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編號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 外文翻譯 譯文 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 韋良華 學(xué) 號(hào) 1000110129 指導(dǎo)教師單位 機(jī)電工程學(xué)院 姓 名 陳虎 職 稱 助教 2014 年 5 月 26 日 1 通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化微注射成型工藝 摘要 本文提出通過試驗(yàn)設(shè)計(jì) DOE 優(yōu)化微注射成型 MIM 過程 MIM 是一種相對(duì)較新的用 于微部件的快速制造的技術(shù) 由于改變工藝參數(shù) 為了滿足質(zhì)量和可靠性的限制 減少操作 過程中變異的是非常重要 在這項(xiàng)研究中 對(duì) MIM 工藝的理解 它是通過 DOE 的六個(gè)影響表 面質(zhì)量的參數(shù) 流動(dòng)長(zhǎng)度和長(zhǎng)寬比來優(yōu)化的 顯著單一的工藝參數(shù)以及它們之間的相互作用 是通過統(tǒng)計(jì)分析確定 為 2 級(jí)的試驗(yàn)中 20 21 20 的縱橫比 分別對(duì)應(yīng)聚丙烯 PP 丙 烯腈 丁二烯 苯乙烯 ABS 和聚甲醛 POM 實(shí)現(xiàn) 關(guān)鍵詞 微注射成型 MIM 試驗(yàn)設(shè)計(jì) DOE 全因子 部分因子 優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 第一章 引言 因?yàn)樗拇笈可a(chǎn)能力和低元件成本 微注射成型 MIM 是一種在微型制造行業(yè)內(nèi) 流行的相對(duì)較新的技術(shù) 為了使 MIM 以最小的成本實(shí)現(xiàn)最高品質(zhì)的元件 理解的過程并確 定不同的獨(dú)立參數(shù)的影響是很重要的 一種可以采用的調(diào)查 MIM 的整體操作的方法是試驗(yàn) 設(shè)計(jì) DOE 的設(shè)計(jì) 在一般情況下 DOE DoE 可用于收集從每個(gè)過程 并通過數(shù)據(jù) 分析獲得加工工藝的理解 這個(gè)程序可以幫助優(yōu)化過程 并最終使得質(zhì)量的提高 本文的結(jié)構(gòu)如下 在 MIM 工藝在第 2 節(jié)所述 在第 3 節(jié) DOE 的介紹 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收 集之后第 4 節(jié)解釋 結(jié)果和數(shù)據(jù)分析進(jìn)行說明在第 5 節(jié)說明 結(jié)果的討論 在第 6 節(jié)提出 最后在第 7 節(jié)給出結(jié)論的文件結(jié)束 2212 8271 2013 的作者 由 Elsevier BV 公司負(fù)責(zé)出版 羅伯托特提教授同行評(píng)議 DOI 10 1016 j procir 2013 09 052 第二章 微注射成型 MIM 微注射成型 1 是在制造世界一個(gè)相對(duì)較新的技術(shù) 因此 它需要被深入研究調(diào)查 據(jù) Liu 等人 2 進(jìn)行微粉末注射成型 因?yàn)樗谠S多不同的領(lǐng)域 例如醫(yī)學(xué) 光學(xué)和電信 成 2 功的應(yīng)用 使得微系統(tǒng)技術(shù)被廣泛使用在新的 21 世紀(jì) 帶有大批量生產(chǎn)能力和低元件成本 使得 MIM 技術(shù)是進(jìn)行微制造中的一個(gè)關(guān)鍵生產(chǎn)工序 MIM 的組件分為以下兩個(gè)類別之一 A 型 外形尺寸小于 1mm B 型 微特征小于 200 由 Sha 等人 3 在美國(guó) DOE 進(jìn)行初步工作和 MIM 的數(shù)據(jù)分析 主要集中在 5 個(gè)不同的受 三個(gè)不同的聚合物材料可達(dá)到的高寬比影響的因素 熔體和模具溫度 注射速度 壓力和流 動(dòng)狀態(tài) 的分析 本實(shí)驗(yàn)縱橫比是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的微特征 其為較長(zhǎng)尺寸與較短尺寸的的比 率 他們的研究結(jié)論是 熔體溫度 TB 和注射速度 六 是受在復(fù)制所有三種聚合物材料 的微觀特性中可達(dá)到的長(zhǎng)寬比的影響的關(guān)鍵因素 由 Griffiths 等人 4 進(jìn)行的 MIM 工具的表面質(zhì)量效果主要集中于影響熔體流動(dòng)和模具 表面之間的流動(dòng)行為 并相互作用的因素 這些早期的調(diào)查結(jié)果都考慮到了這項(xiàng)研究 圖 1 示出了 MIM 型機(jī)的畫面 DOE 的規(guī)劃和數(shù)據(jù)分析使用的統(tǒng)計(jì)軟件包 Minitab 16 進(jìn)行 圖 1 微型注塑機(jī) 5 第三章 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) DOE 在實(shí)驗(yàn)中定義和調(diào)查所有可能的條件涉及多重因素的技術(shù)被稱為實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 這兩種 DOE 類型被廣泛采用是析因設(shè)計(jì)與田口方法 根據(jù)實(shí)驗(yàn) Minitab 的設(shè)計(jì) 6 析 因設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn) 允許同時(shí)影響研究 一些因素可能對(duì)產(chǎn)生同一個(gè)影響結(jié)果 當(dāng)進(jìn) 行實(shí)驗(yàn) 不同的所有因素的水平同步 而不是一次一個(gè) 允許相互作用的因子的研究 3 在全面析因?qū)嶒?yàn) 響應(yīng)于實(shí)驗(yàn)因子水平的所有組合計(jì)算 因子水平的組合代表了在響應(yīng) 將被測(cè)量的條件 每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件稱為運(yùn)行和響應(yīng)測(cè)量觀察 整組運(yùn)行的是 設(shè)計(jì) 為了最大限度地減少時(shí)間和成本 因此能夠排除一些因子水平的組合 因子設(shè)計(jì)中 一 個(gè)或多個(gè)電平組合被排除被稱為部分因子設(shè)計(jì) 有用的部分因子設(shè)計(jì)的因素中篩選出來 因?yàn)樗鼈儨p少運(yùn)行次數(shù)以達(dá)到可管理的大小 被執(zhí)行的運(yùn)行是一個(gè)選擇的子集或完全析因設(shè)計(jì)的一小部分 但 Roy 7 提到 使用全因子 和部分因子能源部可能會(huì)導(dǎo)致以下問題 實(shí)驗(yàn)在成本和時(shí)間變量的數(shù)目是大的而變得笨拙 兩種設(shè)計(jì)為相同的實(shí)驗(yàn)可能會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果 這些設(shè)計(jì)通常不允許確定各因素的貢獻(xiàn) 實(shí)驗(yàn) 用的大量因素的解釋可能是相當(dāng)困難的 因此 田口方法 以克服這些問題被開發(fā)了 田口方法是定義和調(diào)查所有可能的條件中 涉及到多個(gè)因素的實(shí)驗(yàn)技術(shù) 田口方法首先由田口玄一博士在第二次世界大戰(zhàn) 8 9 后提出 他想出了三個(gè)基本概念 7 1 質(zhì)量應(yīng)該設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中 而不是檢查了進(jìn)去 2 質(zhì)量最好通過最小化從一個(gè)目標(biāo) 的偏差來實(shí)現(xiàn) 本產(chǎn)品應(yīng)設(shè)計(jì)成使得它是免疫不可控的環(huán)境因素 3 質(zhì)量成本應(yīng)作為衡量 偏離標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)和損失應(yīng)該是衡量整個(gè)系統(tǒng)的函數(shù) 田口博士建立了一個(gè)三階段的過程 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)上述概念的增強(qiáng) DOE 即系 統(tǒng)設(shè)計(jì) 參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì) 在第一階段 系統(tǒng)設(shè)計(jì)是確定的設(shè)計(jì)因素的合適的工作水平 它包括設(shè)計(jì) 并根據(jù)選定 的材料 零件和標(biāo)稱產(chǎn)品 工藝參數(shù)的系統(tǒng)測(cè)試 參數(shù)設(shè)計(jì)是一個(gè)尋找可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品 過程的最佳性能的因子水平 公差設(shè)計(jì)的最后階段是降低其顯著影響產(chǎn)品 工藝因素的耐受性 構(gòu)建一組特殊的陣列稱為正交陣列 OAS 奠定了實(shí)驗(yàn) 在 OA 簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程 它是通過選擇最合適的 OA 完成的 分配的因素 以適當(dāng)?shù)牧胁⒚枋龇Q為試驗(yàn)條件的個(gè)別實(shí) 驗(yàn)的組合 在這項(xiàng)研究中 一個(gè)部分因子 DOE 與 Taguch 的設(shè)計(jì)理念為提高質(zhì)量相結(jié)合進(jìn)行 第四章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集 該實(shí)驗(yàn)由沙等人 10 所定義的來設(shè)計(jì)和設(shè)置 該實(shí)驗(yàn)的目的是分析六個(gè)可實(shí)現(xiàn)的高寬比 的因素影響 并找到最顯著因素 以達(dá)到給予最高的長(zhǎng)寬比的最佳的設(shè)置 圖 2 示出了測(cè)試 4 微特征的一部分和腿具的有兩個(gè)水平寬度 W 200 或 500 微米 和深度 D 70 D1 或 100 D2 微米的形式 其中具有相同深度的特征 D1 或 D2 分別組成上部分的一側(cè) 上 圖 2 能源部測(cè)試部分 三種不同的材料 即 半結(jié)晶聚合物 如聚丙烯 PP 聚甲醛 POM 和無定形聚合 物 如丙烯腈 丁二烯 苯乙烯 ABS 是在本研究中 調(diào)查的參數(shù)為料筒溫度 TB 模具溫度 Tm 注射速度 V 保壓壓力 PH 空氣疏散 VA 的存在和微腿寬度 W 縱橫比 即 微特征和它們的深度的長(zhǎng)度之間的比率 D1 或 D2 是在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)定 具有相同的 W 和 D 2 每部分 同時(shí)施加于表 1 中給出的過程設(shè)置 24 次的測(cè)量的響應(yīng)的 平均值被用于本研究 表 1 2 DOE 二級(jí) MIM 工藝參數(shù) MIM 工藝參數(shù)和 DoE 水平 聚合物 級(jí)別 鋱 C C m 毫 米 秒 W 微 米 PP 1 200 35 50 No No 250 5 2 225 50 100 Yes Yes 500 1 180 35 50 No No 250POM 2 200 60 100 Yes Yes 500 1 248 60 50 No No 250ABS 2 258 75 100 Yes Yes 500 第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用一個(gè) 2 級(jí)六個(gè)因素部分因子設(shè)計(jì) 26 2 DOE 被用來確定處于活動(dòng) 狀態(tài)的顯著因素 并研究微流道的填充因子 這個(gè)練習(xí)的目的是看 DOE 響應(yīng)的結(jié)果以了解 該過程 然后選擇顯著因素及其達(dá)最佳性能所必需的相應(yīng)的設(shè)置 5 1 結(jié)果 這是 DOE 測(cè)定實(shí)驗(yàn)熔體填充的長(zhǎng)度和通道的深度之間的比率的的反應(yīng) 或 被記錄D1 2 在表 2 中 和 上表中所示的值是 24 次測(cè)量的平均值的值 D1 2 表 2 為 2 級(jí) MIM 工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 MIM 工藝參數(shù) PP POM ABS運(yùn) 行 試 驗(yàn) 編 號(hào) T T V P V W D1 D2 D1 D2 D1 D2 1 1 1 1 1 1 1 4 9 2 4 0 5 8 2 2 1 1 1 2 1 6 13 4 5 4 7 3 1 2 1 1 2 2 7 15 4 6 5 17 4 2 1 1 1 2 8 20 6 12 6 19 5 1 1 2 1 2 2 11 20 1 5 6 20 6 2 1 2 1 1 2 17 18 6 12 7 20 6 7 1 2 2 1 1 1 10 18 3 6 6 19 8 2 2 2 1 2 1 15 20 6 14 7 20 9 1 1 1 2 1 2 7 11 3 4 3 5 18 10 2 1 1 2 2 2 7 19 4 5 5 20 11 1 2 1 2 2 1 5 10 3 5 0 8 8 12 2 2 1 2 1 1 7 14 5 8 1 2 9 13 1 1 2 2 2 1 9 16 4 6 6 18 14 2 1 2 2 1 1 12 20 5 11 7 5 20 15 1 2 2 2 1 2 11 20 5 11 7 20 16 2 2 2 2 2 2 17 20 8 16 7 5 19 5 2 數(shù)據(jù)分析 統(tǒng)計(jì)軟件包 Minitab16 是用來分析從實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果 該分析用于在 D1 和 D2 兩種情 況下 PP 的結(jié)果 如表 3 所示 表 3 估計(jì)效果和 PP D1 數(shù)據(jù)的 DOE 系數(shù) 術(shù)語(yǔ) 效果 系數(shù) 系數(shù)標(biāo) 準(zhǔn)誤差 T P T 3 125 1 5625 0 3125 5 00 0 038 T 0 8750 0 4375 0 3125 1 40 0 296 V 6 375 3 1875 0 3125 10 20 0 009 P 0 3750 0 1875 0 3125 0 60 0 609 V 0 1250 0 0625 0 3125 0 20 0 86 W 2 1250 1 0625 0 3125 3 40 0 077 單 因 素 T T 0 3750 0 1875 0 3125 0 60 0 609 T V 1 8750 0 9375 0 3125 3 00 0 095 T P 0 3750 0 1875 0 3125 0 60 0 609 T V 0 1250 0 0625 0 3125 0 20 0 860 相 互 7 T W 0 1250 0 0625 0 3125 0 20 0 860 T P 0 3750 0 1875 0 3125 0 60 0 609 T W 0 6250 0 3125 0 3125 1 00 0 423 作 用 第六章 結(jié)果討論 上述結(jié)果分別用于生產(chǎn)更多的證據(jù)來支讓 MIM 工藝因素的技術(shù)支持 使用 0 05 適用于 PP 發(fā)現(xiàn) 值是 0 038 和 為 0 009 表明 這兩個(gè)單因素 和 D1 T V T 是顯著主要影響 即它們的 p 值小于 0 05 這兩個(gè)單因素 其作用和其它計(jì)算值在表 3 中V 顯示 此外 上述結(jié)果表明 沒有一個(gè)雙向的交互是顯著的 這顯然是受了 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)正 態(tài)圖 圖 3 和 帕累托圖 theStandardized 的影響 圖 4 所示 圖 3 對(duì) PP 的正常影響D1 8 圖 4 用于 PP 帕累托圖D1 6 1 正常效果圖 一個(gè)正常的效果圖用于比較相對(duì)大小和主 交互效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)顯著性 如圖 3 Minitab 中繪 制一條直線來指示該點(diǎn)預(yù)計(jì)將下降 如果所有的效果都接近于零 不屬于直線附近的 點(diǎn) 通常有顯著信號(hào)因素的作用 這樣較大的效果一般去進(jìn)一步遠(yuǎn)離擬合直線相比不重要的影響 默認(rèn)情況下 Minitab 中使用 0 05 和標(biāo)簽效果顯著 因子 C 和 A 明確標(biāo)示標(biāo)簽的示于圖 3 這是通過在 MIM 工藝對(duì) PP 具有更大的權(quán)重的系數(shù) C 相比 在該圖中可以看到系數(shù)D1 a 6 2 帕累托圖 帕累托圖的作用是用來比較相對(duì)大小和主 交互效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)顯著性 如圖 4 Minitab 繪制以絕對(duì)值的因素影響遞減順序的 圖表上的參考線指示哪些因素影響顯著 當(dāng)你的模型 中包含的誤差項(xiàng) 默認(rèn)情況下 Minitab 中使用 0 05 繪制參考線 在圖 3 的結(jié)果確認(rèn)圖 4 中顯示的結(jié)果為因子 C 和 A 是已通過參考線僅有的兩個(gè)因素的影響 并且因子 C 比因子 A 具有更大的影響 6 3 主效應(yīng)圖 在分析中的下一個(gè)步驟是看的顯著相互作用 表 3 計(jì)算的雙向互動(dòng)效應(yīng) 可以直觀地顯 示在交互作用圖 看看這些影響有多大 交互作用圖顯示了兩個(gè)可疑的相互作用的因素 改 變一個(gè)因子的設(shè)置對(duì)另一個(gè)因子的影響 因?yàn)榻换タ梢苑糯蠡驕p小主效應(yīng) 即取決于相互作 用是否是正或負(fù) 評(píng)估相互作用是極其重要的 而接近平行線表示因子之間很少或沒有相互 9 作用 相交線信號(hào)的交互 交互量是成正比的交角 即接近 90 表達(dá)了強(qiáng)烈的相互作用 在圖 6 中的交互作用圖顯示 即 在 100 的高寬比 在 50 更在兩個(gè) 同 級(jí)別 的 T 響 應(yīng) V V 高 但是 可以看出 使用 在 100 運(yùn)行和使用 在 50 運(yùn)行其響應(yīng)差的差比T 設(shè) 置 為 225 V V 使用 在 100 運(yùn)行和使用 在 50 運(yùn)行的縱橫比差別更大 這表明 以獲得最高T 設(shè) 置 為 200 V V 的長(zhǎng)寬比應(yīng)定為 225 而 保持在 100 V 圖 6 PP 交互作用圖D1 這項(xiàng)研究表明 除了在聚甲醛 ABS 和 ABS 用的雙向互動(dòng) 在大多數(shù)情況下 2 1 2 縱橫比是通過單因素的影響 對(duì)于 PP 只在 PP 和 Vi 的情況下 對(duì)于 POM 2 i 1 和 W 和對(duì)于 POM W 和 X 當(dāng) ABS 用于 中的影響 1 T m i 2 m i b i 1 因素分別為 W 和 X 對(duì)于 的顯著因素 W 和 X 在表 4 中以粗體顯示的T i m 2 i m 條目指示所選設(shè)置的顯著因素 陰影部分在表 4 中示出的因素之間的雙向交互 使用消除過程中的關(guān)鍵因素的 PP 被確定為機(jī)筒溫度 和噴射速度 對(duì)于聚 i 甲醛為機(jī)筒溫度 模具溫度 噴射速度 和寬度 W 以及 ABS 為機(jī)筒溫 m i 度 的 噴射速度 和寬度 W 與模具溫度 固定在 75 因此該因素保持 i m 壓力 PH 和空氣排出的存在 Va 能在 MIM 工藝被忽略 這給出了 4 項(xiàng)試驗(yàn)適用于 PP 16 項(xiàng)試驗(yàn)的聚甲醛和 8 個(gè)試驗(yàn)的 ABS 全階乘 另外 作為本研究的結(jié)果是 最優(yōu)設(shè) 置 為使用不同的材料實(shí)現(xiàn)最高的比率方面可以被概括如下 PP 在 225 和六 100 1 PP 為 100 2 i 10 POM 200 為 60 在 100 和 W 為 500 1 m i POM 除了 W 同為 2 1 ABS TB 為 258 六 100 W500 而 1 是固定在 75 m ABS 100 W500 而 為固定在 75 2 i m 驗(yàn)證試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證為已選定的理論上和重復(fù) 24 次平均測(cè)得的反應(yīng) 得到最好的縱橫 比迄今發(fā)現(xiàn)上述設(shè)定的最佳性能 它們?nèi)缦?對(duì)聚丙烯和聚甲醛 20 的最佳縱橫比和 21A 的 BS 第七章 結(jié)論 在本文中已被提出對(duì)于理解 MIM 工藝和利用 DOE 的工藝參數(shù)的分析方法優(yōu)化 已經(jīng)進(jìn) 行一個(gè)部分因子實(shí)驗(yàn) Taguch 的質(zhì)量概念以節(jié)省時(shí)間和精力進(jìn)行判斷 在測(cè)量的響應(yīng)的形式 收集的數(shù)據(jù)已被成功地分析 以確定顯著單因素以及雙向的相互作用 進(jìn)一步 在研究中通 過 DOE DoE 方法使用不同的材料所確定最佳工藝參數(shù)設(shè)置已經(jīng)由運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和測(cè)量 以符合 MIM 工藝參數(shù)的最佳設(shè)定值實(shí)現(xiàn)的高寬比的響應(yīng)驗(yàn)證了理論結(jié)果 通過這項(xiàng)研究的 MIM 獲得的知識(shí)將有助于理解和優(yōu)化納米注射成型 NIM 的過程 11 致謝 感謝歐盟 FP7 FlexiTool 項(xiàng)目支持這項(xiàng)工作 文獻(xiàn) 1 Trotta G Surace R Modica F Spina R Fassi I 2011 聚合物組分 AIP 機(jī)密的微注 射成型 PROC 2011 1315 1273 8 2 Liu ZY Loh NH Tor SB Khor KA Murakoshi Y Maeda R Shimizu T 2002年 微 粉末注射成型 材料加工技術(shù)2002 127 2 中 p 165 3 Sha B Dimov S Griffiths C Packianather MS 2007年 微型注塑調(diào)查 影響因素 復(fù)制質(zhì)量 材料加工技術(shù)2007 183 頁(yè) 284 4 Griffiths CA Dimov SS Brousseau EB Hoyle RT 2007 工具表面質(zhì)量的微注射 11 成型的效果 材料加工技術(shù)2007 189 1 號(hào)碼 418 5 Griffiths CA Dimov SS Brousseau EB Chouquet C Gavillet J Bigot S 2010年 調(diào)查微注射成型 詮釋J先進(jìn)制造業(yè)技術(shù)2010 47 1 號(hào)碼 99 6 Minitab的手冊(cè) 第5版 加拿大 柯特Hinrichs先生 2005在田口方法 7 Roy R 1990 入門 美國(guó) 范NOSTRAND 萊因霍爾德 1990 8 Sudhakar PR 1995 簡(jiǎn)介質(zhì)量改進(jìn) 通過田口方法 質(zhì)量1995年 第 54 9 Taguchi G 1996 D O E 的角色對(duì)于強(qiáng)大的工程 一科芒特里 詮釋J質(zhì)量和1996年可靠性工程 12 號(hào)碼 73 10 Sha B Dimov S Griffiths C Packianather MS 2007 顯微注射成型 影響所 能達(dá)到的高寬比的因素 詮釋J高級(jí)制造業(yè) 通力2007 33 第147 11 Zhang N Cormac J Byrne CJ Browne DJ Gilchrist MD 2012 邁向納米注塑成型材料今天2012 15 5 第216 M Packianathera F Cha C Griffith S Dimo D T Phan aIMME 英國(guó)卡迪夫 CF243AA 游行皇后大廈卡迪夫大工程學(xué)院 英國(guó)伯明翰 B152TT 伯明翰大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 通訊作者聯(lián)系電話 44 29 20875911 傳真 44 29 20874695 電子郵件 地址 packianatherms cf ac uk