高精密温度热显像技术于模具开发之实务应用

一、热显像技术发展简介
　　模红外线的发现是由英国天文学家赫歇尔(Herschel)在1800年用棱镜把太阳光分光而得的放射投射于水银温度计黑化的水银囊部份，测定其吸收 能量所致的温升，以未被投射的温度计为标准，发现紫色光升2°C，红色光升7°C，红色外肉眼看不到的光比红色光高2°C，这是实验发现红外线的头一遭， 有人说他将此命名为红外线。红外线是一种电磁波，波长约在0.7μm到1毫米，频率为300GHz或更长。




　　物体表面温度若超过绝对零度(0K)即会辐射出电磁波，随着温度的不同，其所辐射电磁波之强度与波长分布特性 亦随之改变。为电磁波波长分布图，波长约略介于0.75μm到1000μm间之电磁波概称为「红外线」，而人类视觉可查觉之「可见光」则约略介于 0.4μm到0.75μm之间。 红外线在地球表面传送时，会受到大气组成物质( 特别是H2O、CO2、CH4 、N2O、O3等)的吸收，使强度明显下降，仅在3μ~5μm(短波)及8~14μm(长波)间的两个波段有较好之穿透率(Transmission)， 此即俗称之大气窗(Atmospheric window)。




二、热像分析仪简介与应用
　　所有的物体表面温度大于绝对零度都会辐射出红外线能量。物体越热，其分子就愈加活跃，它所发出的红外线能量也就越多。热像分析仪利用此原理计算出物体 表面温度分布。 为热像分析仪的量测原理，热像分析仪包括有光学装置，可以收集来自物体的辐射红外线能量，并把该能量聚焦在传感器上。能量经传感器转化为电子讯号，透过温 度转换画像处理，将结果显示出来。 热像分析仪具有非接触式、测温快速、反应灵敏及视觉直接观测等特性，使其在非破坏性检测及热点追踪的领域中扮演重要的角色。对各项产品设备进行操作状态 检，即早发现产品设备过热及解决温度问题。


　　目前热像分析仪有多种机型， 为各种不同机型，从基础机型到高阶机型，因应不同需求而选用不同的机型。热像分析仪应用范围很广，其检测的项目亦包罗万象，有工业安全、设备维修预知保 养、非破坏性检测、研究开发、医疗诊断、监视保全…等。其中以非破坏性检测之模具温度分布测量为例，如 针对所需要的量测的对象，使用热像分析仪进行量测，接着使用USB或IEEE1394接口与计算机连接，搭配热像分析软件获得所需要的温度数据。



三、热显像技术于模具产业应用实验
　　为了展示如何将热显像技术实际应用于模具产业上，进行一组简单平板的实验进行比对，并且配合CAE模拟进行验证。 实验的模型使用一个简单的平板，如 所示，几何外观分别为94mm(长度) x 69mm(宽度) x 3.5 mm(厚度)，如 为所使用的模具，此模具原本为一模两穴，为简化实验只使用一穴进行实验。 实验所使用的射出机为Nissei ES400，如 所示。其螺杆直径为22mm，最大射出体积为35cm3，最大射出压力为255MPa，最大射出率为80cm3/s，最大锁模力为40ton。





　　实验使用的材料为PC POLYREX PG-33。原始料温与模温分别为210oC和45oC，充填时间为0.68秒，保压时间为2.37秒，冷却时间为12秒，开模到闭模时间为10秒。 实验的步骤为使用NEC Avio热像分析仪，在模具开模阶段截取开模期间的产品表面温度分布动态影像。并且改变模具温度、融胶温度、冷却时间…等，比较在不同的射出条件下，使用 热像分析仪截取产品温度之间的差异。其次使用CAE软件，进行数值分析模拟， 为模拟分析上所使用的模型，比较两者之间的差异。

四、实验与模拟结果
　　为原始加工条件下，由热像分析仪所截取的温度分布结果。平板上方的流道厚度较厚，因此在开模后，仍保持较高的温度；平板本身厚度较薄，开模后温度较流 道低。 为使用CAE软件数值分析后，在开模瞬间的产品温度分布情况。两者的温度分布类似，皆在流道部份出现高温区，而在平板本身温度较低。热像分析仪所量测的产 品温度范围为67.8oC~115.3oC，而仿真分析的温度范围为45.5oC~109oC。


　　第二组实验将模具温度由45 oC提升到60 oC， 一为热像分析仪所截取的温度分布图，产品表面温度范围为96 oC ~132.2 oC，此张图片刚好截取到产品顶出瞬间的温度分布，平板上方小范围的高温区为模具表面温度。 二为仿真分析在开模时间的温度分布，其产品温度范围为58.4 oC ~116 oC。与第一组比较下，在模温升高的条件下，脱模时的平板表面温度亦会升高，量测值与分析值皆有相同的趋势。


　　第三组实验是将塑料温度由210 oC提升到225 oC， 三为热像分析仪所量测的温度分布图，产品温度范围为70.5 oC ~117.5 oC； 四为仿真分析在开模时间的温度分布，其产品温度范围为45.6 oC~114 oC。料温升高只会造成温度小幅度的上升，与第一组比较下，两者都有相同的趋势。


　　第四组实验是将冷却时间由原本12秒缩短到6秒， 五为热像分析仪所量测的温度分布图，产品温度范围为79.8 oC ~122.9 oC； 六为仿真分析在开模时间的温度分布，其产品温度范围为45.6oC~133 oC。将冷却时间缩短，大量的热残留在产品上造成温度大幅提高，与第一组比较下，两者温度皆可看出明显上升。

       第五组实验是将冷却时间由原本12秒加长到20秒， 七为热像分析仪所量测的温度分布图，产品温度范围为57.5 oC ~102.4 oC； 八为仿真分析在开模时间的温度分布，其产品温度范围为45.4oC~88 oC。冷却时间越长，带走的热量越多，温度会越低，与第一组比较下，两者的结果都比第一组温度下降许多。


　　在相同条件下，每组的温度分布情况皆有相似的分布；表一为五组实验与分析结果温度范围比较，由于热像分析仪的 透光率会因环境不同需要做校正，因此造成实验与分析两者的温度范围相差较大，但是各组之间的比较仍可以看出相同的趋势，此外温度分布的情况，量测值与分析 值亦有相同的趋势。


五、结论
　　热显像技术是使用非接触及非破坏性方式量测线温度分布，而非传统量测方式需要破坏模具本身，另外传感器所量测的温度为单点数据，而非整体温度分布。透 过实际案例展示如何利用此技术在模具产业上，藉由温度热显像分布情况，了解并且掌握开模时的产品温度变化与分布，并且可搭配模拟分析辅助验证。
　　此技术亦可运用在可变模温射出成型上，掌握模具温度变化，并且搭配CAE模拟分析，双管齐下，作为控制质量与降低成本的重要依据，彻底解决问题与提高质量，进一步协助业者降低产品开发成本。


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