射出成型設備節能改善研究

摘要：在塑膠成品製造中，射出成型技術因其具備高效、高精度的特性，成為廣受業界使用的生產工藝。然而傳統的射出成型機所採用的定量式驅動泵浦存在不必要的電力浪費、油壓管路溫度高與控制精度低等問題。本文係針對傳統定量式驅動泵浦之大型射出成型機進行優化，藉由油壓迴路盤查、以油電伺服控制馬達取代傳統舊型定量式驅動泵浦等方式，來提升射出機的工作效能，降低製程中無效的用電能耗，達成最佳的節電效益。經對比於生產相同規格工件時的用電量表現分析，射出機進行油電伺服控制改善前/後，機台可節省80％之用電消耗。

Abstract：In the manufacturing of plastic products, injection molding technology is widely applied in the industry due to its high produce efficiency and high precision. However, traditional injection molding machines employing constant-speed motors are have problems with high energy loss, high oil pipe temperature and low control precision.This article focuses on improving the energy efficiency of a traditional injection molding machine. By inspecting oil transmission circuit pipes, changing abnormal valves and replacing constant-speed motors with servo control motors, the energy efficiency of injection machine can be improved by reducing unnecessary power consumption. Based on comparative analysis of electricity consumption during the production of parts with the same specifications, the injection molding machine can achieve an energy saving of 80％ after improvement.

關鍵詞：射出成型機、節能、油電伺服系統

Keywords：Injection molding machine, Energy saving, Hydraulic-electric servo system

前言

在現代工業產品製造中，射出成型技術具有效率高、成品精度高等的製造優勢，因此在塑膠成品製造中被廣泛應用，也得益於該技術可快速、大批量生產同時保持優秀的產品品質，大幅降低製造成本，提升工業製造競爭力。舉凡汽機車產業、家電及民生消費用品乃至醫療、精密機械等專業領域，其產品應用領域的多樣性，使得射出成型技術成為許多產業不可或缺的生產工藝之一，並推動製造業不斷的發展與進步。經調查分析，塑膠射出製造廠因其產能特色，總廠房約有70%用電供應於射出成型設備，而過往傳統定量式泵浦機型因驅動運轉需求，油壓馬達須長時維持高轉速運轉，其佔射出成型機整體用電量八成，亦即定量式泵浦馬達本身佔總廠房用電量約50%～60%。若能改善馬達長時高輸出運轉問題，在相同產能需求下，應可改善不必要的電力消耗與管路油溫過高的問題。本文規劃採用油電伺服控制技術，利用伺服系統高響應特性，在製程需要時立即提高轉速，滿足系統壓力要求；於空載時維持低轉速運轉，以減少電力消耗與降低管路油溫。依據台達電子測試將傳統射出成型設備改造為油電伺服系統，設備節能效益可達60%～70%。

塑膠射出成型設備工作原理

塑膠成型技術應用在車輛零組件製造產業中相當常見，將塑膠原料(一般為顆粒狀或粉狀)於加熱腔體內加熱熔融為液態狀後，經螺桿機構加壓前推，由腔體前端噴嘴以高壓高速注入模具內，並於模具內冷卻定型而形成工件品[2]，整體製程循環流程概略，如表1所示。射出成型技術已投入至工業製造領域多年，而隨著國際氣候變遷的議題逐漸受到重視，射出成型設備的用電成本與改善機制也廣受探討[3]，射出成型設備用電可分為兩區塊研究：

1. 加熱系統：塑膠原料加熱過程中，在初期腔體升溫與保持原料於熔融狀態的保溫皆須消耗大量電能以維持溫度設定值[4]。目前針對加熱腔體的加熱系統節能技術，現行已發展較為完整的解決方案。
2. 動力系統：多數射出成型設備採用定量式泵浦油壓系統，即使在待機狀態，仍須保持泵浦運轉以維持固定的管路壓力，並且無法調控其輸出功率與速度。在射出循環過程中，合模、射出、保壓、冷卻、開模等過程需要不同的壓力和流量時，維持全速運轉的泵浦必須搭配使用溢流閥或比例閥進行輸出壓力及流量調控，該過程稱為高壓截流，而此過程中將產生大量能量損失。因高壓截流時內部油壓管路須時刻承受高壓力，其高壓致使油溫上升，長期下來將可能縮減油壓元件與液壓油的使用壽命。

油電伺服驅動系統改良

本文係將以定量式泵浦為驅動系統的傳統塑膠射出成型設備為標的，改良為油電伺服驅動系統，藉由油電伺服控制系統之高精度與高穩定的特性，測試改善設備無效的電能消耗；相較於定量式泵浦的馬達全時全功率運轉驅動，伺服驅動系統可藉其高響應速度，依製程立即調控馬達轉速以滿足系統壓力需求，並於待機或無須高壓運轉程序下也可維持定扭矩低速運轉之特點，大幅減少高壓溢流與空載運轉時的能量損失，同時降低油壓管路內部溫度與壓力，延長管路元件使用期限。相較定量式泵浦驅動系統，油電伺服驅動系統具備高精度、低噪音、低工作溫度與良好重複性。經國內外廠商實測應用，更換並建立油電伺服系統，設備節能效果相當顯著，應用技術架構如圖1所示。

圖1 油電伺服節能技術架構示意圖

節能改善實施架構

本文以傳統定量式泵浦之大型塑膠射出成型機進行改良，設備規格如表2所示，期透過優化設備效能，協助操作者更有效率的調整射出成型設備，找出產能最佳且生產排碳量最低的加工方式；本文擬分為兩項改善規劃：節能最佳化生產(更換硬體達到設備性能優化)、資料數據可視化(設備狀態可視化與改善前/後用電數據收集)，計劃實施架構如圖2所示。

表2 射出成型機原廠規格表

圖2 射出成型機改善研究實施架構