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Rathore, Jitendra Singh (2018) Computed tomography based quality optimization of micro injection molding. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

Micro injection molding is a well-established manufacturing techniques for mass replication of micro parts. However, a new product development requires a process optimization with respect to the desired quality criteria. From the quality aspect, there has been demands for new technologies for quality assessment of the micro products. X-ray computed tomography (CT) is an emerging technology for industrial quality control. The current project focuses on application based quality optimization of micro injection molded parts utilizing X-ray CT. Processing parameters play a significant role in the final part quality; the most crucial parameters are: melt temperature, mold temperature, cooling time, packing pressure etc. The influence of the process parameters on the part quality is investigated by means of design of experiment approach.
X-ray CT is an extremely powerful tool which can used for different evaluations and analyses e.g. dimensional metrology, internal porosity, fiber orientation etc. Within the framework of this project, three different studies have been performed based on their critical quality aspects.
First study was focused on microfluidics where holistic dimensional quality control is desired. X-ray CT was used for the overall part measurement related to shrinkage and warpage, whereas conventional three dimensional optical profiler was employed used for the micro channel measurements. CT based data fusion approach was applied for the holistic part measurements. Moreover, the effect of electron beam alignment was also studied on the CT measurements of micro molded parts.
Fiber-reinforced polymers are commonly used in micro injection applications where higher mechanical properties are desirable e.g. in electronic connectors. Nevertheless, the use of fiber-reinforced polymers affects the desired accuracy, which is attributed mainly to the orientation of fibers in the final part. The non-destructive nature of X-ray CT allows to study the fiber orientation and its effect on the dimensional accuracy of the parts. An experimental investigation was carried out focusing the influence of process parameters (melt temperature, mold temperature, cooling time and packing pressure) on the desired fiber characteristics (orientation, fiber volume content
iv
etc.). A simulation based study was also performed to validate the CT based characterization of fiber reinforced composites.
The last part was focused on a specific micro injection molding application where the internal defects (voids) alter the quality adversely. A series of experimental investigations were made by varying the critical process parameters. X-ray CT was used for the part characterization and quality assessment considering the different quality criteria e.g. total void volume, part volume (shrinkage) etc. Optimal set of process parameters was identified by performing the statistical analysis.

Abstract (italian)

Il micro-srampaggio a iniezione è una tecnica di produzione ben consolidata per la replica in massa di micro parti. Tuttavia, lo sviluppo di un nuovo prodotto richiede un'ottimizzazione di processo conforme ai parametri di qualità desiderati. Dal punto di vista della qualità, sono richieste nuove tecnologie per la valutazione della qualità di micro prodotti e parti. La tomografia computerizzata a raggi X (CT) è una tecnologia emergente per il controllo della qualità nel settore industriale. L'attuale progetto si concentra sull'ottimizzazione della qualità di parti micro-stampate a micro iniezione, utilizzando la CT a raggi X. I parametri di lavorazione giocano un ruolo significativo nella qualità del prodotto finale; i parametri più importanti sono: temperatura del fuso, temperatura dello stampo, tempo di raffreddamento, pressione di compattazione, ecc. L'influenza dei parametri di processo sulla qualità del pezzo viene analizzata tramite la progettazione dell'approccio sperimentale.
La tomografia a raggi X è uno strumento estremamente potente che può essere utilizzato per diverse valutazioni e analisi, ad es. metrologia dimensionale, porosità interna, orientamento delle fibre, ecc. Nell'ambito di questo progetto, sono stati condotti tre diversi studi in base agli elementi di qualità più rilevanti.
Il primo studio si è concentrato sulla microfluidica dove è desiderato un controllo qualitativo dimensionale olistico. La tomografia a raggi X è stata utilizzata per la misurazione complessiva del pezzo, in particolare per le dimensioni e le deformazioni; mentre la profilometria ottica tridimensionale è stata utilizzata per le misurazioni dei micro canali. La fusione dei dati, ottenuti tramite l’uso della CT è stata utilizzata per le misurazioni olistiche del pezzo. Inoltre, l'effetto dell'allineamento del fascio di elettroni è stato studiato tramite le misurazioni di parti micro stampate utilizzando la tecnologia CT .
I polimeri rinforzati con fibre sono comunemente usati nelle applicazioni di micro iniezione in cui sono desiderabili proprietà meccaniche superiori, ad es. nei connettori elettronici. Tuttavia, l'uso di polimeri rinforzati con fibre influisce sulla precisione desiderata, che è attribuita principalmente all'orientamento delle fibre nel prodotto finale. La natura non distruttiva della tecnologia CT a raggi X consente di studiare l'orientamento delle fibre e la sua influenza sulla precisione dimensionale delle parti. È stata condotta un'indagine sperimentale, focalizzando quest’ultima sull'influenza dei parametri di processo (temperatura del fuso, temperatura dello stampo, tempo di raffreddamento e pressione di riempimento) sulle caratteristiche delle fibre (orientamento, contenuto di volume della fibra ecc.). È stato inoltre eseguito uno studio che include l'analisi e la simulazione numerica delle acquisizioni per validare la caratterizzazione, eseguita con tecnologia CT, di compositi rinforzati con fibre.
L'ultima parte si focalizza su una specifica applicazione del micro-stampaggio a iniezione
dove i difetti interni (i vuoti) alterano la qualità in modo avverso. Una serie di indagini sperimentali sono state eseguite variando i parametri critici del processo. La tomografia a raggi X è stata utilizzata per la caratterizzazione delle parti e la valutazione della qualità considerando i diversi criteri di qualità, ad es. volume totale dei difetti, volume della parte (restringimento) ecc. Il set ottimale dei parametri di processo è stato identificato tramite analisi statistica.

EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Carmignato, Simone
Supervisor:Lucchetta, Giovanni
Ph.D. course:Ciclo 30 > Corsi 30 > INGEGNERIA INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:15 January 2018
Anno di Pubblicazione:15 January 2018
Key Words:X-ray computed tomography, micro injection molding, metrology, microfluidics, fiber orientation, composites
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/14 Progettazione meccanica e costruzione di macchine
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:11001
Depositato il:15 Nov 2018 12:27
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