外文翻譯--通過實驗設計優(yōu)化微注射成型工藝 中文版

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 ， 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，流動長度和長寬比 來 優(yōu)化的。顯著單一的工藝參數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 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 以最小的成本實現最高品質的元件，理解的過程并確定不同的獨立參數的影響是很重要的。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 ，并通過數據分析獲得 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 ， 實驗數據的收集之后第 4 節(jié) 解釋， 結果和數據分析進行說明在第 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。 2212-82712013 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/cir.2013.09.052 第二章 微注射成型（ MIM） 2 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 數據分析，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)劃和數據分析使用的統(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。根據實驗 Minitab 的設計 6，析因3 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。 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目是大的 而 變得笨拙 ；兩種設計為相同的實驗可能會產生不同的結果 ；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。本產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和損失應該是衡量整個系統(tǒng) 的函數 。 田口博士建立了一個三階段的過程，實現產品質量的依據上述概念的增強 DOE，即系統(tǒng)設計，參數設計和容差設計。 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，并根據選定的材料，零件和標稱產品 /工藝參數的系統(tǒng)測試。 參數設計是一個尋找可以實現產 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 、 以適當的列并描述稱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 實驗數據 收集 4 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 MIM 工藝參數和 DoE 水平 聚合物 級別 鋱（ C ） （ C ） （毫米 /秒 W（微米） PP 1 200 35 50 No No 250 5 2 225 50 100 Yes Yes 500 POM 1 180 35 50 No No 250 2 200 60 100 Yes Yes 500 ABS 1 248 60 50 No No 250 2 258 75 100 Yes Yes 500 第五章 實驗結果與數據分析 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，或被記錄在表 2中。和上表中所示的值是 24 次測量的平均值的值。 表 2 為 2 級 MIM 工藝參數的實驗結果 運行 /試驗編號 MIM 工藝參數 PP POM ABS W 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 數據分析 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 數據的 DOE 系數 術語 效果 系數 系數標準誤 差 T P 3.125 1.5625 0.3125 5.00 0.038 單 因 素 0.8750 0.4375 0.3125 1.40 0.296 6.375 3.1875 0.3125 10.20 0.009 -0.3750 -0.1875 0.3125 -0.60 0.609 0.1250 0.0625 0.3125 0.20 0.86 W 2.1250 1.0625 0.3125 3.40 0.077 0.3750 0.1875 0.3125 0.60 0.609 相 互 1.8750 0.9375 0.3125 3.00 0.095 -0.3750 -0.1875 0.3125 -0.60 0.609 0.1250 0.0625 0.3125 0.20 0.860 7 0.1250 0.0625 0.3125 0 20 0.860 作 用 0.3750 0.1875 0.3125 0.60 0.609 -0.6250 -0.3125 0.3125 -1.00 0.423 第六章 結果討論 上述結果分別用于生產更多的證據來支讓 MIM 工藝因素的 技術支持 。 使用 =0.05，適用于 PP -，發(fā)現值是 0.038 和為 0.009 表明，這兩個單因素和是顯著主要影響，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 8 圖 4 用于 PP-帕累托圖 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 C 相比，在該圖中可以看到系數 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 。 9 在圖 6 中的交互作用圖顯示，即在 100 的高寬比在 50 更高。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，以獲得最高的長寬比應定為 225，而保持在 100。 圖 6 PP -交互作用圖 這項研究表明，除了在聚甲醛 -， ABS-和 ABS-用的雙向互動 ， 在大多數情況下 ， 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-， ,和 W 和 對于POM-， W 和 X。當 ABS 用于中的影響因素分別為， 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最高的比率方面可以被概括如下： PP-：在 225 和六 100； PP-： 為 100； POM-： 200，為 60，在 100 和 W 為 500； POM-：除了 W 同為 ； ABS-： TB 為 258，六 100， W500，而 是固定在 75； 10 ABS-： 100， W500，而為固定在 75。 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 的工藝參數的分析方法優(yōu)化。已經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 式收集的數據已被成功地分析，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設置已經由運行試驗驗證和測量以符合 MIM 工藝參數的最佳設定值實現 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成型的效果。 材料加工技術 2007 ； 189 （ 1）：號碼。 418 。 5 Griffiths