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技術在線
塑橡膠成形機台之 模具料管感應加熱技術
2021.04.14∣瀏覽數:100

塑橡膠成形機台之
模具料管感應加熱技術


財團法人精密機械研究發展中心 周明慶

塑橡膠成形製程屬於週期性生產模式(反覆加熱與冷卻動作), 製程中加熱能耗成本佔其整體生產成本比例偏高(熱壓成形製程 加熱能耗占整體能耗80%以上;射出成形製程加熱能耗占整體 能耗50%)。近年來功能性塑膠製品的應用與日俱增,如高表面 光澤度、微結構塑膠製品、工程塑橡膠製品、複合材塑橡膠製品 等,帶動高溫成形製程技術需求急遽擴大。在熱壓成形製程中, 提供高效快速加熱技術,與高穩定溫度控制精度,可達到節省更 多能源的目的;而成形製程技術需要將模具、料管溫度提高,以 提升熔膠在模內及料管中的流動性、可減緩熔膠在模具表面成形 固化層、或在料管、模具中卡料等情形,而這些製程需求,皆須 使用高溫成形製程技術才能達成。感應式加熱製程技術為高溫成 形製程技術之一,以加熱速度與消耗功率來看,皆優於傳統之電 熱絲加熱或熱媒油加熱技術,於目前台灣能源效率亟待提升,節 能減碳是刻不容緩之議題,舉凡家電、光電、3C、車用塑橡膠 零組件、民生化工等塑橡膠成形產業,皆需要加熱設備,如果能 於塑橡膠成形產業大量導入感應式加熱製程技術,投入模具、料 管加熱技術與功率調變驅動技術開發,不僅能補足感應加熱電源 主機業者、塑橡膠製品加工業者及塑橡膠設備製造業者間跨領域 整合之技術缺口,且預期技術導入後,與傳統電阻式加熱比較, 約可節省30%之能耗,對於工業節能部分,有相當大的助益。

塑橡膠成形機台之加熱技術,包括了模具感應式加熱線圈設 計技術與模具感應加熱電路設計技術,以下將介紹此兩項核心技術:

模具感應式加熱線圈設計技術

感應式加熱模具,於模具加裝感應式線圈,比起一般使用熱 媒油加熱之模具,能更節省使用的電力能源,其感應線圈通以 10kHz~25kHz之頻率訊號,利用交變磁場與集膚效應,加熱模 具,如搭配冷卻水道設計,也可構成急冷急熱之製程,端看製 程需求來選取設計之結構,目前有模具外部加熱與模具內部加 熱,模具外部加熱之技術需要注意模具邊源的溫度均勻度,有時需要於模具邊源進行加熱均勻度的線圈特殊 繞法,才可增加塑橡膠產品的良率;而模具 內部加熱需要注意的是此時線圈所測量到的 電感量會比較大,整體線圈的電壓也會比較 高,會增加主機匹配的難度,而當加熱主機 之匹配值已調整至一定的程度後,當需要調 整線圈的長度來匹配加熱主機時,由於線圈 為內嵌式的,故比較難以調整線圈的長度, 所以內嵌式的模具線圈,需要於設計時就預 先考量主機的匹配問題後,再進行設計,以 防止線圈之電感性負載之電感值過大或過 小,增加負載匹配的難度。

圖一為模具搭配感應式線圈的實體圖,圖中之感應線圈有許多之樣式的設計,主要依 據模具形狀設計出感應加熱線圈,再以不同 型式之線圈,包括:渦型模具加熱線圈與螺 旋型模具加熱線圈等,於有限元素模擬軟體 中進行模擬計算,利用模擬結果進行加熱之 均勻度分析,最終設計出適合樣式之模具感 應線圈。



設計線圈樣式與模擬線圈之加熱均勻度,我們使用有限元素模擬軟體COMSOL Multiphysics軟體進行模擬分析,加熱之程度 由不同的顏色變化來呈現加熱之狀況,該技 術模擬精準度可達75%。可模擬模具於開始 加熱至熱穩態之加熱情形,有助於判斷模具線圈樣式對於加熱均勻度效果之好與壞,其軟體的優點為:一、不需要實際製作模具, 即可看出加熱之效果。二、藉由不同的線圈 設計,可看出許多種加熱場形,再由其中找 到最佳的線圈設計,並導入實際模具製作, 來測試實體加熱的溫度均勻度,此做法可針對模具進行快速雛型化的溫度驗證,並縮短模具反覆製作與驗證之試誤法(try and error) 所浪費的時間,對於線圈設計與模具熱均勻 度提升有相當大的助益。



使用COMSOL模擬可模擬感應線圈對於平面模面或曲型模面之加熱效果,亦可以使用隔離磁場的屏蔽材料對鄰近效應的磁場干擾進行改善,並經由感應線圈設計之優化來改 善感應加熱之效能以及溫度均勻性,圖五為 COMSOL加熱線圈模擬之圖面,由模擬圖可看到由靠近線圈的模具開始熱擴散,隨著加熱時間越長,熱擴散的效果會越明顯,熱均勻度也可以由模擬看出,當加熱均勻度不如 預期時,可及時修正線圈之形狀,再進行模擬,如此反覆驗證線圈的加熱效果,可以達 到感應線圈之最佳化設計。

模具感應加熱電路設計技術

全橋逆變電路:

全橋逆變電路為感應式加熱之輸出級,以 電路模擬軟體進行全橋逆變電路之電路圖繪製與設計,全橋逆變電路主要由四顆IGBT功 率電晶體組成全橋架構,搭配飛輪二極體、緩衝電容與外部提供之DC直流電源所構成, 輸出搭配諧振槽之隔直電容、諧振電容和負 載線圈之諧振電感,所組合成之功率輸出級。經過電路模擬分析與優化後,經由輸入530V DC直流電源後,全橋逆變電路模塊輸出正弦波電流Is、電壓Vo,經輸出之電壓與電流計算功率,可得有效值(RMS)為30kW, 全橋逆變電路運用IGBT功率電晶體之開關切 換,達到產生高頻訊號之輸出,為整體電路之驅動級,可於負載端輸出大功率,為整體電路設計相當核心的一部份。

被動式功率因數調整器:

傳統的直流/直流轉換器,為獲得較小的漣波的電壓,通常於全橋整流完後加入一個大電容;但只有在輸入交流電壓值高於電容上之電壓時,整流二極體導通,此時電源對電容充電,這意味著在其他大部分的時間裡, 整流器都是處於截止狀態,使得電流波形呈 現非正弦的脈衝波,產生大量諧波干擾主電路。

現今則於交流/直流轉換器加入功率因數修正功能,使得輸出電流波形更近似正弦波, 同時改善電流與電壓之間的相位。理論上許 多的電路結構均可以達到提高功率因數之要求,然而須配合主電路之需求選擇架構以 實現改善功率因數的功能,其中若以使用被 動式功率因數修正電路而言,其優點如下: A.電路架構簡單。B.電路可靠性高。C.元件 數量較少,成本較低。

圖八為三相PFC(功率因數調整器)電路設計。PFC(功率因數調整器)電路由濾波電路 與橋式整流器組成,濾波電路是利用電流無 法瞬變之原理,調整電壓與電流之相位差, 使電流趨於正弦波以提高功率因數。全橋整 流器由二極體所構成,主要是將交流電壓轉 為直流電壓,並搭配大電容穩壓電路,以達到能穩定後端IGBT功率電晶體輸出所需的 直流電壓之目的。經由電路模擬分析與優化 後,輸入交流電壓380Vrms,經由整流濾波後,可得輸出電壓為直流電壓530Vdc,於之 後接上模擬負載,可從輸入電壓和輸入電流 之相位,得知目前的功率因數,即可知道功率因數有否改善,可提高整體電路之電能使 用效率。



電路整合進階模擬:

進行感應加熱之電路進階模擬,結合了 PFC(功率因數調整器)主電路、降壓電路、 全橋逆變電路、諧振槽與線圈負載等效電路 進行電路模擬,運用三組電路綜合模擬分析 設計技術,目的為了減少未來電路模擬與實 作之差異性,如圖十所示,並帶入數學運算 公式所計算出的漏感值Lk(23.8uH)與初步匹 配之諧振電容值10uF,再搭配由LCR量測儀 量得負載線圈之電感值Leq(1uH),將這些數據帶入軟體之模擬電路,並改變IGBT功率電 晶體之閘級輸入Vg1、Vg2、Vg3與Vg4之頻 率由10kHz調整至60kHz,執行掃描頻率之 功能,來紀錄IGBT功率電晶體不同之輸入頻率下全橋逆變器所輸出之不同的功率,如圖 十一所示:

電路整合進階模擬結合PFC電路、降壓電路、全橋逆變電路、諧振槽及負載線圈等模 擬感應加熱運作情形。首先,將公式計算結 果及參數代入電路模擬軟體中,並改變IGBT功率電晶體閘級輸入之頻率,由10kHz逐漸 遞增至60kHz,執行改變頻率功能,並記錄負載線圈之輸出功率。由結果可發現頻率於 20kHz~30kHz時有最大之功率輸出,代表輸 出阻抗呈現電阻性,虛功最小,可使驅動器 輸出最佳功率。

從輸入頻率與輸出功率之變化圖中可以看 出諧振頻率約於25kHz,此諧振頻率之意義 為使輸出阻抗呈現電阻性,降低虛功,驅動器得以全功率輸出。此諧振頻率與功率之關係值可以提供電路阻抗匹配時,選取感應加熱諧振頻率之參考數據。

感應式模具加熱技術,節能30%

本中心(PMC)開發感應式模具加熱技術,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。

導入感應式加熱技術,節能減碳效益佳

加熱相關工業是支持塑橡膠成形生產的重 要產業,於加熱技術的選擇上,主要考量因素包含能耗、能源使用效率、加熱溫度、加 熱速度、加熱均勻性等。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 者與橡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, 如可大力推廣模具感應式加熱線圈設計技術 與模具感應加熱電路設計技術於各式塑橡膠 成形設備,期盼未來能應用在各式工業模具 加熱製程中,為我國工業創造更多的製程及 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110-E0204),特此致謝。

參考資料 [1] http://www.pmc.org.tw/tg_view.aspx?type=Technology&TGD_ NO=202111 [2] http://www.pitotech.com.tw/show_party.php?pid=8&id=1570 [3] www.pitotech.com.tw/ [4] http://www.eldec.de/cn/workpieces/brazing-and-heating/ heating-plastic-injection-mold s.html [5] http://gamaxlabsol.com/technical-corner/ [6] 彭信舒,“射出成形模具表面瞬間加熱建置與分析之研究”,博士 論文,中原大學機械工程研究所,民國91年。
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[12] 經濟部能源局,“我國燃料燃燒二氧化碳排放統計”,民國102 年。
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