基于精益TRIZ 理論的窄帶濾光片產能提升方法

王忠連，孫 言，王瑞生，高 鵬，董 明，班 超，婁海宇

（1.沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧沈陽 110043；2.沈陽藥科大學醫療器械學院，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]的生產力面臨考驗，產能提升成為亟待解決的問題。面對這種涉及工藝生產的問題，需要借助生產管理工具及技術創新工具來高效分析解決。最終目標是結合產線運行實際情況，在不增添設備的情況下，發掘當前濾光片產線的產能潛力。本研究將利用精益TRIZ方法（LTM）來尋求提升產能的潛在機會，根據提供的改進方向提出概念方案。具體流程是：首先采用Harrington 的LP-TRIZ（Lean process TRIZ）工具，結合質量功能展開（QFD），將三大改進目標中的生產力改善放到最優先位置，進一步通過對41 個過程設計改善方法篩選找到適合本部門生產的改進方向和措施[2]；定位到關鍵節點后，利用經典TRIZ 工具[3]，解決存在的技術問題，最終通過實驗來驗證產品線改進的可靠性。

1 關鍵節點分析

窄帶濾光片生產由多道生產工序構成，包括基片處理、鍍膜治具安裝、膜層鍍制、元件膠合、外殼封裝、產品包裝等主要工序。面對下游生物檢測設備制造商的訂購需求，結合QFD 工具分析，當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。為了保證產品波長指標在用戶需求范圍，要求產品膜層厚度的一致性[4]需要在較小范圍內波動，使得在鍍制工序環節的基片加工數量受到約束。因此鍍膜工序是重要工藝環節，被識別為當前生產效率的關鍵節點。根據目前產品生產滿足不了訂單數量和交貨周期，對LP-TRIZ 定義的三個改進目標進行優先級排序，成產率改進放在首位，質量可靠性改進放在第二，成本改進放在第三位。根據LP-TRIZ 的41×3 改善矩陣表，選擇適當的改善方向來提升鍍膜環節生產效率。針對改善生產效率目標維度，改善矩陣表提供了4 大類20種改進手段。排除人為因素改進和降低成本改進兩大類的方法，對減少操作周期大類和系統方法類的措施進行判別篩選[5]。結合生產線當前鍍膜實際運行周期和鍍膜生產工序的成熟度，最終保留系統方法類措施中的5.4 過程計算機化、5.7 制作新的工具，這兩個手段對于生產力的改善機會為“++”及“+”級別。說明采用該方法具有明顯的改進機會。

通過計算機設計產品及優化工藝，鍍膜程序自動控制鍍膜過程的最佳工作周期。如何進一步挖掘工序在當前周期內的產量，需要對鍍膜治具進行分析和設計。但是對鍍膜工具如鍍膜傘、基底夾具設計時，會對產品指標可靠性產生一定負面影響，構成了技術矛盾[6]，需要重點來分析解決。

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，膜系特性會遭到嚴重的破壞，所以薄膜厚度的均勻性是一個重要問題。對于不同的薄膜有不同的均勻性要求，要求最嚴格的應是窄帶濾光片，其均勻性誤差所引起的整個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。對于大直徑和窄半寬度的濾光片問題非常突出。對截止陡度要求高的截止濾光片均勻性差將導致截止沿離散嚴重。

鍍膜傘和基底卡具是鍍膜機上的主要裝置，是獲得均勻膜厚的重要條件之一。

目前現狀是：

（1） 在鍍膜設備熱蒸發點蒸發源的配置下，因為基底表面視作鍍膜傘的一部分，大尺寸平面基底（見圖2）安裝在鍍膜傘（見圖1）上無法保障鍍膜傘的面型，難滿足各個位置的膜厚均勻一致，因此無法生產高精度的濾光片，此配置只能生產光譜指標容差大的濾光片。

圖1 大孔鍍膜傘

圖2 大孔基底卡具

（2） 在熱蒸發點蒸發源的配置下，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，該配置可以生產光譜指標容差小的高精密濾光片，但該配置受到基底卡具沿的影響，會減少鍍膜傘開孔的數量，影響每次鍍制產品的數量（裝機數量600 個）。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能，進而實現產業化。

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計

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，產品數量提高，則能明顯提升產品線的產能。根據以上問題分析，我們發現基底面積與產品膜厚均勻性存在一對技術矛盾。根據TRIZ 理論，我們將基底面積和膜層均勻性這兩個工程參數，轉換為通用技術參數中的運動物體的面積，和制造精度，即技術參數05 和技術參數29。我們的改造對象，首先瞄準在實際中旋轉球面夾具（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，然后對不同曲率半徑的鏡片選用對應的球面夾具即可。不僅如此，球面夾具還可得到更大的均勻面積。

圖5 旋轉球面夾具

圖5 表示球面夾具的配置，其幾何關系[8]為

將式（1）代入式（2），得點源的厚度公式

根據矛盾矩陣表，改善參數05，惡化參數29，對應的解決辦法有原理2 抽取，和原理32 改變顏色，如表1 所示。發明原理32 改變顏色也是目前設備所采用監控膜層厚度的方法，可改進的余地目前很小。針對抽取原理給予的提示，我們做了如下設計改進：

表1 TRIZ 矛盾矩陣表對應的發明原理

為了進一步提高產能空間，鍍膜傘的設計需要采取大片托集成孔排布，目的是：

（1） 節省每個夾具沿2 mm 的尺寸，增加鍍膜傘每罩產品的裝機量。

（2） 以?8 基片為例，每個孔節省6 mm 尺寸，裝機量會大幅增加。

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，以每罩裝機量最多為原則，裝機量：N=max。其中A 為鍍膜傘開孔數量，B 為片托小孔數量。采用Auto CAD 軟件對鍍膜傘開孔排布和片托開孔排布計算，最終獲得N 的最大值。鍍膜傘的設計如圖1 所示，開孔尺寸數量為：60 見方的孔58 個。大片托集成?8孔的設計如圖所示，大片托開孔36 個。?8 基片裝機量：N?8=58×36=2 088，與原來相比提升248%。

從初步的改進模型上，我們可以在現有設備的基礎上提升單周期的生產數量。然而，新的問題也隨之產生。該設計方法雖然裝機數量大幅提高，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，此配置只能生產光譜指標容差大的濾光片。

基于上述存在的問題，做進一步的研究。我們進一步分析得到了新的技術矛盾對。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；部分增加的產品不能達到指標要求從而降低整體生產效率。我們將涉及的參數抽象為通用技術參數07 運動物體的體積和39 生產率。通過查找矛盾矩陣表[9]，給出了預先作用、多用性、抽取、拋棄與修復這幾個改進思路，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。經過改進后的大片托，見圖6，蒸發粒子在基底上沉積達到相對均勻分布。利用預先作用和修復原理提示，我們根據修正后的鍍膜傘膜層分布特征，制作對應的鍍膜掩膜板[10]，配合鍍膜傘的姿態的調節，達到產品指標的一致性。

表2 技術矛盾對應的發明原理

圖6 大片托集成孔設計

4 實驗數據統計分析評價

采用電子槍熱蒸發設備承擔此次窄帶濾光片的鍍制，高精密窄帶濾光片光譜指標如下：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據，測試方法采用光譜儀對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 個大片托（每個大片托有6×6=36 個），共測試432 片。測試位置命名規則546-1-2-34，546 為測試產品波長，1 為第一方向，2 為該方向第2 個片托，34 為矩陣方式定位大片托各孔的位置。圖7 為第一次鍍制實驗測試中心波長位置的離散分布情況。

圖7 抽檢數據的離散分布

因第一次實驗，所有工藝是按舊鍍膜傘來鍍制，數據離散會略大。從數據的離散分布規律看：

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

（2） 數據每6 個點作為1 個周期（1 個周期是大片托每橫排的6 個點），每個周期內的點差距變化很小，都在0.3 以內，說明設計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） 數據整體變化趨勢一致，從里圈到外圈，中心波長位置由長到短，此種離散現象可以通過調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，此種離散現象可以通過對鍍膜傘調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±2 nm；實驗結果為：半寬8.5～8.7 nm，滿足光譜指標8±2 nm；數據驗證了球面型集成小孔大片托設計的可行性。本次實驗數據離散大，但通過工藝調整，去除粗大誤差和系統誤差，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誤差情況下，可以達到CW:±1 nm，遠優于指標要求。

5 結論

本研究通過Harrington 的精益TRIZ 理論工具，定位制約產品產量的關鍵節點。通過41×3 改善矩陣表對生產線中的鍍膜生產工序進行改進。利用經典TRIZ中的技術矛盾矩陣提供的發明原理思路，結合膜厚均勻性理論，設計了新型球面型工裝卡具，實現每罩可以鍍制Φ8 產品2 088 片，產能提升248%；采用修正掩膜板等鍍制工藝的調整，完成窄帶精密濾光片的制備；通過數據統計分析評估方案，結果新工藝達到預期效果。通過精益TRIZ 及相關創新工具的運用，大大縮短了產能提升的研發周期，節省了購置新生產線實現產能擴張的成本。該工藝改進為保證大批量濾光片生產時膜厚的精密控制起到了至關重要的作用，為其他產品線鍍制精密濾光片批量化，產業化起到借鑒作用。