臺灣博碩士論文加值系統

模具溫度的控制在射出成型製程中佔了重要的影響地位，除了對成型週期的影響性之外，對產品之成型品質及機械性質也有舉足輕重的影響。尤以薄殼產品、微結構產品、精密產品與高亮面產品，模具溫度控制將成為影響之關鍵技術，也因此模具溫度控制在近年成為許多研究單位積極努力與研究之目標。
本研究以感應式加熱為基礎，利用新型式的溫控系統來提高模具加熱均勻度，並以模擬分析軟體進行線圈設計與及模具溫度均勻度之比較，並由模擬分析之線圈設計資料，進行線圈製作與感應加熱實驗。經由模擬結果選出4組線圈進行實驗，並以線圈距離模板分別為6mm、11mm及16mm之3種距離進行加熱溫度驗證，加熱時間皆為6秒，並利用多點之溫度感測器與紅外線熱影像儀來進行溫度量測與監控，最後並進行模擬與實驗結果之比較與深入探討。
研究結果發現利用新型式的溫控系統，可以有效的提升溫度均勻度，在相同線圈長度時與一般線圈相較，新型式的溫控系統平均提高了20.8%的加熱效率，並達成模具表面優異的加熱均勻度。而優化後之感應線圈，最佳的溫度均勻度為距離模板6mm時，僅有40%的溫度差異，較相同參數條件下的一般線圈65%之溫差，具有25%之改善。而在模擬分析方面，在磁場的分佈上，可以看出與溫度分佈之趨勢相同，且模擬分析與實驗具有相當接近之結果，對於未來利用模擬分析軟體進行線圈設計與溫度模擬分析具有相當高之可靠度。

Mold temperature control has become more and more important during injection molding process. Especially, it has great effect on the thin wall parts, micro feature parts precision parts and high gloss parts. As a result, mold temperature control has become a popular research topic in many research departments.
In this study, the new temperature control method has been applied to improve the temperature uniformity during induction heating. The finite element method not only has been applied to design the induction coils but also has been applied to reveal the induction coil effects on temperature uniformity. Besides, three different distances 6mm, 11mm and 16mm between coil and mold surface are employed to study the heating effect with 6 seconds heating time. The temperature sensors and the infrared ray camera have been applied to observe the temperature uniformity.
It was found that the new temperature control method can improve the temperature uniformity very well. With the same coil length, the new temperature control method can not only increase 20% heating efficiency but also have excellent temperature uniformity. The optimized coil has the best temperature difference in 40% when the coil and mold surface is 6mm. Besides, the optimized coil has 25% improvement when the traditional coil’s temperature difference is 65% with the same process parameters. The simulation results shown the magnetic fields are very consistent to the temperature distribution and very similar to experiment results. The finite element method can be a very useful and efficient tool for coil design and temperature distribution.

目錄
中文摘要...............................................................................................Ⅰ
Abstract...............................................................................................II
致謝.......................................................................................................III
目錄.......................................................................................................IV
表目錄...................................................................................................VI
圖目錄...................................................................................................VII
第一章 序論......................................................................................1
1-1 前言.............................................................................................1
1-2 模具溫度控制.............................................................................2
1-2-1 傳統模具溫度控制簡介..................................................2
1-2-2 動態模具溫度控制簡介..................................................3
1-3 感應加熱原理.............................................................................4
1-4 文獻回顧.....................................................................................8
1-5 研究動機與目的.........................................................................14
1-6 本文架構.....................................................................................15
第二章 新型感應線圈溫控系統分析與建置..................................23
2-1 溫控系統原理............................................................................23
2-2 溫控系統建置之步驟.................................................................24
第三章 實驗設備與研究方法..........................................................41
3-1 實驗設備.....................................................................................41
3-2 研究方法.....................................................................................43
第四章 感應加熱線圈之模擬分析與實驗結果探討......................53
4-1 感應加熱模擬分析結果.............................................................53
4-2 感應加熱實驗結果.....................................................................56
4-2-1 線圈在不同模板距離下之加熱速度結果………………..57
4-2-2 不同線圈設計之加熱均勻度結果………………………..59
4-3 感應加熱模擬分析與實驗結果比較探討……………………….63
第五章 結論與未來展望....................................................................112
5-1 結論...............................................................................................112
5-2 未來展望.......................................................................................113
參考文獻.................................................................................................115
作者簡歷.................................................................................................121

VI
表目錄
表2-1 感應線圈溫度量測與熱量計算結果.....................................30
表2-2 線圈阻抗、發熱功率與升溫.................................................30
表2-3 不同線圈溫差估算值下線圈溫度模擬結果.........................31
表2-4 不同介面熱傳系數下之8mm線圈溫度模擬結果.................31
表2-5 不同介面熱傳係數的線圈溫度模擬結果.............................32
表2-6 規格與特性資料......................................................................32
表3-1 感應加熱溫度控制(IHTC)系統規格.....................................45
表3-2 百陽可變溫模溫機主要規格.................................................45
表3-3 紅外線熱影像儀規格表.........................................................46
表3-4 溫度擷取紀錄器規格表.........................................................46
表3-5 實驗規劃與參數表..................................................................47
表4-1 模擬分析之線圈設計..............................................................65
表4-2 線圈模擬分析結果..................................................................65
表4-3 不同線圈感應加熱溫度差與加熱速度模擬結果.................66
表4-4 加熱速度實驗結果..................................................................66
表4-5 線圈加熱溫差與中心溫度結果.............................................67
表4-6 線圈加熱溫差與中心溫度結果.............................................67
表4-7 線圈加熱溫差與中心溫度結果.............................................68
表4-8 線圈加熱溫差與中心溫度結果.............................................68
表4-9 線圈距離模板表面6mm的溫度差異.....................................69
表4-10 線圈距離模板表面11mm的溫度差異...................................69
表4-11 線圈距離模板表面16mm的溫度差異...................................70
表4-12 實驗與模擬的線圈加熱速度比較.........................................70
表4-13 實驗與模擬的線圈加熱均勻度比較.....................................71
VII
圖目錄
圖1-1 傳統模具溫度控制變化示意圖............................................... 17
圖1-2 傳統射出型模具溫度的暫態變化........................................... 17
圖1-3 傳統模具溫控與動態模溫控制方法比較圖........................... 18
圖1-4 理想模具水路設計：水路沿產品外觀佈置與分區溫控....... 18
圖1-5 強磁性材料之磁滯曲線圖....................................................... 19
圖1-6 感應線圈所產生之渦流...................................................... 19
圖1-7 扁平加熱物上之鄰近效應................................................. 20
圖1-8 線圈結構對感應加熱之影響............................................. 20
圖1-9 扁平狀線圈............................................................................. 21
圖1-10 動態模具溫控技術的發展分類............................................... 21
圖1-11 外部式感應加熱方法................................................................ 22
圖2-1 傳統冷卻系統............................................................................ 33
圖2-2 於感應線圈之進行溫度量測................................................... 33
圖2-3 感應線圈冷卻溫度量測結果................................................... 34
圖2-4 加熱30秒後感應線圈之熱影像............................................... 34
圖2-5 銅導電阻抗與溫度之關係....................................................... 35
圖2-6 銅熱傳導係數與溫度之關係................................................... 35
圖2-7 傳統感應線圈之模型(長度為50mmm) ................................... 36
圖2-8 傳統感應線圈之模擬結果....................................................... 36
圖2-9 新型感應線圈之模型(長度為50mmm) ................................... 37
圖2-10 新型感應線圈之模擬結果....................................................... 37
圖2-11 新型線圈當h=0時之模擬結果................................................. 38
圖2-12 新型線圈當h=231時之模擬結果............................................. 38
圖2-13 冷卻系統與感應加熱線圈結合示意圖……………….………39
VIII
圖2-14 新型冷卻系統與感應加熱系統結合示意圖........................... 39
圖2-15 感應加熱線圈之冷卻系統....................................................... 40
圖2-16 冷卻系統運作情形.................................................................... 40
圖3-1 感應加熱設備系統.................................................................... 48
圖3-2 模溫控制機................................................................................ 48
圖3-3 感應加熱線圈............................................................................ 49
圖3-4 實驗模板.................................................................................... 49
圖3-5 熱影像儀.................................................................................... 50
圖3-6 熱影像分析軟體........................................................................ 50
圖3-7 接觸式溫度感測器.................................................................... 51
圖3-8 溫度記錄器................................................................................ 51
圖3-9 研究規劃與方法........................................................................ 52
圖3-10 實驗設備配置............................................................................ 52
圖4-1 線圈............................................................................................ 72
圖4-2 線圈溫度模擬結果.................................................................... 72
圖4-3 線圈............................................................................................ 73
圖4-4 線圈溫度模擬結果.................................................................... 73
圖4-5 線圈............................................................................................ 74
圖4-6 線圈溫度模擬結果.................................................................... 74
圖4-7 線圈............................................................................................ 75
圖4-8 線圈溫度模擬結果.................................................................... 75
圖4-9 線圈............................................................................................ 76
圖4-10 線圈溫度模擬結果.................................................................... 76
圖4-11 線圈............................................................................................ 77
圖4-12 線圈溫度模擬結果.................................................................... 77
IX
圖4-13 線圈............................................................................................ 78
圖4-14 線圈溫度模擬結果.................................................................... 78
圖4-15 優化線圈.................................................................................... 79
圖4-16 優化線圈線圈溫度模擬結果................................................... 79
圖4-17 由模擬分析結果選定之線圈................................................... 80
圖4-18 模具表面溫度均勻度之模擬結果........................................... 81
圖4-19 模具加熱速度模擬結果........................................................... 81
圖4-20 線圈感應於模具表面之磁場強度模擬結果........................... 82
圖4-21 線圈感應於模具表面之磁場強度模擬結果........................... 82
圖4-22 線圈感應於模具表面之磁場強度模擬結果........................... 83
圖4-23 線圈感應於模具表面之磁場強度模擬結果........................... 83
圖4-24 磁場強度與加熱溫度對照圖................................................... 84
圖4-25 線圈距模面6mm之加熱速度實驗結果................................... 85
圖4-26 線圈距模面11mm之加熱速度實驗結果................................. 85
圖4-27 線圈距模面16mm之加熱速度實驗結果................................. 86
圖4-28 線圈距模面6mm之加熱速度實驗結果................................... 86
圖4-29 線圈距模面11mm之加熱速度實驗結果................................. 87
圖4-30 線圈距模面16mm之加熱速度實驗結果................................. 87
圖4-31 線圈距模面6mm之加熱速度實驗結果................................... 88
圖4-32 線圈距模面11mm之加熱速度實驗結果................................. 88
圖4-33 線圈距模面16mm之加熱速度實驗結果................................. 89
圖4-34 線圈距模面6mm之加熱速度實驗結果................................... 89
圖4-35 線圈距模面11mm之加熱速度實驗結果................................. 90
圖4-36 線圈距模面16mm之加熱速度實驗結果................................. 90
圖4-37 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面6mm與11mm) .......... 91
X
圖4-38 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面6mm與16mm) .......... 91
圖4-39 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面11mm與16mm) ........ 92
圖4-40 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面6mm與11mm) .......... 92
圖4-41 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面6mm與16mm) .......... 93
圖4-42 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面11mm與16mm) ........ 93
圖4-43 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面6mm與11mm) .......... 94
圖4-44 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面6mm與16mm) .......... 94
圖4-45 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面11mm與16mm) ........ 95
圖4-46 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面6mm與11mm) .......... 95
圖4-47 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面6mm與16mm) .......... 96
圖4-48 線圈加熱均勻度實驗結果(線圈距模面11mm與16mm) ........ 96
圖4-49 紅外線熱影像溫度分佈圖....................................................... 97
圖4-50 距模板6mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較....................... 98
圖4-51 距模板6mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較....................... 98
圖4-52 距模板6mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較....................... 99
圖4-53 距模板6mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較....................... 99
圖4-54 距模板6mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較....................... 100
圖4-55 距模板6mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較....................... 100
圖4-56 距模板11mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 101
圖4-57 距模板11mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 101
圖4-58 距模板11mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 102
圖4-59 距模板11mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 102
圖4-60 距模板11mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 103
圖4-61 距模板11mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 103
圖4-62 距模板16mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 104
XI
圖4-63 距模板16mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 104
圖4-64 距模板16mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 105
圖4-65 距模板16mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 105
圖4-66 距模板16mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 106
圖4-67 距模板16mm時線圈加熱均勻度實驗結果比較..................... 106
圖4-68 線圈加熱速度實驗與模擬比較............................................... 107
圖4-69 線圈加熱速度實驗與模擬比較............................................... 107
圖4-70 線圈加熱速度實驗與模擬比較............................................... 108
圖4-71 線圈加熱速度實驗與模擬比較............................................... 108
圖4-72 線圈加熱均勻度實驗與模擬比較........................................... 109
圖4-73 線圈加熱均勻度實驗與模擬比較........................................... 109
圖4-74 線圈加熱均勻度實驗與模擬比較........................................... 110
圖4-75 線圈加熱均勻度實驗與模擬比較........................................... 110
圖4-76 加熱均勻度紅外線熱影像與模擬結果比較........................... 111

1.濱田修，“射出成型之模溫控制技術”，傳勝出版社 (2004)。
2.L. S. Turng, Application of the Boundary Element Method to the Cooling-line Design for Injection Molds, M. S. Thesis, Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, Cornell University, Ithaca, New York (1987).
3.gwk Corp., Integrat 4D-system technical report, Germany (2008).
4.ONO SANGYO Corp., 小野朱氏會社技術報告, 日本 (2004).
5.EOS Crop., LaserCUSING technical report, Germany (2008).
6.R. Westhoff, “Conformal Cooling on the Advance”, Kunstsoffe International offprint, 1-4 (2006).
7.彭信舒 ，”射出成型模具表面瞬間加熱建置與分析之研究”，中原大學機械工程學研究所博士論文 (2003)。
8.Philippe Robert, “Electrical and Magnetic Properties of Materials” (1988).
9.Zinn S. and Semiatin S. L., “Element of Induction Heating-Design, Control, and Application”, Electric Power Research Institute, Inc. palo.Alto, CA. U.S.A.(1988).
10.蘇煒城,” 高頻感應加熱器之控制設計與實際量測”,私立中原大學電機工程研究所碩士論文(1998)
11.姜士林, 感應加熱原理與應用, 天津科技翻譯出版社(1993).
12.H. Ridder, J. Schnieders, H. P. Heim, “The Possibilities and Limitations of Variable Mold Temperature Control”, Kunststoffe international, 12-17 (2009).
13.D. Kazmer, “Axiomatic Design of The Injection Molding Process”, Proceedings of ICAD2000 First International Conference on Axiomatic Design Cambridge, 21-23(2000).
14.D. Hatch and D. Kazmer, “Dynamic Cooling Design for Injection Molding”, Annual Technical Conference - ANTEC, Conference Proceedings, 428-432 (2001).
15.P. Ambady and D. Kazmer, “Model Predictive Control of Injection Molding”, Annual Technical Conference - ANTEC, Conference Proceedings, 530-535 (2001).
16.S. C. Chen, Y. J. Chang, J. A. Chang, H. S. Peng, Y. C. Wang, “Dynamic Mold Temperature Control Using Gas-Assisted Heating and Its Effect on the Molding Replication Qualities of Micro Channels”, Proceedings of the ASME International Manufacturing Science and Engineering Conference, MSEC2008, 2, 411-416 (2009).
17.J. A. Chang, S. C. Chen, S. W. Huang, R. Tsai, “Establishment and Analysis of Rapid Mold Surface Temperature Control Using Gas-Assisted Heating”, Annual Technical Conference - ANTEC, Conference Proceedings, 5, p 2486-2490 (2009).
18.余鎮華，“弦波式雙溫模具溫度控制機”，中華民國專利公報，M296783 (2006)。
19.余鎮華，“雙迴路弦波式之模溫機”，中華民國專利公報，M347273 (2008)。
20.余鎮華，“具有內置冷熱能回收系統的弦波式模溫機”，中華民國專利公報，M363381 (2009)。
21.ONO SANGYO Corp., 小野株氏會社技術報告, 日本 (2004).
22.佐藤義久、金川秋彥、山喜政彥、高村正隆、布目正行和新藤和美，“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，466166 (2001)。
23.P. C. Chang and S. J. Hwang, “Experimental Investigation of Infrared Rapid Surface Heating for Injection Molding” Journal of Applied Polymer Science, 102, 3704-3713 (2006).
24.P. C. Chang and S. J. Hwang, “Simulation of infrared rapid surface heating for injection molding” International Journal of Heat and Mass Transfer, 49, 3846-3854 (2006).
25.S. Takushi, S. Isao and K. Yasuo, “A New Concept of Active Temperature Control for an Injection Molding Process Using Infrared Radiation Heating,” Polymer Engineering and Science, 42, 2418-2429 (2002).
26.陳彥成，“射出成型模具表面鍍層滯熱方法建置、分析與應用之研究”，私立中原大學機械工程學研究所博士論文(2005)。
27.R. Westhoff, “Conformal Cooling on the Advance”, Kunstsoffe International offprint, 1-4 (2006).
28.D. Yao and B. Kim, “Increasing Flow Length in Thin Wall Injection Molding Using a Rapidly Heated Mold”, Polymer-plastic Technology and Engineering, 41, No.5, 819-832 (2002).
29.D. Yao and B. Kim, “Injection Molding High Aspect Ratio Microfeatures”, Journal of Injection Molding Technology, 6, No.1, 11-17(2002).
30.T. Walther and W. Schinkoethe, “Mold Temperature Control”, Kunststoffe Plastic Europe, 90, 62-68 (2000).
31.S. C. Chen, Y. W. Lin, R. D. Chien and H. M. Li, “Variable Mold Temperature to Improve Surface Quality of Microcellular Injection Molded Parts Using Induction Heating Technology”, Advances in Polymer Technology, 27, N0. 4, 224-232(2008).
32.S. C. Chen, W. R. Jong and Y. P. Chang, “Variable Mold Temperature on the Part Qualities of Injection Molded Parts”, Annual Technical Conference - ANTEC, Conference Proceedings, 2, 166-170 (2005).
33.S. C. Chen, J. A. Chang, W. R. Jong and Y. P. Chang, “Efficiencies of Various Mold Surface Temperature Controls and Their Effects on the Qualities of Injection Molded Parts”, Annual Technical Conference - ANTEC, Conference Proceedings, 3, 1280-1284(2006).
34.S. C. Chen, W. R. Jong and J. A. Chang, “Dynamic Mold Surface Temperature Control Using Induction Heating and Its Effects on the Surface Appearance of Weld Line”, Journal of Applied Polymer Science, 101, 1174-1180 (2006).
35.S. C. Chen, W. R. Jong, J. A. Chang and Y. J. Chang, “Dynamic Mold Surface Temperature Control Using Induction and Heater Heating Combined with Coolant Cooling”, International Polymer Processing, 21, 457-463 (2006).
36.S. C. Chen, W. R. Jong, Y. J. Chang, J. A. Chang, and J. C. Cin, “Rapid Mold Temperature Variation for Assisting Micro Injection of High Aspect Ratio Micro-Feature Parts Using Induction Heating Technology”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 16, 1783-1791 (2006)
37.S. C. Chen, H. S. Peng, J. A. Chang and W. R. Jong, “Simulations and Verifications of Induction Heating On a Mold Plate”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 31, 971-980 (2004).
38.鍾榮強，“探討結構式線圈設計對於感應加熱模具表面溫度均勻性之影響”，私立中原大學機械工程學系研究所碩士論文 (2010)。
39.李安生，“應用線圈幾何設計於感應式模面加熱溫度均勻性影響之研究”，私立中原大學機械工程學系研究所碩士論文 (2011)。
40.林峯融，“內建式感應加熱器於射出模具表面快速加熱之應用”，國立台北科技大學製造科技研究所碩士論文(2004)。
41.亞歷山大. 吉夏爾，若澤. 費根布盧姆，“感應加熱裝置和用感應加熱裝置製造部件的方法”，中華人民共和國專利，CN 101208993A (2006)。
42.林宥甯，“均勻模面加熱的嵌入式感應加熱單元之設計”，國立成功大學機械工程學系研究所碩士論文 (2008)。
43.林育增，“內部式感應加熱應用於模具快速加熱之研究”，私立中原大學機械工程學系研究所碩士論文 (2009)。
44.若澤. 費根布盧姆，格拉爾德. 菜熱羅，亞歷山大. 吉夏爾，“用於加熱材料以製造產品的方法及實施所述方法的設備”，中華人民共和國專利，CN 101027940A (2006)。
45.若澤. 費根布盧姆，亞歷山大. 吉夏爾，“使用感應加熱加工材料的設備”，中華人民共和國專利，CN 101253030A (2006)。
46.P. A. Bristow, S. M. Davis, T. Ebeling, J. K. Forden, J. M. S. Brown, “Process for Improving Cycle Time in Making Molded Thermoplastic Composite Sheets”, United States Patent Application Publication, US2007/060822 A1 (2007).
47.S. K. Hong, Y. M. Heo, J. J. Kang, “Replication of Polymeric Micro Patterns by Rapid Thermal Pressing with Induction Heating Apparatus”, 3rd IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, NEMS, 911-915 (2008).
48.沈文揚，“外周包覆式磁場感應加熱運用於模具快速加熱之研究”，私立中原大學機械工程學系研究所碩士論文 (2010)。
49.D. Yao, T. E. Kimerling and B. Kim, “High-Frequency Proximity Heating for Injection Molding Applications”, Polymer Engineering and Science, 46, No.7, 938-945(2006).
50.黃崇桓，“內藏電磁鄰近效應應用於模具快速加熱之研究”，私立中原大學機械工程學系研究所碩士論文 (2009)。
51.秦進傳，“預置式線圈感應式動態模具溫控方法建置與分析之研究”，私立中原大學機械工程學系研究所博士論文 (2010)。
52.江志良，“動態模溫控制模擬驗證之研究”，私立中原大學機械工程學研究所碩士論文 (2004)。
53.葉朝蒼，“冷凍機械”，大行出版 (1986)。
54.萬迪棣，“ 冷凍與空調工程”，臺灣東華 (1995)。