臺灣博碩士論文加值系統

本篇研究是基於熱澆道系統封閉於模具內，並將熱阻絕於外的作業特性。熱流板與熱嘴作業是處於料溫與模溫到達穩態後所進行的射出行為，研究將著重熱澆道系統中熱嘴加熱器設計可控論述；以熱嘴管內流道溫度均一與澆口溫度可控為標的，操作熱嘴結構與溫控設計暨調控加熱器位置與加熱能力同時兼顧散熱/阻熱介面與水套，溫控熱嘴澆口溫度為依歸。
研究運用熱傳理論，將熱源/熱阻與對應溫度，以數理聯立解析方式找出最適加熱器規格，開創出加熱器設計更快速的評估模式。研究也利用CAE可視化特質來模擬溫度分佈，並佐證數理計算與實驗流道內溫度分佈數據差異比對，建立三者相依性與定量可靠性。
實驗案例研究顯示：模面溫度控制在150C，並藉由熱嘴前端隔熱墊阻熱與水套溫度為關鍵調節下，熱嘴流道出口溫度能被有效調控在220C左右，熱嘴流道內呈現溫差約為50C。此與數理計算與CAE比較，具有定性相依與九成以上定量的可靠度，足以快速評估熱嘴結構設計與加熱器熱源分配適當性，甚至推演出引發塑料過熱裂解黃化的真實原因所在。

就研究價值與貢獻，藉由數理模式設計讓熱嘴溫控系統開發成本趨近更合理也更具商業競爭力。再者對於客戶產品特殊客製熱嘴規格提供業者更快捷設計評估模式，最終實踐十倍速的開發效能與物美價廉的專業技術商品。

In this study, a hot runner system with the close loop control is applied to study the heater design and the heating control ability to build a fast design method of nozzle heater.

The gate temperature and the temperature uniformity of nozzle are two key targets to evaluate the system performance. Also, the nozzle system is isolated from the environment and in a steady state to simplify the heat transfers behavior. The nozzle structure, the cooling bushing effect, the heater layout and position are the main parameters to analysis the nozzle temperature control.

Base on heat transfer theory, the simultaneous equations method is applied to understand the relation between heat source and heat resistant and calculate the nozzle heater specification and convergence a faster way to design the nozzle heater. Moreover, the CAE tool is used to verify the experiment result and calculation result to get a dependence and high reliability nozzle heater design method.

From the experiment results, the gate temperature can be controlled at 220℃ when mold temperature is 150℃. The temperature difference in a nozzle is 50℃ and similar to the CAE result. Also, the burning problem is verified by the nozzle heater design method that built in this study to evaluate the reliability of this method.

From this study, a heater design method is built and shown the temperature distributions are very similar to experiment results. The simultaneous equations method can be a very useful and efficient tool for nozzle temperature design and provides a great help to the industry.

中文摘要 Ⅰ
AbstractⅡ
致謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅶ
第一章 序論... ..1
1-1 本章架構 ..1
1-2 熱澆道射出成型與模具介紹 ..3
1-3 熱澆道溫度控制原理 ..6
1-4 研究動機與目的 10
1-5 本文各章架構 12

第二章 熱傳理論與熱嘴溫度控制設計研發 23
2-1 熱傳理論 23
2-2 熱嘴溫度控制設計研發 34
2-2-1 文獻回顧 ..34
2-2-2 熱嘴數理解析演化 ..36
2-2-3 熱嘴CAE模擬 ..40
2-3熱嘴前端澆口區溫控設計研發 42
2-3-1 熱嘴前端隔熱研究 ..42
2-3-2 水套水流熱對流熱阻研究 ..43
2-3-3 CAE模擬水流熱交換研究 ..44


第三章 熱嘴溫度實驗設備與方法 64
3-1 實驗設備相關機能說明 ..64
3-1-1 PID 微電腦控制 ..65
3-1-2 自動演算AUTO TUNE能力 ..66
3-1-3 溫度控制器精確控制的影響因素 ..66
3-1-4 熱損失控制 ..66
3-1-5 熱嘴澆口冷卻 ..67

3-2 實驗規畫 ..67
3-2-1 實驗設備介紹 ..67
3-2-2 實驗試模與溫度檢測過程說明 ..69

第四章 熱嘴溫度模擬分析結果與實驗結果探討 81
4-1 實驗結果比較CAE模擬與數理估算探討 81
4-2 熱嘴前端澆口區溫控分析與探討 83
4-2-1 熱嘴前端隔熱研究與分析探討 ..83
4-2-2 熱嘴實驗量測與CAE模擬溫度比較分析探討 ..84
4-2-3 熱嘴含水套CAE模擬與數理估算比較分析探討 ..84

第五章 結論與未來展望 100
5-1 結論 100
5-2 未來展望 102
參考文獻 103
作者簡歷 108




表目錄
表2-1 熱傳導率受溫度影響 45
表2-2 熱傳導率受材料影響 45


圖目錄
圖1-1 傳統射出成型具有冷流道之廢料 14
圖1-2 熱澆道系統結構示意圖 14
圖1-3 熱澆道系統示意圖 15
圖1-4 熱澆道系統的組成與融膠流動順序 15
圖1-5 兩板模、三板模 範例與使用熱澆道的料頭差異 16
圖1-6 熱澆道配合三板模的示意 16
圖1-7 熱澆道溫度控制原理示意圖 17
圖1-8 熱流道溫度PID控制使用於熱嘴時之比例帶 17
圖1-9 熱流道溫度PID控制使用於熱流板時之比例帶 18圖1-10 熱澆道溫度PID控制比例調節特性 18
圖1-11 熱澆道溫度PID控制比例-積分-微分調節特性 19
圖1-12 溫度調節器開關式操作 19
圖1-13 軟啟動時溫度調節特性 20
圖1-14 溫度控制器具有AT自動演算 20
圖1-15 溫度控制器無AT自動演算 21圖1-16 相控觸發式 21
圖1-17 衝觸發式 22
圖1-18 Fuzzy模糊調節曲線 22
圖2-1 在熱嘴與模具接觸之位置發生熱傳導 46
圖2-2 在模具內部之熱嘴發生之熱對流情形 46
圖2-3 高溫之熱嘴將藉由熱輻射之形式進行熱傳 47
圖2-4 單一平面壁之熱傳遞 47
圖2-5 多層平面壁之熱傳遞 48
圖2-6 單層圓管之熱傳遞 48圖2-7 多層圓管之熱傳遞 49
圖2-8 並聯連接時之熱傳導率 49
圖2-9 串聯連接時之熱傳導率 50
圖2-10 多層圓柱壁的串聯之熱傳導率 50
圖2-11 熱對流之熱傳遞行為 51
圖2-12 表面溫度θa與熱傳遞係數α的關係曲線 51圖2-13 熱輻射之熱傳遞 52圖2-14 通過輻射進行交換的熱量與表面溫度之關係 52圖2-15 捲繞式之熱嘴加熱器 53
圖2-16 熱嘴之感溫線 53
圖2-17 流道板尺寸 54
圖2-18 隨加熱時間和溫度差變化的比熱容 54圖2-19 熱澆道入料系統公模倒灌模具結構組立圖 55圖2-20 熱傳著重於徑向單維熱擴散 55圖2-21 熱傳方程式 56圖2-22 熱阻模式熱傳方程式 56圖2-23 熱阻串並聯模式 57
圖2-24 熱嘴輸入熱量與尺寸簡化工程圖 57
圖2-25 熱嘴熱傳導歷程串並聯解析圖 58
圖2-26 熱嘴加熱器總熱源預估輸入規劃 58
圖2-27 熱嘴CAE 3D網格資訊 59
圖2-28 熱嘴CAE分析邊界條件 59
圖2-29 CAE分析熱嘴受熱後溫度分佈模擬 60
圖2-30 熱嘴前端系統熱阻示意圖 60
圖2-31 熱嘴前端溫度分佈圖 61
圖2-32 熱嘴前端隔熱帽熱阻溫差 61
圖2-33 熱嘴水套系統熱阻圖 62
圖2-34 熱嘴前端溫控系統CAE模擬-1 62
圖2-35 熱嘴前端溫控系統CAE模擬-2 63
圖3-1 模具結構組立圖 72
圖3-2 模具母公模展示 72
圖3-3 一次射/ PC透明製品及二次射短射塑料PC/ABS展示 73
圖3-4 一次射/ PC透明塑料規格展示 73
圖3-5 雙射射出機外觀/規格展示 74
圖3-6 模溫機設備展示 75
圖3-7 熱澆道溫控系統及增壓系統展示 75
圖3-8 功率消耗紀錄儀器 76
圖3-9 熱嘴升溫時加熱器加熱功率輸出曲線 77
圖3-10 熱嘴升溫時檢測熱嘴溫度曲線 77
圖3-11 持續週期性穩定生產時功率消耗量 77
圖3-12 成型策略與參數設定展示 78
圖3-13 產品外觀局部出現焦黃對應熱嘴流道塑料局部段焦黃 78
圖3-14 熱嘴使用內置感溫線 78
圖3-15 實測熱嘴料溫與第一段溫差約50Ｃ 79
圖3-16 水溫和水流量熱交換關係研究實驗裝備 79
圖3-17 顯示實驗進行管控模面與熱嘴溫度紀錄 80
圖4-1 熱嘴數理估算可靠度驗證流程 87
圖4-2 熱嘴試模T1及T2溫度量測值 87
圖4-3 數理估算與CAE模擬流道溫度分佈相依性比較 88
圖4-4 熱嘴溫度分佈數理估算與CAE分析模擬數值比較 89
圖4-5 修正數理估算熱能參數+15% 89
圖4-6 提升R1-1阻值減少Q1熱能流失提高To溫度 90
圖4-7 熱嘴前端系統熱阻示意圖 91
圖4-8 熱嘴格熱帽熱阻與水套效益圖 91
圖4-9 熱嘴前端實驗溫度與CAE模擬溫度比較 92
圖4-10 熱嘴前端實驗溫度量測記錄 93
圖4-11 熱嘴架構示意圖 94
圖4-12 熱嘴熱阻分佈圖 94
圖4-13 熱嘴各區段熱阻值 95
圖4-14 CAE vs.數理估算與溫度分佈 95
圖4-15 水溫98C最佳化加熱器規格及參數輸入所得溫度 96
圖4-16 數理估算最佳化加熱器規格及參數輸出溫度分佈 97
圖4-17 變動水套溫度Tw輸入影響熱嘴整體輸出溫度分佈 98
圖4-18 調控水套阻抗搭配Q1熱源拉高To至最佳成型料溫 99

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