▋ 一、 前言
你可能聽過「節能減碳」這個詞，但或許會覺得它離自己很遠，好像只是政府或大企業需要關心的事。其實不然，因為我們每天使用的產品──從自行車、汽車，到家電用品──背後的生產過程，都和能源消耗息息相關。
根據經濟部能源署的統計，台灣在 2024 年的總用電量裡，工業用電佔了 55.6%，超過一半。換句話說，若能讓工廠裡的機器和製程更有效率、更省電，那麼整體社會的節能成果，會比我們日常關燈、省電風扇的效果大得多。這也是為什麼「提升工業設備效率」成為減碳的重要方向。
▋ 二、 為什麼金屬加工要「加熱」？
在日常生活中，金屬通常給人「硬」和「冷」的印象，像是鐵棒、鋁門窗，甚至手中冰冰涼涼的湯匙。但在工業製程裡，若要把這些堅硬的金屬加工成需要的形狀，就必須先把它們「加熱」。
原因在於金屬的性質：當溫度升高時，金屬的延展性會變好，更容易被壓製或拉伸，如此加工後的產品不僅成形容易，也不容易產生裂縫或缺陷。
舉例來說，自行車踏板曲柄是一個須承受力量很大的零件，必須用鋁合金鍛造而成。在鍛造之前，工件要先加熱到接近 500℃，才能確保最後成品既堅固又耐用。在汽車零件製造中，許多零件是由鋼板沖壓成型的。為了讓鋼板順利變形，必須先加熱到 850℃ 左右，這樣才能在不破裂的情況下被壓製成複雜的形狀。
因此，加熱在金屬加工中就像「暖身運動」，讓金屬準備好接受後續的加工挑戰。
▋ 三、 傳統加熱方式的困境
目前工業界最普遍的做法是使用連續爐。想像一條輸送帶，工件依序進入一個長長的爐子裡，爐子靠瓦斯燃燒或電熱管產生熱，再用熱風把工件加熱。 不過，這種方式存在幾個明顯缺點：
- 熱能散失嚴重：爐子有開口，就像烤箱烤東西時如果一直開門，裡面的熱氣會一直往外跑，導致能源白白浪費。
- 升溫速度不快：工件主要靠熱風加熱，而熱風的傳熱效率有限，影響加熱速度。
- 需要長時間預熱：連續爐要先花 1~2 小時 才能達到穩定工作溫度，這段時間裡消耗的能量幾乎都沒有實際產出。
把這些問題加總起來，就能理解為什麼傳統連續爐是個「吃電怪獸」。
▋ 四、 新技術：讓工件自己發熱
研究團隊為了解決這些問題，開發了鄰近預熱技術。這個方法的核心理念很簡單：不靠外部熱風，而是直接讓工件自己發熱。原理其實就是我們熟悉的短路加熱。當電流通過有電阻的物質時，會產生熱能。我們日常生活中常見的例子包括：
這些都是電流經過導體產生熱的結果。研究團隊把這個原理搬到金屬工件上，直接對鋁工件通電，利用它本身的電阻來加熱。聽起來很簡單，但實際操作卻遇到一個棘手的問題。
▋ 五、 問題：溫差太大
在短路加熱的設計裡，鋁工件會與銅電極直接接觸(如圖一)，電流會透過銅電極進入鋁工件。但因為鋁和銅都是極佳的導熱材料，而銅電極需要持續水冷卻時，就會把工件邊緣的熱帶走(如圖二)。結果是：
透過模擬可發現，一支長 200mm 的鋁工件，中心和邊緣的溫差竟然可以高達 200℃！這樣的情況就像烤吐司時，吐司中間焦黑，邊緣卻還沒熟。若讓金屬工件在這樣不均勻的溫度分佈下進行鍛造，成品質量勢必大打折扣，而且亦可能損壞如模具等生產設備。
圖一、鄰近預熱機構夾持工件示意圖
圖二、鋁工件與銅電極直接接觸加熱溫度模擬結果圖
改善方法：加一層「不鏽鋼」
面對這個困境，研究團隊想到了一個簡單又有效的解法，在鋁工件和銅電極之間，加一層 SUS304 不鏽鋼。這麼做有兩個好處
- 阻擋熱量流失
不鏽鋼的導熱係數只有 16.3 W/m·K，遠低於鋁（147 W/m·K）和銅（397 W/m·K）。換句話說，它就像一層隔熱墊，能減緩工件邊緣的熱被銅電極帶走。
- 補充額外熱量
不鏽鋼的電阻比鋁和銅都大，通電時自己也會比鋁更快發熱。這些額外的熱能剛好能補足鋁工件邊緣的溫度不足。
- 加熱功率能降低，減少能耗
減少了工件散失的熱量，也就不必維持較高的加熱功率，能減少能源使用。
簡單比喻：不鏽鋼就像一個中介者，既能幫工件留住熱量，又能自己發點熱，讓整個工件加熱得更均勻。
▋ 六、 模擬分析：找到最佳組合
當然，光是加不鏽鋼還不夠，還得找到最佳的設計參數。研究團隊設計了一系列模擬分析，主要分析三個變因：
- 不鏽鋼電極的電阻值：影響它能發多少熱。
- 電極與工件的接觸面積：影響熱量散失速度。
- 電極的環形寬度：影響電流分布。
結果顯示，影響最大的是“接觸面積”，其次才是電阻值。對於一根截面積704 mm²、長度205mm的鋁工件來說，當不鏽鋼電極接觸面積為 350 mm²、電阻值為 6×10^-5 Ω、環形寬度為 10 mm 時，工件的溫差縮小到低於 30℃，大幅提升了加熱均勻度(如圖三)。
圖三、加入不鏽鋼電極改善工件均溫性
這意味著，只要透過正確的電極設計，就能讓工件溫度像烤得均勻的吐司一樣，沒有過熱或過冷的地方。
為什麼這項突破很重要？
這項研究的意義，並不僅限於學術上的發現，它對產業和社會都有實際價值：
- 提升產品品質
溫度均勻能避免加工過程中出現裂縫或缺陷，確保產品更堅固耐用。對於自行車零件或汽車零件這類需要高強度的產品，尤其重要。
- 降低能源消耗
傳統連續爐需要大量能源維持爐溫，而直接電阻加熱能在更短時間內完成升溫、減少能源使用，而能源效率提升，等於減少二氧化碳排放。
- 縮短生產準備時間
省去 1~2 小時的預熱時間，讓產線更快進入穩定生產。時間就是金錢，對工廠來說能提升整體效益。
- 環境永續
能源浪費減少，不僅對工廠有利，也有助於社會達成減碳目標。這樣的技術也呼應了國際上推行的《巴黎協議》和《歐洲綠色新政》。
▋ 七、 結語
這項研究的核心發現，其實可以用一句話總結：
鋁和銅導熱太好，所以要靠不鏽鋼來均勻化溫度。
- 如果工件和銅電極直接接觸，容易造成邊緣溫度偏低，導致溫差過大。
- 在兩者之間加入一層導熱性差的導電材料（例如不鏽鋼），能有效改善這個問題。
- 不鏽鋼電極設計上最主要的考量是接觸面積，其次才是不鏽鋼的電阻值。
這聽起來或許是一個小小的技術細節，但它所帶來的效益卻相當深遠。不僅能讓金屬加工產業更節能、更高效，還能幫助我們朝著減碳與永續發展的方向前進。
所以，下次當你騎著更輕更耐用的自行車，或開著更安全的汽車時，或許就能想到：在它們的背後，可能就有這樣一個不起眼但重要的技術，默默地發揮著作用。