸出參數設定為邊界條件，以模擬出較符合實際情況之結果。而網格劃分多寡影響計算結果及收斂性，網格數量多且密，有助於提高結果之準確性及收斂性，但卻易於影響計算時間，故建立網格時需多注意網格大小及分布性。

3. 電磁分析：
屬AC/DC 之分析模態，以電流、電壓為初始邊界，計算出磁場強度與磁場分布。

4. 磁熱分析：
將電磁分析結果進行固體熱傳分析，考慮熱對導磁係數之影響，可將熱傳計算結果，回傳至電磁分析重新計算。

5. 後處理：
依據顏色分布圖、流線、箭頭等方式呈現電磁及磁熱之分析結果，針對線圈設計不良處予以改良，並重新計算直至達到預期加熱效果。透過負載阻抗匹配耦合分析技術，開發設計整機感應式負載加熱模組，藉由整機不同加熱單元進行感應線圈電磁熱耦合分析，如圖三所示，模擬解析整機各加熱負載狀態，並設法提升線圈能量傳遞效率。另外，因實際加熱過程中，負載阻抗隨溫度改變，導致主機與負載匹配偏移，主機有效輸出功率降低，為解析整機負載於加熱過程阻抗與溫度之變化，於模擬分析的材料導入溫度變數，探討加熱過程負載阻抗變化，以提供後續追頻技術參考，確保加熱過程追頻的準確性的依據。因應感應加熱於塑橡膠成形產業之線圈組配方式屬重阻抗負載，即使主機與負載諧振頻率吻合，而負載阻抗超出主機阻抗匹配範圍，亦無法發揮主機效能。故後續投入整機負載阻抗調變技術，針對整機加熱負載阻抗進行量測，並計算獲得最佳阻抗匹配值之後，設計製作負載阻抗補償模組，提高線圈輸出效能，並可匹配多種負載，搭配主機可適用於整機所有加熱單元。

　　電磁熱耦合分析是利用有限元素的集合離散架構分析實體電磁感應線圈的幾何模型，每一個元素代表這個實際架構的一個離散部份。元素和元素中間存在著共用節點來連接，節點和元素的集合稱為網格。在一個區域的網格中存在的元素數目稱為網格密度，每個元素均遵守物理基本理論方程式。根據物理場域，介質特性及Maxwell 理論，導出電磁問題統御方程式，後續代入熱力與熱流理論方程，並利用餘數加權法對微分形式的統御方程式進行離散化，導出一個具有龐大的稀疏對稱矩陣之代數方程組。利用此法，將感應加熱主機實際輸出之條件作為模擬分析之邊界條件，進行電磁熱耦合分析。		  
 
   
 
      感應加熱電路模擬與實作  
 
  　　全橋逆變電路於感應加熱方面應用相當廣泛，於實際電路設計前，需要經過模擬電路，將雛型的電路與初步的功能確認完畢，並加入由LCR 量測儀器所量到的感應線圈電感值，搭配諧振電容值，加入電腦輔助設計電路模擬軟體之中進行電路波型之模擬，以下為SIMPLIS 的模擬電路圖：  
 
 


 		  
 
  　　圖四為感應加熱模擬電路架構，於電路前端以市電AC380V 當作輸入電源，之後經過AC/DC 電路整流過後，將市電交流380V 整流後經由穩壓電容穩壓，變為直流530V，再經過降壓電路將直流530V降為直流60V之低壓，降為直流60V 之低壓主要目的為以低功率進行頻率掃描，此方法用於找尋感應加熱系統之諧振頻率之部分，以保護驅動模組隨著頻率掃描產生的變動，皆能不超出驅動模組所能承受之安全範圍內，之後鎖定具有最大功率輸出之頻率，再輔以PWM 或相移訊號控制方式，切換全橋逆變模組IGBT 功率晶體，調控出溫度需求之輸出功率大小。降壓電路下一級是全橋逆變電路，主要由IGBT 功率晶體與突波防止電路所構成，IGBT 功率電晶體所構成的全橋逆變器，能透過全橋控制訊號將直流轉換成高頻交流，如圖五所示，並透過功率變壓器、諧振電容與模具負載線圈，於模具上加熱，並與熱媒式的模具加熱相比，能達到節省能源的效果。

　　電路模擬軟體，進行感應加熱逆變電路設計與分析，可從電路模擬軟體的輸出波型中量測到需要的數據，以提供全橋逆變電路製作時之設計參考，節省電路反覆修改的時間。已取得電路之初步相關參數後，進行電路實作與設計，全橋逆變器實體電路如圖六所示，於逆變電路設計之前，要先考慮到需要散熱的元件，需要散熱的元件包括功率電晶體與變壓器，皆要加水板或通水路來散熱，高電流的走線也盡量用銅片來連接，因為全橋逆變電路之輸出為高頻，故使用銅片的集膚效應較小。		  
 
 

 
 
  　　上圖七與圖八分別為溫度擷取電路與溫度放大電路，用於料管與模具感應加熱時，溫度感測用，採用差動放大器之放大架構，此種放大電路能有效降低共模雜訊，所謂共模雜訊是一種相干性的干擾，以類似的方式影響一個或是多個電信網路中的元件，且影響有高度的耦合性。這種干擾不像局部產生的雜訊，局部產生的雜訊會在各部份隨機出現，不會有高度的耦合性。例如一個5V 電路，其信號端及接地端同時出現了一個20V，寬度1nS 的方波，這就屬於共模干擾。而差動放大器則是取訊號端與接地端之訊號電壓差，故此時信號端及接地端同時出現的雜訊則會被抵消，因此訊號之訊號雜訊比（SNR）則會比較好。  
 
      多區段料管線圈加熱技術  
 
  　　一般射出成形設備料管分為多區段加熱，並且各區段溫度因應不同塑料與不同產品具備可調整不同溫度的設定，為符合現有成形產業製程需求，感應式料管加熱技術開發多區段料管線圈控制模組，透過多組溫度控制核心、數位訊號轉換與通訊傳輸模組，以及安全裝置等，達成基礎的硬體控制系統，系統除了採取閉迴路控制外。在感應加熱這種急速升溫的狀態下，為提升溫度的控制能力，此溫度控制核心具有不同一般感應主機的輸出控制架構，如圖九所示。  
 
   
 
  　　主機輸出控制主要是感應加熱裝置的功率輸出控制方法，其感應加熱電源主機包含有一溫度感測器用以偵測待加熱目標料管的溫度，透過一主、副控制器依據待加熱目標的溫度來控制電源主機輸出電力到線圈以進行加熱。其中，主控制器用來控制電源主機作大功率輸出，副控制器具有一開關以控制電源主機的功率隨開關的開啟與否而在不同功率狀態下振盪，進而調整每單位時間內電源主機的總輸出功率。藉此，電源主機可透過雙控制器的架構而可更智慧化、更精密地對其輸出功率做控制，突破了傳統電源主機因控制段數，導致額定最小段輸出功率的限制，如圖十所示，為多區段輸出主機（3 組）。  
 
   
 
      模具加熱技術  
 
  　　模具溫度（模溫）為射出成形製程之重要參數，它不但會決定成形件最終品質且對射出壓力、射出速度等成形參數造成影響。在充填階段增加模溫可改善熔膠流動性並以較低的壓力和剪應力複製模穴幾何形狀，因此成形件的表面品質及內部結構可獲明顯改善。雖然高模溫能減少射出成品品質不良，增加高深寬比微結構充填完整之可能性，但若是以油溫或電熱管等傳統方式對其模內加熱，傳熱速率緩慢，且溫度是否均勻分佈於模仁上，而模溫越高相對地冷卻時間也將隨之增長，長期而言並不利生產成本。在諸多文獻提到高模溫有利於微射出成形，隨著不同的種類產品的品質需求與成
本效益的考量，除了傳統的電熱水冷（電熱棒加熱及冰水冷卻方式）及水（油）溫升降控制外，尚有薄膜電阻式加熱、火焰加熱、紅外線加熱、感應加熱、複合模壁絕熱加熱控制及高壓熱空氣加熱等，此為目前主要幾種模具加熱技術之特性與優缺點比較。雖然感應加熱技術雖然初期建置成本較高，但從各項條件與差異評估上，不難看出感應加熱技術確有其實際應用的優勢存在。

　　感應加熱目前分為四種加熱模式：外置固定式感應加熱、移動式感應加熱、包覆式感應加熱、嵌入式感應加熱。

　　外置固定式為四種感應加熱中最容易被實現的一種加熱形式，其感應加熱線圈與模具為個別的系統；我們針對外置式感應加熱的感應線圈電流方向進行探討，得知感應線圈的電流方向會影響升溫速率與均勻性。

　　移動式感應加熱又分為兩種，一種為感應線圈固定不動，欲加熱件以等速率方向移動，另一種為欲加熱件固定，移動感應線圈進行加熱，但實際應用上居以前者較多，大多應用於焊接或表面熱處理。

　　包覆式感應加熱是利用感應線圈將整個欲加熱件包覆起來，達到升溫的效果，有許多研究指出，將包覆式感應加熱技術應用於模具加熱上，對於表面溫度場有很好的加熱效果。嵌入式感應加熱是將感應線圈放置於模具內部，利用感應加熱穿透的特性，並透過熱傳效應加熱模仁表面，此技術應用於射出模具時，由於線圈放置於模具內部，相較於外置式感應加熱可節省線圈移動的時間，更能有效減短射出成形週期，但也因為感應加熱放置於模具內部，在設計時須同時考慮冷卻水路與頂出系統的配置，因此在多重考量下，往往內置式感應加熱之模具結構剛性較低。

　　感應加熱係利用感應線圈產生之磁場對模具表面進行感應加熱，因此如何有效地控制感應線圈之磁場均勻分布就顯得格外重要，而感應磁場本身若線圈電流方向相反將會產生磁場相斥的鄰近效應，導致溫度的不均勻分佈，增加線圈設計之困難及加熱效能的降低。目前解決磁場分布不均的作法皆以加裝磁場集中器的方式進行磁場分布控制，而磁場集中器的主要功用為局部增加磁場大小，但對於線圈電流方向所導致磁場相互抵銷時，卻無法有效的改善，導致感應加熱的效能降低。本研究擬運用磁屏蔽材料區隔相斥磁場之方式進行感應加熱改善，增進感應加熱之效能及溫度均勻性，分別針對兩種常見的單層往復及渦線式線圈進行實驗比較，探討使用磁屏蔽方式對感應加熱的升溫速率、均溫性及耗能等重要性質的影響，如圖十一所示，為感應加熱模具，此模具運用內嵌式感應加熱技術，將線圈內嵌製模具內部，使加熱速度更快。		  
 
   
 
  　　感應式料管與模具加熱技術 節能30％
　　本中心（PMC）開發感應式料管與模具加熱技術，透過磁場交變之原理，直接加熱模具，與傳統電熱絲模具加熱製程比較其節電效益，可節能30％。關於驗證工具我們使用功率計來作為驗證之工具，來量測加熱器之功率消耗，如圖十二所示：		  
 
   
 
  在熱壓成形製程裡面，熱壓成形模具的加熱能耗占了80% 以上，為最耗能的部分。目前國內業者一般採用電阻式和熱媒油加熱這兩種方式，熱效率約30~40%；因電熱轉換效率不佳，因此PMC 希望透過感應式熱壓模具加熱技術與功率調變驅動技術的創新加熱方法，來改善熱效率。此技術主要是以電磁感應直接在物件內產生渦電流的方式，來快速加熱及降低製程中所產生的大量能耗。PMC 目前正與國內熱壓機製造領導廠東毓油壓、國內第三大製鞋廠隆典實業、國內最大PTFE 加工廠宇明泰化工等業者共同合作，研究開發感應式模具加熱技術製作加熱器，來提升加熱速度與改善能耗。  
 
      結論  
 
  　　塑橡膠工業領域中，加熱是一個必要且相當耗能的前處理工作。因此，於加熱技術的選擇上，主要考量因素除包含能耗、能源使用效率外，加熱溫度、加熱速度、加熱均勻性等，會影響成品品質的因素也必須一併納入考量。近年來全球於塑橡膠產業加熱技術發展趨勢，已逐步收斂至感應式加熱裝置的應用，相較於傳統加熱製程技術，感應式加熱技術具有加熱速度快、節省能耗、品質及產能效率提升等優勢。於塑橡膠產業導入感應式加熱製成技術所製作的加熱器與模具線圈，可提升感應加熱主機業者與塑橡膠業者之銷售毛利率，更可以節省加工所產生的大量能耗、降低生產成本，如可大力推廣感應式加熱電路設計技術於各式塑橡膠成型設備，並使感應式加熱技術於各成形加熱相關工業普及化，必能為我國塑橡膠工業節能方面創造更多的節能減碳效益。  
 
      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111-E0204），特此致謝。  
 
      資料來源  
 
  1. 佐藤義久，今川秋彥，山喜政彥，“合成樹脂模製模具，模具之溫度調整裝置及方法”，中華民國專利公報，民國90 年。
2. 行政院，“國家節能減碳總計畫”，民國99 年。
3. 林良澤，吳昌修，黃榮堂，“嵌入式高週波感應加熱模具開發”，行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告，NSC95-2622-E-027-037-CC3，國立台北科技大學機電整合研究所，民國95年。
4. 林龍杰，“射出機料管保溫材料改善之節能效益分析”，民國102 年，綠色科技工程與應用研討會（GTEA）。
5. 潘天明，“現代感應加熱裝置”，冶金工業出版社，中國北京，民國95 年。
6. 經濟部能源局，“我國燃料燃燒二氧化碳排放統計”，民國102 年。
7. 陳民山，“射出機螺桿感應加熱的實驗與分析”，民國101 年，成功大學，碩士論文。
8. 李育芸，“感應加熱應用於模具快速加熱之研究”，中原大學機械工程學系，碩士論文，2002。
9. 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。
10. 濱田修，“射出成型之模溫控制技術”，模具工業雜誌，1993。
11. A. Hobson ,“Physics 5th Editor”, Pearson College Div, 2009.
12. E. Horoszko, Krakớw, Polen,“Induction Heating of Flat Objects”, Arch. f. Elektvotechn., Bd.57, H 3, 1975.
13. E.J. Davies,“Conduction and Induction Heating”, IET Power Engineering Series 1st Edition,1990.
14. M. H. Tavakoli, H. Karbaschi and F. Samavat,“Influence of workpiece height on the induction heating process”, Mathematical and Computer Modelling 54 (2011) 50–58.
15. M. Kranjc, A. Zupanic, D. Miklavcic and T. Jarm,“Numerical analysis and thermographic investigation of induction heating”, International Journal of Heatand Mass Transfer 53 (2010) 3585–3591		  
 

   
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