基于Minitab的DOE實驗設計改進生產質量

摘要：從企業的調研中了解到制卡企業印刷基材與PVC薄膜層壓后的粘合力是其一項重要的指標，G公司使用剝離機測量剝離力，其要求大于6N的標準，結合企業生產現狀，在公司運用6Sigma中的CTQ關鍵質量特性分析油墨印刷質量對粘合力影響主因，因此設計了一次DOE實驗，通過進行雙因子圖分析，結合主效應圖，立方圖分析剝離力影響因素，得到最佳組合參數，而后優化印刷機工藝參數，在實際生產中得以驗證改善粘合力強度。

Abstract： We learn form enterprise research that the adhesive force between the printing substrate and PVC thin film after laminated is an important index. G company uses the peel tester machine to measure the force，the standard requires more than 6N. To combine with the current situation of the enterprise production， by using 6Sigma method we analyze CTQ critical quality characteristics. Ink printing quality is the main factor of the adhesion， so we design a DOE experiment， through the analysis of double factor plots， combine main effects plots and Cubic plot to analyze the main influencing factors of adhesive force. The optimal combination parameter is obtained， and then the process parameters of the printing machine are optimized， which has been verified and improved the adhesive strength in actual production.

關鍵詞：質量改進;六西格瑪;DOE設計;Minitab

Key words： quality improvement;6Sigma;DOE design;Minitab

中圖分類號：F203??????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1006-4311（2020）28-0243-03

1? 研究背景

以發展我國電子貨幣為目的，以電子貨幣應用為重點的各類卡基應用系統工程，將專用的集成電路芯片鑲嵌于符合ISO7816標準的PVC（或ABS等）塑料基片中，封裝成外形與磁卡類似的卡片形式，經設計、印刷、封裝等工序制成。對于多批次多種類生產的制造業對質量的要求越來越高，受產品質量、生產成本、客戶交貨期等因素影響，亟需改變生產模式，引入六西格瑪先進的精益生產理念，能快速、高效、準確的找到問題點，并予以解決滿足市場競爭需求。

1.1 文獻綜述

智能卡的剝離力是行業規范的一項重要的要求，剝離力的影響因素有很多比如卡表面印刷油墨黏度、PVC薄膜的膠特性、層壓工藝等等，而供應商提供的PVC薄膜膠特性在來料檢驗處一直較為穩定均可達到行業規范要求，層壓設備及工藝的過程能力相對較為穩定，從技術角度研究影響印刷質量因素，對印刷油墨的印刷質量，其中一個指標為層壓后的剝離力，剝離力較差時會將基材上的油墨粘下來，最常用的檢驗方法是用TESA膠帶對印刷后的大張基片進行粘合力測試，如果拉扯掉30%以上面積的油墨，在層壓后卡片剝離力差，卡表面膠膜會分層，而G公司的印刷使用的為UV型油墨，在印刷設備中設置UV固化工藝[1]，它是指利用紫外光為能源，引發具有化學反應活性的液態物質快速轉變為固態的過程，影響涂層表面附著力，UV光照的輻照強度、輻照時間、油墨厚度等因素對油墨附著力有影響。

結合G公司生產現場條件和環境設計實驗，設計印刷設備印刷速度與輻照時間相關實驗。G公司生產印刷主要依靠技術操作人員經驗，印刷參數無統一工藝標準，造成印刷質量不穩定，基材層壓后時常出現分層，為改進生產質量，運用六西格瑪系統理論指導設計一組DOE實驗，優化印刷工藝參數。

6SIGEMA實驗設計（DOE）是一個實驗策劃的過程，通過最少的實驗次數獲得必要的技術信息，用合適的統計方法分析數據，包括實驗設計和對收集的數據進行統計分析，統計分析方法依賴于所采用的設計方案。

1.2 本文創新點

粘合力及卡片分層缺陷是客戶投訴的重點，而且一旦粘合力問題出現，將面臨一個批次的大量廢品，生產成本損失較大，本文研究如下：①目前推行六西格瑪生產的企業不到1%，真正能使用這一系統理論解決問題的制造型企業更少，提供一個成功實踐案例為制造型企業高效運用六西格瑪理論中DOE設計解決生產問題提供方法途徑。②本設計采用的是企業實踐案例，具有真實可靠較其他仿真實驗更具有可靠性[2]。③DOE實驗設計方法基于6σ管理理論，選擇合適的響應變量，實驗必須選擇影響應變量的關鍵變量x（因子）以及應用于因子的水平，方法的邏輯與思路清晰，在制造業運用推廣范圍廣泛。

2? 實驗階段

2.1 確定CTQ

通過分析影響卡片粘合力的工程特性，分解CTQ樹[3][4]，質量特性表如表1所示。

其中關鍵的質量特性分別是油墨附著力、PVC膠膜粘合力，而PVC膠膜由供應商提供，來料檢驗其質量性能穩定符合規范要求。

2.2 核心SIPOC分析

SIPOC模型是一代質量大師戴明提出來的組織系統模型，是一門最有用而且最常用的，用于流程管理和改進的技術。是過程管理和改進的常用技術，作為識別核心過程的首選方法，如圖1所示。

2.3 關鍵特性DOE實驗設計

在卡片分層粘合力關鍵質量特性中基材的油墨附著力對層壓后粘合力起主要影響因素，設計一次DOE實驗，我們經常需要面對的一個問題是，在相當多的可能影響輸出Y的自變量X中，確定哪些自變量確實顯著地影響著輸出，如何改變或設置這些自變量的取值會使輸出達到最佳值，傳統的使用方法是將影響輸出的眾多輸入變量在同一次實驗中只變化一個變量，其他變量固定，其缺點是實驗周期長，浪費時間，實驗成本高，實驗方法粗糙，不能有效評估輸入間的相互影響。

使用DOE實驗方法，實驗策劃時研究最有效的方式安排實驗，能有效識別多個輸入因素對輸出的影響，實驗后通過對實驗結果的分析以獲得最佳值的結論。

2.3.1 全因子設計

下面對實驗設計過程進行說明，本實驗設計2因子2水平的因子實驗[5]，2個因子分別為印刷機印刷速度（SPEED）和UV光照強度功率，2水平分別為低速度和高速度、高功率比率和低功率比率。在Minitab中設計的因子方案如表2所示。

在全因子實驗中，增加一個中心點，設計標準序次數為5，增加了UV燈功率80%，6750轉速的中心點，設計了一個因子數為2，實驗次數為5次，中心點為1的實驗模型。

2.3.2 全因子實驗運行及結果

根據minitab設計的實驗[6][7]，現場找普通版面進行印刷小批量實驗產品，并記錄實驗數據，每組實驗20個大張取20個數據的平均值，共實驗100個產品取值，匯總數據并進行正態分析，通過MINITAB數據分析正態性，P值大于0.05，符合正態特性。

歸納數據取各均值并記錄在minitab表格中，如表3所示。

運用Minitab工具對實驗數據進行主效應圖分析，如圖2所示。

通過對主效應圖分析，速度與粘合力呈負相關系數，功率與粘合力呈正相關系數，兩個因子對粘合力影響斜率較大的為功率，說明功率的影響因素比印刷速度要大（此項經過實際考查與分析相符），速度為6000轉，功率設置為90%時達到最大值，但如果功率過大也會造成印刷過程基片過熱造成變形。

進一步分析了解功率和速度是否具有相關性，作為兩個因子之間的交互作用，運用minitab做交互作用圖如圖3所示。

圖中兩個因子線為平行，說明速度和功率不存在相關性。

對輸入印刷速度和功率與輸出粘合力之間做立方圖，找到最優化參數工藝，如圖4所示，速度6000和功率90%時的印刷工藝可讓粘合力達到8.4512N最大剝離力值。

得到最優工藝參數后需要進行生產驗證，通過實際生產驗證，收集數據minitab分析，改進前過程能力CPK為1.16，實驗后改進過程能力CPK達到1.83，如圖5所示，制程過程能力達到優秀水平。

3? 總結

我國雖然是制造大國，但還不是制造強國，在我國的制造行業中，本文對公司研究方法適用于其他制造行業，具有標志性參考意義，其次本文的研究方法是基于6西格瑪實驗設計，該方法將會給公司帶來經濟效益，國內制造行業能在質量管理中得到廣泛應用，通過本文的研究希望能給未來應用6Sigama管理方法的公司帶來豐富的經驗，更希望將本文研究理論和方法推廣到其他行業中。

參考文獻：

[1]楊坤.UV固化設備及工藝參數優化[D].上海交通大學，2009（5）.

[2]周南南，韋建，吳曉峰，于芹，應永瓊.基于DMAIC法的進氣歧管生產質量改進研究[J].青島科技大學，2017（8）.

[3]Gitlow H S，Levine D M.六西格瑪綠帶與倡導者手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]何偵.六西格瑪管理[M].三版.北京：中國人民大學出版社，2014.

[5]戴宗蓮，楊雷.基于正交實驗的片式電感器印刷質量改善研究[J].工業工程，2017（10）.

[6]何曉群，王作成.六西格瑪管理與MINITAB軟件[J].中國統計，2005（9）.

[7]吳民生.六西格瑪管理理念與統計過程控制[J].蘇州大學學報（工科版），2002（5）.

作者簡介：萬琳（1983-），女，湖北黃石人，講師，碩士研究生，主要研究方向為工業工程、六西格瑪精益生產。