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編號 畢業(yè)設計 論文 外文翻譯 譯文 學 院 機電工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學生姓名 韋良華 學 號 1000110129 指導教師單位 機電工程學院 姓 名 陳虎 職 稱 助教 2014 年 5 月 26 日 1 通過實驗設計優(yōu)化微注射成型工藝 摘要 本文提出通過試驗設計 DOE 優(yōu)化微注射成型 MIM 過程 MIM 是一種相對較新的用 于微部件的快速制造的技術 由于改變工藝參數(shù) 為了滿足質量和可靠性的限制 減少操作 過程中變異的是非常重要 在這項研究中 對 MIM 工藝的理解 它是通過 DOE 的六個影響表 面質量的參數(shù) 流動長度和長寬比來優(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)計分析確定 為 2 級的試驗中 20 21 20 的縱橫比 分別對應聚丙烯 PP 丙 烯腈 丁二烯 苯乙烯 ABS 和聚甲醛 POM 實現(xiàn) 關鍵詞 微注射成型 MIM 試驗設計 DOE 全因子 部分因子 優(yōu)化設計的設計 第一章 引言 因為它的大批量生產(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 流行的相對較新的技術 為了使 MIM 以最小的成本實現(xiàn)最高品質的元件 理解的過程并確 定不同的獨立參數(shù)的影響是很重要的 一種可以采用的調查 MIM 的整體操作的方法是試驗 設計 DOE 的設計 在一般情況下 DOE DoE 可用于收集從每個過程 并通過數(shù)據(jù) 分析獲得加工工藝的理解 這個程序可以幫助優(yōu)化過程 并最終使得質量的提高 本文的結構如下 在 MIM 工藝在第 2 節(jié)所述 在第 3 節(jié) DOE 的介紹 實驗數(shù)據(jù)的收 集之后第 4 節(jié)解釋 結果和數(shù)據(jù)分析進行說明在第 5 節(jié)說明 結果的討論 在第 6 節(jié)提出 最后在第 7 節(jié)給出結論的文件結束 2212 8271 2013 的作者 由 Elsevier BV 公司負責出版 羅伯托特提教授同行評議 DOI 10 1016 j procir 2013 09 052 第二章 微注射成型 MIM 微注射成型 1 是在制造世界一個相對較新的技術 因此 它需要被深入研究調查 據(jù) Liu 等人 2 進行微粉末注射成型 因為它在許多不同的領域 例如醫(yī)學 光學和電信 成 2 功的應用 使得微系統(tǒng)技術被廣泛使用在新的 21 世紀 帶有大批量生產(chǎn)能力和低元件成本 使得 MIM 技術是進行微制造中的一個關鍵生產(chǎn)工序 MIM 的組件分為以下兩個類別之一 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 DOE 進行初步工作和 MIM 的數(shù)據(jù)分析 主要集中在 5 個不同的受 三個不同的聚合物材料可達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 動狀態(tài) 的分析 本實驗縱橫比是一個特殊設計的微特征 其為較長尺寸與較短尺寸的的比 率 他們的研究結論是 熔體溫度 TB 和注射速度 六 是受在復制所有三種聚合物材料 的微觀特性中可達到的長寬比的影響的關鍵因素 由 Griffiths 等人 4 進行的 MIM 工具的表面質量效果主要集中于影響熔體流動和模具 表面之間的流動行為 并相互作用的因素 這些早期的調查結果都考慮到了這項研究 圖 1 示出了 MIM 型機的畫面 DOE 的規(guī)劃和數(shù)據(jù)分析使用的統(tǒng)計軟件包 Minitab 16 進行 圖 1 微型注塑機 5 第三章 設計實驗 DOE 在實驗中定義和調查所有可能的條件涉及多重因素的技術被稱為實驗的設計 這兩種 DOE 類型被廣泛采用是析因設計與田口方法 根據(jù)實驗 Minitab 的設計 6 析 因設計是一種設計的實驗 允許同時影響研究 一些因素可能對產(chǎn)生同一個影響結果 當進 行實驗 不同的所有因素的水平同步 而不是一次一個 允許相互作用的因子的研究 3 在全面析因實驗 響應于實驗因子水平的所有組合計算 因子水平的組合代表了在響應 將被測量的條件 每個實驗條件稱為運行和響應測量觀察 整組運行的是 設計 為了最大限度地減少時間和成本 因此能夠排除一些因子水平的組合 因子設計中 一 個或多個電平組合被排除被稱為部分因子設計 有用的部分因子設計的因素中篩選出來 因為它們減少運行次數(shù)以達到可管理的大小 被執(zhí)行的運行是一個選擇的子集或完全析因設計的一小部分 但 Roy 7 提到 使用全因子 和部分因子能源部可能會導致以下問題 實驗在成本和時間變量的數(shù)目是大的而變得笨拙 兩種設計為相同的實驗可能會產(chǎn)生不同的結果 這些設計通常不允許確定各因素的貢獻 實驗 用的大量因素的解釋可能是相當困難的 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查所有可能的條件中 涉及到多個因素的實驗技術 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 他想出了三個基本概念 7 1 質量應該設計到產(chǎn)品中 而不是檢查了進去 2 質量最好通過最小化從一個目標 的偏差來實現(xiàn) 本產(chǎn)品應設計成使得它是免疫不可控的環(huán)境因素 3 質量成本應作為衡量 偏離標準的函數(shù)和損失應該是衡量整個系統(tǒng)的函數(shù) 田口博士建立了一個三階段的過程 實現(xiàn)產(chǎn)品質量的依據(jù)上述概念的增強 DOE 即系 統(tǒng)設計 參數(shù)設計和容差設計 在第一階段 系統(tǒng)設計是確定的設計因素的合適的工作水平 它包括設計 并根據(jù)選定 的材料 零件和標稱產(chǎn)品 工藝參數(shù)的系統(tǒng)測試 參數(shù)設計是一個尋找可以實現(xiàn)產(chǎn)品 過程的最佳性能的因子水平 公差設計的最后階段是降低其顯著影響產(chǎn)品 工藝因素的耐受性 構建一組特殊的陣列稱為正交陣列 OAS 奠定了實驗 在 OA 簡化了實驗設計過程 它是通過選擇最合適的 OA 完成的 分配的因素 以適當?shù)牧胁⒚枋龇Q為試驗條件的個別實 驗的組合 在這項研究中 一個部分因子 DOE 與 Taguch 的設計理念為提高質量相結合進行 第四章 實驗數(shù)據(jù)收集 該實驗由沙等人 10 所定義的來設計和設置 該實驗的目的是分析六個可實現(xiàn)的高寬比 的因素影響 并找到最顯著因素 以達到給予最高的長寬比的最佳的設置 圖 2 示出了測試 4 微特征的一部分和腿具的有兩個水平寬度 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 上 圖 2 能源部測試部分 三種不同的材料 即 半結晶聚合物 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度之間的比率 D1 或 D2 是在實驗過程中測定 具有相同的 W 和 D 2 每部分 同時施加于表 1 中給出的過程設置 24 次的測量的響應的 平均值被用于本研究 表 1 2 DOE 二級 MIM 工藝參數(shù) MIM 工藝參數(shù)和 DoE 水平 聚合物 級別 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 實驗結果與數(shù)據(jù)分析 在這個實驗中應用一個 2 級六個因素部分因子設計 26 2 DOE 被用來確定處于活動 狀態(tài)的顯著因素 并研究微流道的填充因子 這個練習的目的是看 DOE 響應的結果以了解 該過程 然后選擇顯著因素及其達最佳性能所必需的相應的設置 5 1 結果 這是 DOE 測定實驗熔體填充的長度和通道的深度之間的比率的的反應 或 被記錄D1 2 在表 2 中 和 上表中所示的值是 24 次測量的平均值的值 D1 2 表 2 為 2 級 MIM 工藝參數(shù)的實驗結果 MIM 工藝參數(shù) PP POM ABS運 行 試 驗 編 號 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)計軟件包 Minitab16 是用來分析從實驗獲得的結果 該分析用于在 D1 和 D2 兩種情 況下 PP 的結果 如表 3 所示 表 3 估計效果和 PP D1 數(shù)據(jù)的 DOE 系數(shù) 術語 效果 系數(shù) 系數(shù)標 準誤差 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 結果討論 上述結果分別用于生產(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 這兩個單因素 其作用和其它計算值在表 3 中V 顯示 此外 上述結果表明 沒有一個雙向的交互是顯著的 這顯然是受了 標準化效應正 態(tài)圖 圖 3 和 帕累托圖 theStandardized 的影響 圖 4 所示 圖 3 對 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 一個正常的效果圖用于比較相對大小和主 交互效應的統(tǒng)計顯著性 如圖 3 Minitab 中繪 制一條直線來指示該點預計將下降 如果所有的效果都接近于零 不屬于直線附近的 點 通常有顯著信號因素的作用 這樣較大的效果一般去進一步遠離擬合直線相比不重要的影響 默認情況下 Minitab 中使用 0 05 和標簽效果顯著 因子 C 和 A 明確標示標簽的示于圖 3 這是通過在 MIM 工藝對 PP 具有更大的權重的系數(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大小和主 交互效應的統(tǒng)計顯著性 如圖 4 Minitab 繪制以絕對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 當你的模型 中包含的誤差項 默認情況下 Minitab 中使用 0 05 繪制參考線 在圖 3 的結果確認圖 4 中顯示的結果為因子 C 和 A 是已通過參考線僅有的兩個因素的影響 并且因子 C 比因子 A 具有更大的影響 6 3 主效應圖 在分析中的下一個步驟是看的顯著相互作用 表 3 計算的雙向互動效應 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可疑的相互作用的因素 改 變一個因子的設置對另一個因子的影響 因為交互可以放大或減小主效應 即取決于相互作 用是否是正或負 評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 相交線信號的交互 交互量是成正比的交角 即接近 90 表達了強烈的相互作用 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 同 級別 的 T 響 應 V V 高 但是 可以看出 使用 在 100 運行和使用 在 50 運行其響應差的差比T 設 置 為 225 V V 使用 在 100 運行和使用 在 50 運行的縱橫比差別更大 這表明 以獲得最高T 設 置 為 200 V V 的長寬比應定為 225 而 保持在 100 V 圖 6 PP 交互作用圖D1 這項研究表明 除了在聚甲醛 ABS 和 ABS 用的雙向互動 在大多數(shù)情況下 2 1 2 縱橫比是通過單因素的影響 對于 PP 只在 PP 和 Vi 的情況下 對于 POM 2 i 1 和 W 和對于 POM W 和 X 當 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鍵因素的 PP 被確定為機筒溫度 和噴射速度 對于聚 i 甲醛為機筒溫度 模具溫度 噴射速度 和寬度 W 以及 ABS 為機筒溫 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 項試驗適用于 PP 16 項試驗的聚甲醛和 8 個試驗的 ABS 全階乘 另外 作為本研究的結果是 最優(yōu)設 置 為使用不同的材料實現(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 驗證試驗中進行驗證為已選定的理論上和重復 24 次平均測得的反應 得到最好的縱橫 比迄今發(fā)現(xiàn)上述設定的最佳性能 它們如下 對聚丙烯和聚甲醛 20 的最佳縱橫比和 21A 的 BS 第七章 結論 在本文中已被提出對于理解 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 行一個部分因子實驗 Taguch 的質量概念以節(jié)省時間和精力進行判斷 在測量的響應的形式 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)設置已經(jīng)由運行試驗驗證和測量 以符合 MIM 工藝參數(shù)的最佳設定值實現(xiàn)的高寬比的響應驗證了理論結果 通過這項研究的 MIM 獲得的知識將有助于理解和優(yōu)化納米注射成型 NIM 的過程 11 致謝 感謝歐盟 FP7 FlexiTool 項目支持這項工作 文獻 1 Trotta G Surace R Modica F Spina R Fassi I 2011 聚合物組分 AIP 機密的微注 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2002 127 2 中 p 165 3 Sha B Dimov S Griffiths C Packianather MS 2007年 微型注塑調查 影響因素 復制質量 材料加工技術2007 183 頁 284 4 Griffiths CA Dimov SS Brousseau EB Hoyle RT 2007 工具表面質量的微注射 11 成型的效果 材料加工技術2007 189 1 號碼 418 5 Griffiths CA Dimov SS Brousseau EB Chouquet C Gavillet J Bigot S 2010年 調查微注射成型 詮釋J先進制造業(yè)技術2010 47 1 號碼 99 6 Minitab的手冊 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 范NOSTRAND 萊因霍爾德 1990 8 Sudhakar PR 1995 簡介質量改進 通過田口方法 質量1995年 第 54 9 Taguchi G 1996 D O E 的角色對于強大的工程 一科芒特里 詮釋J質量和1996年可靠性工程 12 號碼 73 10 Sha B Dimov S Griffiths C Packianather MS 2007 顯微注射成型 影響所 能達到的高寬比的因素 詮釋J高級制造業(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 英國卡迪夫 CF243AA 游行皇后大廈卡迪夫大工程學院 英國伯明翰 B152TT 伯明翰大學機械工程學院 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