外文翻譯--通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化微注射成型工藝 中文版VIP

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(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。 2212-82712013 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/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(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?在許多不同的領(lǐng)域 ，例如 醫(yī)學(xué)，光學(xué)和電信 ， 成功的應(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 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3 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。 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 4 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)到給予最高的長寬比 的 最佳的設(shè)置。 圖 2 示出了測(cè)試微特征 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 ） （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(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)熔體填充的長度和通道的深度之間的比率的的反應(yīng)，或被記錄在表 2中。和上表中所示的值是 24 次測(cè)量的平均值的值。 表 2 為 2 級(jí) MIM 工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 運(yùn)行 /試驗(yàn)編號(hào) MIM 工藝參數(shù) 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(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 效果 系數(shù) 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(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 8 圖 4 用于 PP-帕累托圖 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) 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 。 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(yùn)行 和 使用在 50 運(yùn) 行 其響應(yīng)差 的差比使用在 100 運(yùn)行 和 使用在 50 運(yùn)行 的 縱橫比差別更大。這表明，以獲得最高的長寬比應(yīng)定為 225，而保持在 100。 圖 6 PP -交互作用圖 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 ， 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-， ,和 W 和 對(duì)于POM-， W 和 X。當(dāng) ABS 用于中的影響因素分別為， 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(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； 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(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)缦拢簩?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。 284 。 4 Griffiths, CA, Dimov, SS, Brousseau, EB, Hoyle, RT, ， 2007。 工具表面質(zhì)量的微注射成型的效果。 材料加工技術(shù) 2007 ； 189 （ 1）：號(hào)碼。 418 。 5 Griffiths