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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳采蓉
研究生(外文):Wu,Tsai-Jung
論文名稱:應用田口方法於紫外光固化快速原型製程之參數優化
論文名稱(外文):Parameters Optimization of UV-Curing Rapid Prototyping Using Taguchi method
指導教授:鍾官榮
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:紫外光固化快速原型田口方法製程能力指標
外文關鍵詞:Ultraviolet SolidificationRapid PrototypingTaguchi MethodProcess Capability Index
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紫外線硬化高分子材料由於不須添加有機溶劑的特性,為一綠色化學製程,近年來大量應用在生醫產業;快速成型技術(Rapid Prototyping, RP)由於不需使用模具且生產快速,非常適合量身訂作與小量生產的個人健康產業如再生器官製作。本研究之動機是結合紫外線硬化技術及快速成型法的優點,開發一紫外光硬化快速成型機,製作一能應用於生醫產業的小型工件。本論文為設備組裝完成後之先期研究之一,主要目的在利用紫外光線,選擇一能用在生醫產業且符合綠色化學概念之紫外線固化樹脂(UV膠)製作形態簡單之立方體工件,應用田口法尋找硬化成型的優化參數組合;使用此條件製作大量成品,依成型後之外觀尺寸統計結果驗證紫外光硬化快速成型機之成型精度及製程能力。此外,本研究執行拉伸實驗探討材料成型後之機械性質,作為爾後製程之參考。
實驗結果顯示紫外光固化成型在Z軸起始位置-18.9mm、三軸移動速度2500脈波/sec、每層滴定後停留30sec及每層固化成型Z軸往上進給0.5mm為最佳之成型製程條件;當成型一長方體工件(11mm x 4mm x 2.36mm)時,X、Y及Z軸之成型精度為±0.005mm(±2.5σ),其製程能力指標CP及綜合製程能力指數CPK均為0.833;紫外光快速原型機在成型此長方體工件時,如考慮體積公差為±0.1mm3,其良率為74%(±σ),製程能力指標及綜合製程能力指數分別是0.034及0.2109。此外,拉伸實驗顯示成型材料(Loctite 3311)_成型後不具明顯的降伏強度且在降伏後具有大應變量,顯示其經紫外光成型後仍具有典型高分子材料的特性;當應變速率增加,Loctite 3311的破壞強度些微增加。試片之平均降伏強度與破斷強度分別是17 N/mm2及22.6 N/mm2。
關鍵字:紫外光固化、快速原型、田口方法、製程能力指標

UV curing polymers have been widely using by the biomedical industry in recent years since it is likely to be a green process, not necessary of adding any organic solvent. Rapid prototyping (RP), a mold-less process, is capable of fabricating product fast to reduce the cycle time of developing product. Therefore RP is suitable for personal made-to-order health industry such as scaffold manufacturing in the regenerative medicine.
The motivation of this research is to combine the advantages of UV curing and RP technologies to fabricate the small biomedical parts using a novel UV curing RP machine developed by ourselves. This thesis is one of the researches in advance after accomplishing the equipment development and assembly. The purpose of the research is to find optimal parameters of UV curing RP processes using Taguchi method, and then use these ones to do pilot production in order to validate the accuracy and precision as well as the process capability of the equipment. In addition, tensile tests with different stain rates were performed to evaluate the mechanical properties of biomedical polymer (Loctite 3311) after curing.
The results show the optimal parameters for the UV curing RP processes are - 18.9 mm Z axle at initial position, 2500 pulse/sec moving speed for each axle, 30 sec stay after dripping, and 0.5 mm feed amount of Z axis after solidification. The precision of X, Y, and Z axis for the curing process is all ± 0.005 mm (± 2.5σ), according to the measuring results of fabricating a rectangular solid (11mm x 4mm x 2.36mm). Furthermore, the process capability index for each axis is 0.833 (CP and CPk both). The yield of fabricating the rectangular solid is 74 % (± σ), and the CP and CPK are 0.034 and 0.2109 respectively for the machine. On the other hand, it is not easy to identify the yield strength of curing material from stress-strain curve after tensile tests. Meanwhile, there is a large deformation (strain) before breaking of the material. As the results, the material for the process maintains the typical behavior of biomedical polymer after curing. The average yield and breaking strength of the samples are 17 N/mm2及22.6 N/mm2 respectively. Moreover, the breaking strength slightly increases when increasing strain rates.
Key words: Ultraviolet Solidification, Rapid Prototyping, Taguchi Method, Process Capability Index.

目 次
頁次
謝誌... I
摘要...III
Abstract ...IV
目 次....VI
第一章 緒論...1
1-1 研究背景與動機...1
1-2 研究目的...3
1-3 論文架構...4
第二章 理論分析與文獻回顧...5
2-1 立體微影加工(Microsterolithography) 技術...5
2-2 紫外線硬化型高分子簡介...7
2-2-1 紫外線硬化型高分子的架橋反應...8
2-2-2 紫外線硬化型高分子種類...9
2-2-3 壓克力型之紫外線硬化型高分子...9
2-2-4 環氧樹脂型之紫外線硬化型高分子...11
2-2-5 壓克力型與環氧樹脂型之紫外光硬化高分子的比較...12
2-2-6 影響硬化的因素...13
2-2-7 紫外線硬化安全問題...17
2-3 紫外光之介紹及用途...18
2-3-1 紫外光簡介...18
2-3-2 紫外光種類...19
2-4 製程能力指數簡介...20
2-4-1 各種製程能力指數發展歷史...20
2-4-2 製程能力指數之數學式...22
2-4-3 製程能力指數與本文之關係...23
2-4-4 CPK 指數代表之意義...23
第三章 田口式品質工程...25
3-1 田口式實驗法介紹...25
3-2 田口式實驗法與傳統實驗法之差異...28
3-3 使用田口法應注意之事項及運用之時機...28
3-4 理想機能探討與重要參數設計的原則...29
3-5 參數選定的原則....31
3-6 直交表選定配置的原則與虛擬技巧的探討...32
3-7 回應表...36
3-8 田口方法應用於本研究...38
第四章 快速原型技術...39
4-1 快速原型技術簡介...39
4-1-1 三維立體列印技術...40
4-1-2 熔融沉積技術...41
4-1-3 雷射擇點燒結....41
4-2 快速原型加工特點與缺點...42
4-3 傳統產品開發與RP 同步加工流程比較...42
4-4 快速原型成型法應用於本研究...43
第五章 紫外光快速原型固化製程...44
5-1 自組設備-紫外光固化快速原型機設備介紹...44
5-1-1 紫外光固化快速原型機設計原理...44
5-1-2 設備重要零組件介紹...45
5-2 三軸平台作動原理...56
5-3 實驗材料介紹...56
5-4 實驗方法...57
5-4-1 目標設定...57
5-4-2 實驗設計...58
第六章 實驗結果與討論...61
6-1 第一階段實驗: ...61
6-1-1 實驗設計....61
6-1-2 實驗結果...62
6-2 第二階段實驗: ...64
6-2-1 X 軸實驗結果...64
6-2-2 Y 軸實驗結果...65
6-2-3 Z 軸實驗結果(使用材料:Loctite 3311) ...67
6-2-4 紫外光快速原型機整體實驗結果...68
6-3 拉伸試驗結果: ...70
第七章 結論與未來方向...73
7-1 結論...73
7-2 未來研究方向...73
參考文獻...74
表 次
表2-1 製程能力指數主要發展歷史及貢獻者[46]...21
表2-2 CPK 指數意義...24
表3-1 田口品質特性分類表[30]...26
表3-2 控制因子表[37]...34
表3-3 L8(27)直交表[37] ...34
表3-4 L9(34)直交表[37] ...35
表3-5 虛擬後之L9(34)直交表[37] ...36
表3-6 回應表[37]...37
表5-1 ANUP 5204 產品規格表[39]...50
表5-2 HMS-102 產品規格表...51
表5-3 微拉力試驗機規格表...55
表5-4 3311 固化前材料性能[42]...57
表6-1 實驗水準因子表(使用材料:Loctite 3311) ...61
表6-2 L9(34)直交表...62
表6-3 固化成型實驗結果...63
表6-4 X 軸方向固化成型實驗結果...64
表6-5 Y 軸方向固化成型實驗結果...66
表6-6 Z 軸方向固化成型實驗結果...67
表6-7 紫外光快速原型機固化成型整體實驗結果...69
表6-8 拉伸試驗結果...70

圖 次
圖2-1 自由表面法示意圖...5
圖2-2 固定表面法示意圖...6
圖2-3 內固化法示意圖...7
圖2-4 紫外線硬化樹脂示意圖...8
圖2-5 壓克力型高分子反應過程示意圖...9
圖2-6 環氧樹脂型之高分子起始劑示意圖...12
圖2-7 相同劑量,不同路徑與照射強度示意圖...14
圖2-8 照射強度與硬化程度的關係...15
圖2-9 厚度與照射強度之關係示意圖...16
圖2-10 紫外光波長示意圖...18
圖3-1 產品/製程參數圖...27
圖3-2 能量轉換示意圖...30
圖3-3 實際能量轉換示意圖...30
圖3-4 理想機能示意圖...31
圖4-1 快速原型加工程序圖...39
圖4-2 3DP 技術加工程序圖...40
圖4-3 FDM 成型系統原理...41
圖4-4 傳統開發流程圖與RP 同步加工流程圖...43
圖5-1 紫外光硬化快速成型機示意圖(左)&實體照片(右)...44
圖5-2 配線台示意圖(左)&實體照片(右)...45
圖5-3 龍門裝置組裝完成示意圖(上)&實體照片(下)...46
圖5-4 加熱器夾治具示意圖(左)&實體照片(右)...47
圖5-5 光源聚焦夾治具示意圖...48
圖5-6 X-Y Table 示意圖...49
圖5-7 紫外光照射裝置[39]...49
圖5-8 電磁攪拌加熱器.......51
圖5-9 PCI-8164 四軸馬達控制卡...53
圖5-10 J3 系列A-Type 馬達與伺服器...54
圖5-11 MTS Tytron 微拉力試驗機...55
圖5-12 操作介面...56
圖5-13 3311 在固化深度與照射時間的關係(365 nm 波長) ...57
圖5-14 Mitutoyo 外徑分厘卡.....58
圖5-15 加熱器夾治具示意圖.......59
圖5-16 鋁製盛裝器皿示意圖.......59
圖6-1 預計完成之外觀形狀........62
圖6-2 第一階段實驗結果照片......63
圖6-3 X 軸成型結果之分佈圖......65
圖6-4 Y 軸成型結果之分佈圖......66
圖6-5 Z 軸成型結果之分佈圖......68
圖6-6 紫外光硬化快速成型機成型結果分佈圖......69
圖6-7 拉伸試驗試片..........................70
圖6-8 拉伸試驗應力應變圖.....................71
圖6-9 應變速率0.01mm/sec 拉伸試驗破斷圖.......71
圖6-10 應變速率0.02mm/sec 拉伸試驗破斷圖......72
圖6-11 應變速率0.03mm/sec 拉伸試驗破斷圖......72

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