A16 感应式变模温控制技术应用

一、前言

随着3C(Computer, Communication & Consumer Electronics)产业的发展，许多产品的设计随之复杂，对产品功能的要求也不断提升。在兼俱产品的结构强度、精密度、良率、量产速度甚至绿色环保以及高速成型等多重需求下，除了工程塑料在材料改质技术上的突破外，在成型技术上亦要有所创新才能符合每个产品的不同需求；为此有许多新的成型技术不断出现。

薄壳与微小/微特征的成型过程中，利用提升模温的技术来帮助熔胶在模穴中流动，降低产品因熔胶流动所造成的残留应力，日趋受到成型业者的注意；也因为提升模具温度而降低对于高压、超高速机台的需要性、模具特殊要求和高强度熔胶流动性的考虑大幅降低。同时，高模温的应用对于产品缝合线的消除、减少产品浮纤现象以及残留应力降低也有大幅的改善。因此，如何运用及控制模具加热冷却技术帮助产品成型、提升机械性质与降低产品不良率，将是产业拭目以待的新技术之一。如何能让模具温度控制技术提升使得模具表面快速且均匀的加热，同时缩短冷却时间是大家争相发展与突破的题目。近年来，不断有新的成型制程开发与模具加热技术的改良出现[1-4]。

模具温度的控制为影响成品尺寸精度与生产效率的重要条件之一，也往往决定成型品的质量以及生产良率，传统模具加热的方法，即水或油热媒体加热或电热管加热，典型的水或油热媒体加热模具系统设计，为在模具内部设计加热或冷却管道，达到模具预热的功效同时在射出过程有冷却的作用；若遇到需要高模温制程情况时，通入高温水(将水温加压，温升可达至140℃~180℃)，油热媒体(一般可达350℃，但会产生油气影响成型)，电热管(温度控制范围可大于350℃)，这三种模式共同特色是可保持模具温度维持一定高温范围，藉以改善成型质量；但是却会造成冷却时间过长，生产成本相对提升的缺点。传统的加热速度以电热管加热(Heater Heating)速度为最快，约为1~3℃/sec，本研究中使用高周波电磁感应加热(Induction Heating)[5-7]使被加热的材料内部产生感应涡电流并依靠涡电流产生能量达到加热目的。由于仅对于工件表面至集肤深度范围加热，因此加热体积少升温速度快，初步估计加热速度可达14℃/sec以上，若搭配良好之加热线圈设计，升温速度应可更提升至20℃/sec以上，表面加热完成后，再搭配快速低温冷却设备，可达模具表面快速加热/冷却的效果。同时应用于实际射出成型的过程，探讨对于缝合线痕消除和残留应力的影响效果。

二、理论分析

3D-电磁/热耦合分析技术︰电磁感应利用高周波在加工对象上产生涡电流进行加热，利用ANSYS分析软件，应用于含加热源模具温度场分析与验证做一讨论，然而高周波感应加热，并且需要计算磁场与生成涡电流所生成之热效应依照电磁学Maxwell equations[8]:

 (1) 

 (2) 

 (3) 

 (4) 

其中H为磁场强度，J为电流密度，E为电场强度，B为磁通密度，ρ为电阻系数，D磁通密度。

在感应加热分析中，另一个值的注意的是渗透效应，既被感应的加热物由于产生的涡电流会集中在物体表面，电流密度会随着距离加热物表面越远而降低，当电流密度降至相当于加热物表面电流密度大小的1/e倍，称之为渗透深度，可表示为︰

 (5) 

其中，为渗透深度，ρ为材料的电阻系数，为材料的相对磁导率，f为使用的工作频率。由于绝大部分的电流都集中在渗透深度之内，其产生的焦耳热可表示为︰

 (6)

其中，Q为产生的体积热。然而焦耳热远小于涡电流效应[9]，因此分析中将其忽略不计。在ANSYS 分析中，模板材料为AISI 4130 钢材，密度与比热分别为7800 Kg/m3及465 J/Kg℃。加热线圈密度与比热分别为8954 Kg/m3及383 J/Kg℃。表面放射率为0.8。为了验证模具动态温度实验， 特建立了实验模板模具模型，而动态模温控制之冷却部分，建立冷却管路之边界条件，以进行动态模温分析探讨[10]。