基于精益TRIZ 理論的窄帶濾光片產(chǎn)能提升方法

王忠連，孫 言，王瑞生，高 鵬，董 明，班 超，婁海宇

（1.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽 110043；2.沈陽藥科大學(xué)醫(yī)療器械學(xué)院，遼寧本溪 117004）

引言

隨著濾光片元件市場需求量的激增，窄帶濾光片[1]的生產(chǎn)力面臨考驗(yàn)，產(chǎn)能提升成為亟待解決的問題。面對(duì)這種涉及工藝生產(chǎn)的問題，需要借助生產(chǎn)管理工具及技術(shù)創(chuàng)新工具來高效分析解決。最終目標(biāo)是結(jié)合產(chǎn)線運(yùn)行實(shí)際情況，在不增添設(shè)備的情況下，發(fā)掘當(dāng)前濾光片產(chǎn)線的產(chǎn)能潛力。本研究將利用精益TRIZ方法（LTM）來尋求提升產(chǎn)能的潛在機(jī)會(huì)，根據(jù)提供的改進(jìn)方向提出概念方案。具體流程是：首先采用Harrington 的LP-TRIZ（Lean process TRIZ）工具，結(jié)合質(zhì)量功能展開（QFD），將三大改進(jìn)目標(biāo)中的生產(chǎn)力改善放到最優(yōu)先位置，進(jìn)一步通過對(duì)41 個(gè)過程設(shè)計(jì)改善方法篩選找到適合本部門生產(chǎn)的改進(jìn)方向和措施[2]；定位到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)后，利用經(jīng)典TRIZ 工具[3]，解決存在的技術(shù)問題，最終通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證產(chǎn)品線改進(jìn)的可靠性。

1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

窄帶濾光片生產(chǎn)由多道生產(chǎn)工序構(gòu)成，包括基片處理、鍍膜治具安裝、膜層鍍制、元件膠合、外殼封裝、產(chǎn)品包裝等主要工序。面對(duì)下游生物檢測設(shè)備制造商的訂購需求，結(jié)合QFD 工具分析，當(dāng)前濾光片的光譜精度是首要需求，成本及外觀等是次要需求。為了保證產(chǎn)品波長指標(biāo)在用戶需求范圍，要求產(chǎn)品膜層厚度的一致性[4]需要在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，使得在鍍制工序環(huán)節(jié)的基片加工數(shù)量受到約束。因此鍍膜工序是重要工藝環(huán)節(jié)，被識(shí)別為當(dāng)前生產(chǎn)效率的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。根據(jù)目前產(chǎn)品生產(chǎn)滿足不了訂單數(shù)量和交貨周期，對(duì)LP-TRIZ 定義的三個(gè)改進(jìn)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，成產(chǎn)率改進(jìn)放在首位，質(zhì)量可靠性改進(jìn)放在第二，成本改進(jìn)放在第三位。根據(jù)LP-TRIZ 的41×3 改善矩陣表，選擇適當(dāng)?shù)母纳品较騺硖嵘兡きh(huán)節(jié)生產(chǎn)效率。針對(duì)改善生產(chǎn)效率目標(biāo)維度，改善矩陣表提供了4 大類20種改進(jìn)手段。排除人為因素改進(jìn)和降低成本改進(jìn)兩大類的方法，對(duì)減少操作周期大類和系統(tǒng)方法類的措施進(jìn)行判別篩選[5]。結(jié)合生產(chǎn)線當(dāng)前鍍膜實(shí)際運(yùn)行周期和鍍膜生產(chǎn)工序的成熟度，最終保留系統(tǒng)方法類措施中的5.4 過程計(jì)算機(jī)化、5.7 制作新的工具，這兩個(gè)手段對(duì)于生產(chǎn)力的改善機(jī)會(huì)為“++”及“+”級(jí)別。說明采用該方法具有明顯的改進(jìn)機(jī)會(huì)。

通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)品及優(yōu)化工藝，鍍膜程序自動(dòng)控制鍍膜過程的最佳工作周期。如何進(jìn)一步挖掘工序在當(dāng)前周期內(nèi)的產(chǎn)量，需要對(duì)鍍膜治具進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。但是對(duì)鍍膜工具如鍍膜傘、基底夾具設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)對(duì)產(chǎn)品指標(biāo)可靠性產(chǎn)生一定負(fù)面影響，構(gòu)成了技術(shù)矛盾[6]，需要重點(diǎn)來分析解決。

2 初始問題分析

膜層厚度的均勻性[7]是指膜厚隨著基底表面位置變化而變化的情況。膜厚均勻性不好，膜系特性會(huì)遭到嚴(yán)重的破壞，所以薄膜厚度的均勻性是一個(gè)重要問題。對(duì)于不同的薄膜有不同的均勻性要求，要求最嚴(yán)格的應(yīng)是窄帶濾光片，其均勻性誤差所引起的整個(gè)濾光片表面上的峰值波長變化不能大于半波帶寬的0.3倍。對(duì)于大直徑和窄半寬度的濾光片問題非常突出。對(duì)截止陡度要求高的截止濾光片均勻性差將導(dǎo)致截止沿離散嚴(yán)重。

鍍膜傘和基底卡具是鍍膜機(jī)上的主要裝置，是獲得均勻膜厚的重要條件之一。

目前現(xiàn)狀是：

（1） 在鍍膜設(shè)備熱蒸發(fā)點(diǎn)蒸發(fā)源的配置下，因?yàn)榛妆砻嬉曌麇兡愕囊徊糠郑蟪叽缙矫婊祝ㄒ妶D2）安裝在鍍膜傘（見圖1）上無法保障鍍膜傘的面型，難滿足各個(gè)位置的膜厚均勻一致，因此無法生產(chǎn)高精度的濾光片，此配置只能生產(chǎn)光譜指標(biāo)容差大的濾光片。

圖1 大孔鍍膜傘

圖2 大孔基底卡具

（2） 在熱蒸發(fā)點(diǎn)蒸發(fā)源的配置下，采取小尺寸基底（見圖4）安裝在小孔鍍膜傘（見圖3）的方式，因基底尺寸小，可近似鍍膜傘的面型，該配置可以生產(chǎn)光譜指標(biāo)容差小的高精密濾光片，但該配置受到基底卡具沿的影響，會(huì)減少鍍膜傘開孔的數(shù)量，影響每次鍍制產(chǎn)品的數(shù)量（裝機(jī)數(shù)量600 個(gè)）。目前兩種方案均存在不足，在這樣的情況下需要新工藝提升產(chǎn)能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

圖3 小孔鍍膜傘

圖4 小孔基底卡具

3 問題解決模型及新工裝設(shè)計(jì)

為保證濾光片光譜精度，每次鍍膜工序的有效鍍制面積受到限制，若相同加工周期內(nèi)，產(chǎn)品數(shù)量提高，則能明顯提升產(chǎn)品線的產(chǎn)能。根據(jù)以上問題分析，我們發(fā)現(xiàn)基底面積與產(chǎn)品膜厚均勻性存在一對(duì)技術(shù)矛盾。根據(jù)TRIZ 理論，我們將基底面積和膜層均勻性這兩個(gè)工程參數(shù)，轉(zhuǎn)換為通用技術(shù)參數(shù)中的運(yùn)動(dòng)物體的面積，和制造精度，即技術(shù)參數(shù)05 和技術(shù)參數(shù)29。我們的改造對(duì)象，首先瞄準(zhǔn)在實(shí)際中旋轉(zhuǎn)球面夾具（見圖5）。它適用于各種曲率半徑的鏡片，這只需把鏡片表面視作球面夾具的一部分，然后對(duì)不同曲率半徑的鏡片選用對(duì)應(yīng)的球面夾具即可。不僅如此，球面夾具還可得到更大的均勻面積。

圖5 旋轉(zhuǎn)球面夾具

圖5 表示球面夾具的配置，其幾何關(guān)系[8]為

將式（1）代入式（2），得點(diǎn)源的厚度公式

根據(jù)矛盾矩陣表，改善參數(shù)05，惡化參數(shù)29，對(duì)應(yīng)的解決辦法有原理2 抽取，和原理32 改變顏色，如表1 所示。發(fā)明原理32 改變顏色也是目前設(shè)備所采用監(jiān)控膜層厚度的方法，可改進(jìn)的余地目前很小。針對(duì)抽取原理給予的提示，我們做了如下設(shè)計(jì)改進(jìn)：

表1 TRIZ 矛盾矩陣表對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理

為了進(jìn)一步提高產(chǎn)能空間，鍍膜傘的設(shè)計(jì)需要采取大片托集成孔排布，目的是：

（1） 節(jié)省每個(gè)夾具沿2 mm 的尺寸，增加鍍膜傘每罩產(chǎn)品的裝機(jī)量。

（2） 以?8 基片為例，每個(gè)孔節(jié)省6 mm 尺寸，裝機(jī)量會(huì)大幅增加。

采取該方案后，主要涉及鍍膜傘開孔尺寸的確定。開孔尺寸需與大片托小孔集成尺寸共同確定，以每罩裝機(jī)量最多為原則，裝機(jī)量：N=max。其中A 為鍍膜傘開孔數(shù)量，B 為片托小孔數(shù)量。采用Auto CAD 軟件對(duì)鍍膜傘開孔排布和片托開孔排布計(jì)算，最終獲得N 的最大值。鍍膜傘的設(shè)計(jì)如圖1 所示，開孔尺寸數(shù)量為：60 見方的孔58 個(gè)。大片托集成?8孔的設(shè)計(jì)如圖所示，大片托開孔36 個(gè)。?8 基片裝機(jī)量：N?8=58×36=2 088，與原來相比提升248%。

從初步的改進(jìn)模型上，我們可以在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上提升單周期的生產(chǎn)數(shù)量。然而，新的問題也隨之產(chǎn)生。該設(shè)計(jì)方法雖然裝機(jī)數(shù)量大幅提高，但存在一些不足，因基底表面視作鍍膜傘的一部分，大尺寸平面基底安裝在鍍膜傘上無法保障鍍膜傘的球面型，很難滿足各位置的膜厚都均勻一致，無法獲得高精度的濾光片，此配置只能生產(chǎn)光譜指標(biāo)容差大的濾光片。

基于上述存在的問題，做進(jìn)一步的研究。我們進(jìn)一步分析得到了新的技術(shù)矛盾對(duì)。由于基片片托的體積近似薄圓柱或薄立方體，而不是球面體；部分增加的產(chǎn)品不能達(dá)到指標(biāo)要求從而降低整體生產(chǎn)效率。我們將涉及的參數(shù)抽象為通用技術(shù)參數(shù)07 運(yùn)動(dòng)物體的體積和39 生產(chǎn)率。通過查找矛盾矩陣表[9]，給出了預(yù)先作用、多用性、抽取、拋棄與修復(fù)這幾個(gè)改進(jìn)思路，如表2 所示。利用多用性與抽取原理的思路，將球面特征提取出來，使片托成為鍍膜傘的一部分。通過不斷修正，將該卡具的底面加工為球面型，其半徑與鍍膜傘的內(nèi)球面半徑相同，卡具上所有的開孔方向均指向球面型的球心。經(jīng)過改進(jìn)后的大片托，見圖6，蒸發(fā)粒子在基底上沉積達(dá)到相對(duì)均勻分布。利用預(yù)先作用和修復(fù)原理提示，我們根據(jù)修正后的鍍膜傘膜層分布特征，制作對(duì)應(yīng)的鍍膜掩膜板[10]，配合鍍膜傘的姿態(tài)的調(diào)節(jié)，達(dá)到產(chǎn)品指標(biāo)的一致性。

表2 技術(shù)矛盾對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理

圖6 大片托集成孔設(shè)計(jì)

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)

采用電子槍熱蒸發(fā)設(shè)備承擔(dān)此次窄帶濾光片的鍍制，高精密窄帶濾光片光譜指標(biāo)如下：中心波長（CW）容差：±2 nm；半寬（FWHM）:8±2 nm；基底尺寸：?8。

采用圖1 和圖6 配合的新工裝鍍制窄帶濾光片的光譜數(shù)據(jù)，測試方法采用光譜儀對(duì)鍍膜傘的十字型四方向四列的大片托全部抽檢，每列測試3 個(gè)大片托（每個(gè)大片托有6×6=36 個(gè)），共測試432 片。測試位置命名規(guī)則546-1-2-34，546 為測試產(chǎn)品波長，1 為第一方向，2 為該方向第2 個(gè)片托，34 為矩陣方式定位大片托各孔的位置。圖7 為第一次鍍制實(shí)驗(yàn)測試中心波長位置的離散分布情況。

圖7 抽檢數(shù)據(jù)的離散分布

因第一次實(shí)驗(yàn)，所有工藝是按舊鍍膜傘來鍍制，數(shù)據(jù)離散會(huì)略大。從數(shù)據(jù)的離散分布規(guī)律看：

（1） 中心波長的平均波長位置545.7 nm，可以通過調(diào)整鍍膜設(shè)備光控的監(jiān)控波長消除系統(tǒng)誤差546-545.7=0.3 nm。

（2） 數(shù)據(jù)每6 個(gè)點(diǎn)作為1 個(gè)周期（1 個(gè)周期是大片托每橫排的6 個(gè)點(diǎn)），每個(gè)周期內(nèi)的點(diǎn)差距變化很小，都在0.3 以內(nèi)，說明設(shè)計(jì)的密排孔球面型大片托使用效果良好，膜厚均勻性分布好。

（3） 數(shù)據(jù)整體變化趨勢(shì)一致，從里圈到外圈，中心波長位置由長到短，此種離散現(xiàn)象可以通過調(diào)整修正掩膜板改變膜厚分布消除部分粗大誤差。

（4） 第一方向的中心波長位置整體偏長，而第三方向則偏短，此種離散現(xiàn)象可以通過對(duì)鍍膜傘調(diào)平改變膜厚分布來消除部分粗大誤差。

（5） CW 容差為：±1.45 nm，滿足光譜指標(biāo)±2 nm；實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：半寬8.5～8.7 nm，滿足光譜指標(biāo)8±2 nm；數(shù)據(jù)驗(yàn)證了球面型集成小孔大片托設(shè)計(jì)的可行性。本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散大，但通過工藝調(diào)整，去除粗大誤差和系統(tǒng)誤差，在考慮鍍膜傘、片托夾具精度，修正擋板等，所有可能帶來的累計(jì)誤差情況下，可以達(dá)到CW:±1 nm，遠(yuǎn)優(yōu)于指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本研究通過Harrington 的精益TRIZ 理論工具，定位制約產(chǎn)品產(chǎn)量的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。通過41×3 改善矩陣表對(duì)生產(chǎn)線中的鍍膜生產(chǎn)工序進(jìn)行改進(jìn)。利用經(jīng)典TRIZ中的技術(shù)矛盾矩陣提供的發(fā)明原理思路，結(jié)合膜厚均勻性理論，設(shè)計(jì)了新型球面型工裝卡具，實(shí)現(xiàn)每罩可以鍍制Φ8 產(chǎn)品2 088 片，產(chǎn)能提升248%；采用修正掩膜板等鍍制工藝的調(diào)整，完成窄帶精密濾光片的制備；通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估方案，結(jié)果新工藝達(dá)到預(yù)期效果。通過精益TRIZ 及相關(guān)創(chuàng)新工具的運(yùn)用，大大縮短了產(chǎn)能提升的研發(fā)周期，節(jié)省了購置新生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能擴(kuò)張的成本。該工藝改進(jìn)為保證大批量濾光片生產(chǎn)時(shí)膜厚的精密控制起到了至關(guān)重要的作用，為其他產(chǎn)品線鍍制精密濾光片批量化，產(chǎn)業(yè)化起到借鑒作用。