微流控芯片热压成型仿真研究

建立了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的黏弹性材料模型,利用有限元仿真软件Abaqus,以填充率为质量评价标准,对微流控芯片热压印的填充过程进行仿真。研究在等温条件(模具与芯片温度相同)下时间、温度和压力对微流控芯片沟槽填充效果的影响。仿真结果表明,压印温度和压印力对PMMA聚合物填充效果的影响较大,提高温度和压力都能达到加快聚合物填充速率和提高复制率的作用;时间参数的影响主要体现为增大PMMA的应力松弛现象,延长压印时间同样能达到提高复制率的作用。     

橡胶辅助热压印成型数值模拟

采用橡胶代替传统下模具,压印形成壳状结构的制品。通过单轴拉伸实验确定了各硬度橡胶的材料参数,以及确定了其橡胶本构模型为Mooney-Rivlin模型,并确定了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料模型为广义Maxwell模型。利用有限元仿真软件ANSYS模拟其成型过程,研究了在温度、压力和橡胶硬度对PMMA成型过程的影响,仿真结果表明,随着温度升高、压力的增大,微沟道成型深度增大。橡胶硬度越小,成型效果越明显,但成型制品的厚度均匀性会受到影响     

模具微结构及其加工方式对导光板性能的影响

为研究导光板微透镜结构尺寸及其加工方式对导光板性能的影响,选取了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)两种材料的基板,在类固态等温热压印成型工艺条件下压印导光板。然后采用九宫格法分别测量其表面9个点的照度,并算出其平均照度和均匀度,以导光板的平均照度和均匀度为导光板质量的表征量。结果表明:网点直径为80和37μm的PMMA均匀度曲线交点所对应的基片厚度为0.95 mm,而PC的均匀度曲线交点所对应的基片厚度为0.80 mm;相同厚度下,PMMA导光板比PC导光板所需的网点微透镜结构直径大;越薄的导光板所需的网点微透镜结构越小;撞点法加工的微结构模具比激光烧灼模具更有利于导光板微透镜结构的成型。     

工艺条件对聚碳酸酯微针成型的影响

通过模具上下模板差温的方法,以聚碳酸酯(PC)片材为基板,在热压印过程中制备了聚合物微针,研究了制备过程中,模具上下模板温度、热压印压强、热压印时间等工艺参数对微针平均长度和微结构复制率的影响。结果表明:模具上模板的合理温度(80℃左右)有助于减少压印时间和降温时间;下模板温度对微结构成型具有决定性的作用,只有在下模板温度大于154℃的条件下,才能压印出符合要求的聚合物微针;热压印压强在8～12 MPa的范围内与微针成型效果的关系呈正相关;随着压印时间的增加,微针的平均长度变长,通过控制合理的时间,微针的平均长度基本上能够达到模具上微针的长度,复制率大于95%。     

微圆柱阵列注射成型数值模拟及正交优化

针对微圆柱阵列的注射成型过程进行数值模拟研究,比较了不同原料聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)的成型工艺,并利用正交试验就微注射成型过程中影响熔体填充效果的主要工艺参数如模具温度、熔体温度和注射时间进行了模拟。运用极差分析法和方差分析法对熔体填充率进行分析。结果表明,对于PP而言,填充时间对其填充率的影响占主导地位,而对于POM与ABS,模具温度的影响相对更大。模具温度、熔体温度越高,注射时间越短,塑件填充效果越好。综合考虑,三种聚合物材料对微圆柱阵列填充效果适应性为:PPABSPOM。     

微型平板件注塑成型数值模拟仿真研究

利用CAE软件Moldflow对微型平板件的填充率进行了模拟和分析,比较了不同种类的原料聚甲醛(POM)和聚甲基丙烯酸甲(酯PMMA)的成型工艺,采用单因素法研究了熔体温度、模具温度、注射压力、填充速率对微型平板件填充率的影响。     

一种适于热压印成型的新塑料--PETG

通过将聚合物加热到其玻璃化温度以上，然后施加压力将模具上的图案转移到聚合物上的热压印成型方法，尝试一种新型塑料——PETG。将PETG与其它材料的热压印进行了对比性研究，并测试了四种不同模具对PETG的压印，实验结果表明，其复制精度都较高，热成型较为理想。     

超薄导光板压印工艺的模拟与实验分析

以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基片,采用一种上下模差温热压印的方法,制备具有双面微结构的超薄导光板。利用Deform~2D软件对压印过程中上模温度、下模温度和压强进行了有限元模拟,分析了不同工艺参数对双面微结构复制质量和聚合物成型情况的影响。以微结构的复制率和照度均匀度为评判依据,通过具体实验对模拟结果进行验证并得到了合适的工艺条件。结果表明:Deform~2D软件对导光板加工工艺参数的模拟与实验情况较为一致,当上模板温度为113℃,下模板温度为100℃,压强为11 MPa时,超薄导光板的结构复制率可达90%以上,照度均匀度可达72%。     

热压印成型超薄导光板的常见缺陷及优化方法

针对等温热压印成型超薄导光板常见的气泡缺陷和填充不完全缺陷,经过系列的实验探索并结合软件的模拟,提出了具体的优化方法。值得一提的是,针对气泡缺陷产生的原因提出了预热导光板的处理方式,探讨了基片的预热和不预热对气泡缺陷出现的影响,并结合实验确定了基片放入压印模具的最佳时刻。经实验发现,通过试验改善基片的放置方式来提高压力的利用率是解决填充不完全缺陷最为经济高效的方法。讨论了基片在模具中的不同放置方式对压印设备压力的利用率的影响,确定了基片在模具中合理的放置方式。实验结果表明,文中提出的优化方法均可靠有效,可操作性强,对超薄导光板的显示效果有明显的改善,在其指导下成型的超薄导光板微结构复制率可达90%以上,照度均匀度可达72%。     

PMMA在类固态微热压印过程中冷却速率与松弛速率的规律分析

通过选取若干温度对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)试样进行应力松弛实验,结合实验数据,建立松弛速率-温度(p-T)指数模型,计算不同T下PMMA的p和松弛时间常数(τ);以积分的形式建立起可连续求解的聚合物松弛应力变化率-冷却速率[σ_Δ(t)-v(t)]模型,求解不同v(t)下聚合物的σ_Δ(t),同时进行prism微结构类固态热压印实验,通过比较模型计算结果与微结构复制率,验证σ_Δ(t)-v(t)模型的实用性。结果表明,随着v(t)的提高,σ_Δ(t)越来越小,内应力松弛的更加充分,微结构的成型精度越高。     

陶瓷螺杆的粉末注射成型模拟研究

本文采用CAE软件Moldflow对陶瓷螺杆组件的注射成型过程进行模拟分析,确定了最佳浇口方案,分析了不同流动速率对填充时间、填充压力、前沿温度分布以及最大剪切速率的影响,并确定了最佳的工艺参数。结果证明,采用CAE模拟软件对陶瓷螺杆的注射成型过程进行模拟分析,可以进行模具结构和工艺参数优化,不但提高了效率,还能减少制品缺陷,提高制品质量。     

基于有限元数值模拟技术的热固性塑料模压制品收缩率研究

以有限元数值模拟技术作为辅助手段,采用单独变量实验法对热固性塑料模压成型制品收缩率的影响因素、结构组成和变化规律进行了研究。结果表明:对制品收缩率影响较大的因素是模压成型过程中的成型压力、成型温度、保压时间等。制品的收缩率由模具弹性变形、模具热变形、制品弹性恢复、制品冷却收缩和"残余收缩"共同构成,其中权重最大的是"残余收缩"。模具弹性变形、模具热变形、制品弹性恢复、制品冷却收缩分别与成型压力和成型温度成线性相关关系,而当成型压力、成型温度、保压时间处于某一范围内时,"残余收缩"呈现出一定的稳定性。     

PMMA滚压成型的数值模拟

建立了PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的黏弹性材料模型,以微结构的复制率作为评判依据,利用Abaqus软件研究了滚压过程中滚筒微结构和基板的几何参数对滚压工艺的影响。仿真结果表明:在相同的压印温度、压印力和牵引速度下,随着微结构直径的增大,复制率增大;随着微结构间距的增大,复制率先减小后保持不变;随着基板厚度的减小,复制率增大。     

聚合物微结构滚轮压印成型设备的研制

介绍了聚合物微结构滚轮压印成型的基本原理及成型过程,根据成型工艺要求,确定了滚轮压印设备所应具有的温度、压力控制等基本功能.研制了滚轮压印成型设备,采用外置铸铝加热圈辐射加热滚轮,并对上下两个滚轮采用独立的温度控制,采用伺服电机驱动滚轮同步转动,采用齿轮丝杠机构实现滚轮间隙及压力的调节,从而保证了对温度、压力等进行高精度实时控制.所研制的滚轮压印成型设备已结合单螺杆挤出机成功应用于聚合物微透镜的制备,并已取得非常好的效果.     

一种聚合物表面微结构平板热压印连续成型的方法

提出1种聚合物表面微结构平板热压印连续成型方法,该方法是将聚合物基片从挤出机挤出后,通过两辊对基片进行初步压平定型,再利用表面快速加热装置对聚合物表面进行快速加热,使聚合物表面温度迅速高于其熔融温度使其熔融,然后进入联动式平板热压印,设备压印制备出具有表面微结构聚合物片材。该方法的主要特点是将聚合物挤出成型设备和微结构平板热压印设备实现联动,一步法实现平板热压印聚合物表面微结构的连续成型。     

低熔点合金填充聚合物材料断口形貌研究

研究了合金元素、加工温度、金属含量、第三组分对低熔点金属填充聚合物材料断口形貌的影响。实验结果表明:不同的合金对体系的影响很大,低分子量、低结晶性聚合物,高的成型加工温度可提高材料的相容性。     

接触热阻对注塑成型冷却阶段温度场影响

基于制件与模具间接触热阻,建立了注塑成型冷却阶段传热的数学模型。采用数值模拟软件对结晶性材料聚丙烯(PP)和无定形材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的注塑成型冷却阶段进行温度场仿真分析,研究了制件厚度及界面环境对制件温度场的影响。结果表明,接触热阻对于聚合物冷却过程的温度场和冷却时间会产生很大的影响,而且随着聚合物厚度变小,效果会更加显著,接触热阻的影响程度因材料而异。仿真分析过程中,考虑接触热阻能够更加准确的预测冷却阶段的温度场。     

细胞皿微型塑件注射成型工艺

微尺度聚合物熔体充模流动过程较复杂,涉及影响因素较多,针对微尺度聚合物熔体的充模流动特点,以细胞皿塑件为研究对象,采用变模温、抽真空排气及微细电火花加工技术,设计制造了微注塑模具。基于Taguchi实验设计方法,以高密度聚乙烯(HDPE)和聚甲醛(POM)两种材料研究了工艺参数及其交互作用对微塑件成型质量的影响规律。实验结果表明,对于HDPE材料,模具温度对填充率的影响最大,保压压力次之,熔体温度和保压时间影响相对较小;对于POM材料,熔体温度对填充率的影响最大,保压压力次之,模具温度和保压时间影响相对较小。     

基于毛细管力作用下的非晶聚合物微纳米结构热压流动模拟

研究了微纳米热压印过程中,毛细管力对非晶体聚合物在高深宽比模腔中充模的影响。应用润滑近似理论,建立了基于毛细管力作用下,聚合物在微纳米孔中的非等温Hele-Shaw可压缩流动模型。采用有限元/有限差分方法求解所建立的热压印控制方程,并对分析结果进行了实验验证。数值模拟和实验结果吻合,表明毛细管力对聚合物流体在纳米级模腔充模中不可忽略;此外,所提出的模型也可以为微纳米压印成型优化中参数的确定提供有力依据。     

基于压印工艺的聚合物包覆高含量纳米粒子微纳复合薄膜的制备及应用

目前将纳米粒子引入到聚合物的方法中,纳米粒子在聚合物中的组分较少。为了制备具有高含量纳米粒子的聚合物基微纳复合结构薄膜,本文提出了一种基于压印工艺的新方法。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为聚合物材料,将Si O2纳米粒子填充到硅模板的腔体中,通过压印力做功使PDMS完全渗入到硅模板腔体内,从而将Si O2纳米粒子用PDMS包覆起来,形成了一种具有高含量纳米粒子的微纳复合结构薄膜。通过扫描电镜、光学显微镜和接触角测量仪对压印后所制备薄膜的形貌和接触角进行分析。研究结果表明,采用大占空比的模板有利于聚合物向模板腔体内的填充,适当的聚合物膜厚有利于纳米粒子在聚合物内的均匀分布,纳米粒子的分散性随着聚合物黏度的降低而显著提高。所制备的薄膜具有超疏水特性,薄膜与水的静态接触角达到151°。