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研究生: 陳旺志
Chen, Wang-Zhi
論文名稱: 聰敏扣件之設計方法研究
A Study On Design Method of Smart Fasteners
指導教授: 陳家豪
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 102
中文關鍵詞: 利用聰敏材料來主動拆解形狀記憶合金形狀記憶塑膠TRIZ
外文關鍵詞: shape memory alloy, shape memory polymer, TRIZ, Active Disassembly of Smart Materials
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  • 隨著當今對於環境保護的意識高漲,各項產品的生命週期(Life Cycle)過程都需要符合環保概念,加上歐盟法規中RoHS與WEEE均在敦促所有的產品製造商需加緊改善自己的產品中的禁用物質及從原料採集到廢棄所產生的污染並提高產品的3R(reuse, recycling和recovery)概念。藉由上述這些法規限制與環境保護概念,希望可以降低產品對環境的衝擊性,增加元件的再生利用性,因此如何將產品以最有效率的方法拆解是達成產品是否可再生利用的關鍵性技術。近來,在產品中加入利用聰敏扣件來主動拆解產品概念的導入,藉由聰敏扣件的主動特性來達到主動拆解的方法,使產品中的各個元件在廢棄後更易於分類處理。
    本研究將主動拆解的概念結合形狀記憶合金與形狀記憶塑膠特性,提出主動拆解的設計技術。文中首先提出NiTi形狀記憶合金的拉伸壓縮彈簧線圈設計公式、形狀記憶塑膠的相關設計尺寸特徵與記憶塑膠件製成的snap-fit扣件設計公式。接著利用TRIZ創新法則來創新適用於產品結合與拆解的新型聰敏扣件型態。最後還提出主動拆解技術設計導引,以提供設計工程師較完整之主動性易拆解設計技術,來協助設計工程師開發可易再生回收的產品,以降低產品廢棄後對環境的衝擊性。

    Nowdays the consciousness of environmental protection rise highly, the life cycle of each product requires to conform with environmental protection concepts. Furthermore, the RoHS and WEEE urge product manufacturers to eliminate the forbidding materials in products and increase the 3R concepts(reuse, recycling, recovery ) in the products. With the regulations and the concepts of environmental protection, we hope to decelerate the environmental impacts from the products and rise the reusing rate of the parts. Therefore, how to disassemble products effectively is the key technology to satisfy 3R concepts. Recently, the concept of joining smart fasteners in the products to disassemble products actively is introduced. The product can be disassembled easily by the method of active disassembly with smart fasteners.
    This research presents an active disassembly design methodology by integrating the characteristics of shape memory alloys and shape memory polymers with the concept of active disassembly. First, this paper describes design formula of the tensile or compressive coil springs which are made by NiTi shape memory alloy. The related design formula of snap-fit fasteners which are made by shape memory polymers is also presented. Then, this paper use TRIZ method to invent new smart fasteners which can be used on assembly and disassembly in the products. Finally, this paper presents design guidlines of active disassembly technology for design enginners in developing the green product with less environmental impacts.

    目錄 摘要 I 英文摘要 II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 IX 圖目錄 X 符號表 XII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 文獻回顧 3 1-3 研究目的 5 1-4 本文架構 6 第二章 聰敏材料之形狀記憶合金 8 2-1 形狀記憶合金的基本概念 9 2-1-1 單向形狀記憶(One Way Shape Memory,簡稱OWSM;1-way SME) 13 2-1-2 雙向形狀記憶(Two Way Shape Memory,簡稱TWSM;2-way SME) 14 2-1-3 全向形狀記憶(All-Round Shape Memory,簡稱ARSM; Multi-way SME) 16 2-2 具形狀記憶效應合金種類 17 2-3 形狀記憶彈簧線圈元件的設計 18 2-3-1 螺旋彈簧設計公式介紹 19 2-3-2 螺旋彈簧設計案例介紹 23 2-3-2-1 螺旋彈簧設計案例一 23 2-3-2-2 螺旋彈簧設計案例二 24 2-3-2-3 螺旋彈簧設計案例三 26 第三章 聰敏材料之形狀記憶塑膠 27 3-1 形狀記憶塑膠的基本概念 28 3-2 形狀記憶塑膠的種類 31 3-2-1 形狀記憶塑膠類型介紹 31 3-2-2 部分形狀記憶塑膠介紹 32 3-2-2-1 反式聚異戊二烯(trans-polyisoprene,TPI) 32 3-2-2-2 交聯聚乙烯(XLPE) 33 3-2-2-3 聚降冰片烯(polynorbornene) 33 3-2-2-4 聚氨酯(polyurethanes,PU) 34 3-2-2-5 苯乙烯-丁二烯共聚物(styrene-butadiene copolymer) 35 3-3 形狀記憶塑膠的相關設計參考 35 3-4 Snap-Fit (嵌合扣件)設計 37 3-4-1 一般型snap-fit 39 3-4-1-1 一般型snap-fit設計公式介紹 39 3-4-1-2 一般型snap-fit設計案例介紹 43 3-4-2 L型snap-fit 43 3-4-2-1 L型snap-fit公式介紹 43 3-4-2-2 L型snap-fit案例介紹 44 第四章 利用創新方法來設計扣件型態 46 4-1 利用TRIZ發明法則來創新扣件型態 46 4-1-1 創新設計案例一-聰敏螺帽蓋的創新 48 4-1-2 創新設計案例二-中空螺絲釘 50 4-1-3 創新設計案例三-snap-fit扣件改良 51 4-2 利用物質場分析來創新主動分離扣件 52 4-2-1 物質場分析基本概念 52 4-2-2 物質場分析案例介紹 55 第五章 主動拆解的設計法則 58 5-1 主動拆解的目的 58 5-2 聰敏材料的選擇 59 5-2-1 形狀記憶合金(SMA) 59 5-2-1-1 形狀記憶合金基本應用概念 59 5-2-1-2 形狀記憶合金整理 60 5-2-1-3 TiNi合金之形狀記憶螺旋彈簧線圈元件設計 64 5-2-2 形狀記憶塑膠(形狀記憶高分子,SMP) 64 5-2-2-1 形狀記憶塑膠應用基本概念 64 5-2-2-2 形狀記憶塑膠整理 64 5-2-2-3 形狀記憶塑膠相關設計公式 66 5-3 加熱拆解方式介紹 67 5-3-1 熱風爐法 67 5-3-2 熱浴法 68 5-3-3 微波加熱法 69 5-3-4 電磁感應法 69 5-4 聰敏扣件設計注意事項 70 第六章 結論與建議 72 6-1 結論 72 6-2 建議 74 參考文獻 76 附錄A 81 附錄B 83 附錄C 85 表目錄 表2-1 全向形狀記憶合金的特性 17 表2-2 TiNi螺旋彈簧致動器的實驗數據 24 表4-1 簡易TRIZ矛盾矩陣 48 表5-1 形狀記憶合金之材料資訊表 60 表5-2 TiNi合金相關G值整理 63 表5-3 形狀記憶線圈設計公式 63 表5-4 形狀記憶塑膠之材料資訊表 65 表5-5 一般型與L型snap-fit設計公式 66 表6-1 形狀記憶合金與形狀記憶塑膠比較 73 表A-1 TiNi形狀記憶合金設計參數 82 圖目錄 圖2-1 普通金屬的應力應變曲線圖 10 圖2-2 形狀記憶合金的應力應變曲線與特徵溫度位置圖 10 圖2-3 形狀記憶合金在冷熱循環中呈現的熱遲滯現象 12 圖2-4 單向形狀記憶示意圖 13 圖2-5 雙向形狀記憶示意圖 14 圖2-6 (a)低溫時偏壓彈簧力向右移動,形狀記憶合金被壓縮;(b)高溫時 形狀記憶合金伸長,使偏壓彈簧向左壓縮 17 圖2-7 Ti-51Ni(%原子)合金呈現出的全向形狀記憶效應(a)固溶處理並加 約束;(b)(c)冷卻時的形狀;(d)(e)繼續冷卻時的形狀 18 圖2-8 壓縮螺旋彈簧線圈 19 圖2-9 計算NiTi螺旋彈簧線圈的數據流程圖 22 圖2-10 案例一的解決流程圖 23 圖2-11 彈簧上視圖 24 圖2-12案例二的解決流程圖 25 圖2-13案例三的解決流程圖 26 圖3-1 聚合物的形變與溫度的關係 29 圖3-2 彈性模量在溫度Tg前後的變化 29 圖3-3 snap-fit示意圖 38 圖3-4 一般型snap-fit 40 圖3-5 snap-fit加熱變形的最小形變量與嵌合時需最大形變量的幾何圖 形 40 圖3-6 均勻樑的Q Factor值 42 圖3-7 L型snap-fit 44 圖4-1 利用TRIZ發明法則來解決問題的流程圖 47 圖4-2 聰敏螺帽蓋 49 圖4-3 含記憶合金球的中空螺絲(a)加熱前功能同一般螺絲;(b)加熱後記 憶合金球狀物因變形而導致螺絲失去支撐效果 51 圖4-4 snap-fit改良示意圖(a)物塊未分離前仍同一般嵌合扣件;(b)針對 記憶塑膠製成的物塊加熱導致變形使扣件與底座分離 52 圖4-5 物質場分析基本模型圖 54 圖4-6 利用電磁力做為引動力來結合兩處零件的物質場圖 55 圖4-7 電磁鐵扣件示意圖 57 圖4-8 利用太陽能板吸收光源來維持電磁鐵扣件的液晶螢幕 57 圖5-1 熱風爐 68 圖5-2 熱浴法 68 圖5-3 微波爐 69 圖5-4 電磁加熱儀器 70

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    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2006-07-26公開
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