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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林正軒
研究生(外文):Cheng Hsuan
論文名稱:結合UV-LIGA及微放電加工技術製作微陣列穿孔薄片模仁及射出成型之研究
論文名稱(外文):A Study of Manufacturing Micro Molds by LIGA and M-EDM and a Novel Micro Molding for the Ink Jet Printer Nozzle Plates
指導教授:曾世昌曾世昌引用關係張榮語張榮語引用關係
指導教授(外文):Shi-Chang TsengRONG-YEU CHANG
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系碩士班
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:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:微噴孔片紫外光刻術微放電加工高速動態模溫控制系統
外文關鍵詞:Nozzle platesUV-LIGAa vario-thermal mold systemM-EDM
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本論文針對噴墨印表機微噴孔薄片的射出成型製程進行研究。分別利用微放電加工技術及UV-LIGA技術製作出噴孔片之微小結構模仁(直徑50μm陣列式Core Pin微結構),再以微射出成型技術製造出低材料成本、高精度與高附加價值之成品,未來成型法可能以直接壓印法最為簡便。

在微射出成品成型方面,由於傳統薄件射出成型時,會因成品肉厚太薄(50μm)導致熔融塑料充填入模穴後即接觸到較冷的模具表面而迅速形成固化層,使之無法充填完成。本研究搭配高速動態模溫控制系統,將模溫加熱至略高於塑料之Tg溫度10∼15℃,方能使薄件成品能順利充填完成;且模擬與實驗結果顯示,模具溫度對超薄射出成型能否順利充填完成影響最大,較高的模具溫度有助於充填時縫合線之接合。在射出的過程中,吾人施以田口實驗計畫法,經由變異數分析(ANOVA)所得之結果,可以發現針對微穿孔片之微孔pitch尺寸收縮而言,所有的因子中以模具溫度的貢獻度最高(77.35%),其次為頂出溫度(13.57%),至於其他因子的貢獻度均在10%以下;而以圓孔直徑尺寸收縮而論,所有的因子中以模具溫度的貢獻度最高(97.18%)。模溫愈高,收縮愈大。
綜合順利充填及較小收縮的目標,以充填時模溫150℃為最佳成型條件。
This study focus on manufacturing nozzle plates of ink jet printer head by the thermoplastic injection molding technique. It is believed that micro molding is one of the most efficient, low-cost and mass-production processes. Each nozzle plate has 60 through holes of 50 microns in diameter. How to fabricate the micro mold halves with good precision and alignment accuracy is one of the key point. A new manufacturing procedure to make the micro mold was then proposed in this work. First, the micro pillars were fabricated by the LIGA process. And these micro pillars become the electrodes of micro electro-discharging (M-EDM) to create the micro holes array on the other mold half at one time. This also ensured the position accuracy for later micro assembly.
During a thin wall molding, the polymer melt tends to freeze before it fills all over the cavity. Some studies suggested to solve this problem by increasing the injection speed. But for nozzle plates, our experiments have shown this approach was failed. It is because the thickness of the nozzle plates is only 50 microns and its cooling time is extremely short. In order to molding such a thin film with micro through holes, a rapid vario-thermal mold system is presented to help filling completely. A high-frequency induction heating device is used to heat the mold before filling and let the mold temperature be even higher than the glass transition temperature of polymers. And then mold closed, the polymer, PP, was then filled into the cavity almost like a liquid to ensure complete filling. The mold is then switched to be cooled down until ejection. The mold temperature is recommended as 10~15℃ higher than the Tg after experimental and numerical studies.
Taguchi’s statistical analysis indicated that the most significant factor to affect the fraction of filled is the mold temperature during filling. But the shrinkage of the pitch and diameter of the micro holes was strongly influenced by the mold temperature as well. Their contribution rates were 77.35% and 97.18%. In other words, both shrinkages increased at higher mold temperature cases. Obviously, the mold temperature has to be higher than tradition settings in order to fill completely, but not too high based on low shrinkage consideration. Therefore, mold temperature of 10~15℃ higher than polymer’s Tg is recommended for molding such a thin film within micro through holes.
中文摘要…………………………………………………………I
英文摘要…………………………………………………………II
誌謝………………………………………………………………IV
目錄………………………………………………………………V
表目錄……………………………………………………………VIII
圖目錄……………………………………………………………IX
照片目錄…………………………………………………………XI


第一章 緒論
1-1 前言……………………………………………………………1
1-2 研究動機………………………………………………………1
1-3噴墨技術種類介紹…………………………………………… 3
1-4 製程相關技術簡介……………………………………………5
1-4-1 LIGA製程技術………………………………………………5
1-4-2 LIGA-like製程技術……………………………………… 6
1-4-3 傳統射出成型與精密微射出成型薄件射出成型…………7
1-4-4 雕模放電加工………………………………………………9
1-4-5 微電鑄成型……………………………………………… 10
1-5 文獻回顧…………………………………………………… 11
1-5-1 噴孔薄片製造技術……………………………………… 11
1-5-2 微孔洞加工技術………………………………………… 12
1-5-3 薄件射出成型…………………………………………… 12


第二章 研究問題描述
2-1 微穿孔片射出成型技術困難點…………………………… 23
2-2 模流分析…………………………………………………… 27
2-3 薄件射出成型介紹………………………………………… 27

第三章 理論與數值分析
3-1前言……………………………………………………………33
3-2熱傳之統制方程式………………………………………33
3-3高速動態模溫控制系統之模具熱傳分析……………………34
3-4有限元素法……………………………………………………34
3-4-1 有限元素法熱傳分……………………………………… 34
3-4-2 有限元素法翹曲分析…………………………………… 36
3-4-3 有限元素法熱應力分析………………………………….37
3-5 感應加熱基本原理……………………………………… 37
3-6 田口式品質工程………………………………………… 39
3-6-1 望小特性的損失函數……………………………………39
3-6-2 信號雜訊比(Signal to Noise Ratio) …………… 40
3-6-3 直交表(Orthogonal Array)應用…………………… 41
3-6-4 數據分析流程………………………………………… 42


第四章 實驗設備與方法
4-1 實驗設備…………………………………………………… 46
4-1-1 射出成型機規格………………………………………… 47
4-1-2 感應式加熱器…………………………………………… 48
4-1-3 高速動態模溫模具設計………………………………… 48
4-1-4 模流分析軟體…………………………………………… 49
4-1-5 塑膠原料規格…………………………………………… 49
4-1-6 模溫記錄………………………………………………… 50
4-2 研究方法與步驟…………………………………………… 50
4-2-1 微模仁製程之演進……………………………………… 51
4-2-2 微模仁之製作…………………………………………… 51
4-3射出成型實驗…………………………………………………52
4-3-1實驗步驟……………………………………………………52
4-3-2尺寸收縮量測………………………………………………53




第五章 結論與建議
5-1前言……………………………………………………………70
5-2模擬分析………………………………………………………70
5-2-1流動分析之柵欄效應………………………………………71
5-2-2 模具溫度對薄件充填百分比的影響…………………… 71
5-3田口實驗分析…………………………………………………71
5-2-1 直交表之配置…………………………………………… 71
5-2-2 田口實驗射出成型規劃………………………………… 72
5-4收縮翹曲分析…………………………………………………73


第六章 結論與建議
6-1結論……………………………………………………………87
6-2建議……………………………………………………………88

參考文獻…………………………………………………………89
附錄 實驗設備與儀器照片……………………………………91
自傳………………………………………………………………92


表 目 錄

表1-1壓電式與熱氣泡式噴墨頭之比較…………………………14
表1-2 Mold insert fabrication methods……………………14
表2-1 Nozzle Plate 微孔相對位置……………………………30
表4-1實驗設備一覽表……………………………………………46
表4-2全電式射出成型機規格……………………………………47
表4-3模具零件清單………………………………………………54
表4-4聚丙烯(PP)之基本性質……………………………………55
表5-1 Moldex模擬之射出成型參數…………………………… 75
表5-2 聚丙烯之數值模擬參數………………………………… 75
表5-3 射出成型參數設計表…………………………………… 75
表5-4 L9直交表…………………………………………………76
表5-5 微孔pitch尺寸收縮 SN比計算表……………………… 76
表5-6 微孔直徑尺寸收縮 SN比計算表…………………………77
表5-7 微孔pitch尺寸收縮主要因子回應表……………………77
表5-8 微孔直徑尺寸收縮主要因子回應表…………………… 78
表5-9 微孔pitch尺寸收縮變異數分析表………………………78
表5-10微孔直徑尺寸收縮變異數分析表……………………… 79
表5-11 確認實驗SN比計算表……………………………………79
表5-12 模擬之模溫對成品收縮之影響…………………………80
表5-13 模擬之射出速度對成品收縮之影響……………………80
表5-14 模擬之保壓壓力對成品收縮之影響……………………80


圖 目 錄

圖1-1 1999∼2006年印表機墨水匣的需求量……………………15
圖1-2 2000年到2006年大陸印表機的銷售量及銷售額的趨勢…15
圖1-3噴墨列印技術之主要運作原理分類……………………… 16
圖1-4熱泡式噴墨頭部面圖……………………………………… 16
圖1-5壓電式噴墨頭分類………………………………………… 17
圖1-6標準LIGA製程……………………………………………… 18
圖1-7射出成型工作週期………………………………………… 19
圖1-8射出成型模穴內壓力和時間的分佈圖…………………… 19
圖1-9放電加工過程示意圖……………………………………… 20
圖1-10電鑄槽之架構………………………………………………21
圖1-11電流密度分佈對電鑄厚度影響示意圖……………………21
圖2-1 Nozzle Plate 尺寸圖…………………………………… 31
圖2-2變油溫系統與變油溫系統加熱效率比較圖……………… 31
圖2-3精密模具組裝定位示意圖………………………………… 32
圖3-1感應加熱基本原理示意圖………………………………… 45
圖3-2望小特性之損失函數……………………………………… 45
圖3-3 L16(215)的點線圖配置方式……………………………45
圖4-1 感應式加熱器控制流程圖…………………………………56
圖4-2 高速動態模溫的機構與模具搭配之架構…………………57
圖4-3 整組模具爆炸圖……………………………………………58
圖4-4 可動側模仁板………………………………………………59
圖4-5 可動側鑲塊…………………………………………………60
圖4-6 模仁壓板……………………………………………………61
圖4-7 Moldex模擬建構之模型……………………………………62
圖4-8 全實驗流程圖………………………………………………63
圖4-9 UV-LIGA 微結構core pin直徑100μm與50μm製程之差異…64
圖4-10微放電加微模仁製程………………………………………64
圖圖4-11 UV-LIGA製程圖…………………………………………65
圖圖4-12 光罩設計圖…………………………………………… 65
圖4-13 田口實驗計畫法實驗流程圖…………………………… 66
圖4-14量測示意圖…………………………………………………67
圖5-1模具加熱膨脹後與微結構分離之示意圖………………… 81
圖5-2模擬之出之直徑130μm微結構柵欄效應………………… 81
圖5-3模擬之模具溫度對充填百分比之影響…………………… 81
圖5-4模具溫度對充填百分比之影響…………………………… 82
圖5-5微孔pitch尺寸收縮主要因子回應圖………………………82
圖5-6微孔直徑尺寸收縮主要因子回應圖……………………… 82
圖5-7 模擬之模溫對成品收縮之影響……………………………83
圖5-8 模擬之射出速度對成品收縮之影響………………………84
圖5-9 模擬之保壓壓力對成品收縮之影響………………………85


照 片 目 錄

照片1-1 Hewlett Packard公司噴墨頭照片…………………… 22
照片1-2 準分子雷射加工微孔照片………………………………22
照片4-1 利用中間電極反轉後之微結構…………………………67
照片4-2 模仁對模穴放電出導孔…………………………………68
照片4-3 電鑄模仁照片……………………………………………68
照片4-4 電鑄模仁微結構SEM照片……………………………… 69
照片4-5 微結構模仁對銅壓印後之痕跡…………………………69
照片5 -1微穿孔薄片短射穿孔……………………………………86
照片5-2 實驗之直徑130μm微結構之柵欄效應…………………86
照片5-3 實驗之模具溫度對充填百分比之影響…………………86
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