滚型纳米压印模具变形机理的研究

滚型纳米压印是一种高效、低成本批量化制造大面积微纳米结构的方法,已经被看成是最具有工业化应用前景的微纳米制造方法之一,同时也被认为是实现纳米压印技术从实验室到工业化应用的一个重要突破口。开展滚型纳米压印过程中模具变形机理和规律的研究,提出滚型纳米压印两种理论模型,揭示柔性接触滚轮模具变形的机理、规律和主要影响因素,阐述硬质接触和柔性接触两种压印方式显著区别和特点。该研究为探索减小弹性滚轮模具变形策略和方法,滚型纳米压印工艺要素的优化,以及提高滚型纳米压印复型精度和压印效率奠定了理论基础。     

面向大面积微结构批量化制造的复合压印光刻

为了解决在大尺寸非平整刚性衬底和易碎衬底上高效低成本批量化制造大面积微纳结构这一难题,提出一种面向大面积微结构批量化制造的复合微纳压印光刻工艺。阐述了复合压印光刻的基本原理和工艺流程,通过实验揭示了主要工艺参数(覆模速度、压印力、压印速度、固化时间)对于压印结构的影响及规律。最后,利用课题组自主研发的复合压印光刻机,并结合优化的工艺参数,在3种不同的硬质基材(玻璃、PMMA、蓝宝石)上实现了微尺度柱状结构(最大图形区域为132mm×119mm)、微尺度光栅结构(最大直径为15.24cm的圆形区域)和纳尺度柱状结构(图形区域为47mm×47mm)的大面积微纳结构制造。研究结果表明,提出的复合微纳米压印工艺为大面积微纳结构宏量可控制备、以及大尺寸非平整刚性衬底/易碎衬底大面积图形化提供了一种全新的解决方案,具有广阔的工业化应用前景。     

大面积纳米压印光刻晶圆级复合软模具制造

为了解决大面积纳米压印所面临的大尺寸晶圆级复合软模具低成本制造的难题,对于当前广泛使用的大尺寸晶圆级双层复合软模具开展了理论分析、数值模拟和制造方法的系统研究。提出并建立了复合软模具脱模过程和气泡缺陷理论模型;利用ABAQUS工程模拟软件,揭示了大尺寸复合软模具影响脱模的因素和内在规律;提出一种大尺寸晶圆级双层复合软模具低成本制造方法,并完成了10.16cm(4inch)满片双层复合软模具复制的实验验证。研究结果为大尺寸复合软模具制造奠定了理论基础,并提供了一种低成本高质量制造大尺寸晶圆级双层复合软模具切实可行的方法。     

纳米压印光刻模具制作技术研究进展及其发展趋势

模具是纳米压印光刻(Nanoimprint lithography,NIL)与传统光学光刻工艺最大的区别所在,模具作为压印特征的初始载体直接决定着压印图型的质量,要实现高质量的压印复型,必须要有高质量的压印模具。不同于传统光学光刻使用的掩模(4X),纳米压印光刻使用的是1X模版,它在模具制作、检查和修复技术面临更大挑战。当前,模具的制作已经成为NIL最大的技术瓶颈,而且随着纳米压印光刻研究的日益深入以及应用领域的不断扩大,NIL模具的制造将变的越来越重要并面临着更加严峻的挑战。因此,模具的制造已经成为当前纳米压印光刻一个最重要的研究热点,纳米压印光刻发展的历史也是压印模具不断发展创新的历史。综述了当前国内外各种纳米压印光刻模具制作技术研究进展,并指出三维模具、大面积模具和高分辨率模具的制作、模具缺陷的检查和修复是当前及其将来最迫切的需求、最主要的研究热点和挑战。     

电驱动微纳米模塑技术的成形机理及工艺参数影响研究

电驱动微纳米模塑技术较之常规压印光刻技术具有其独特的优势,其利用电场产生的Maxwell压强替代外部机械压力,实现对聚合物薄膜流变的有效驱动,可以避免压印光刻技术中机械压力引发的结构变形等问题,实现微纳米结构的保真复形。针对电驱动微纳米模塑技术中电场施加方式以及模具几何约束的差异,提出非接触式与接触式两种电驱动模塑成形方法,并采用理论分析、数值仿真以及试验等手段探究电场作用下聚合物的流变成形机理,分析电压、空气间隙和膜厚等工艺参数对复形模塑结构的影响,探讨非接触式与接触式两种电驱动微纳米结构成形方法的异同。研究结果表明,两种电驱动模塑技术都能有效避免常规压印光刻技术的不足之处,在无机械压力条件下实现微纳米结构的模板图案完整复型,但接触式电驱动微纳米模塑方式在图形复制精确性、成形效率和工艺可控性等方面更具优势,是一种具有广阔应用潜力的纳米结构图形化方法。     

大面积纳米压印揭开式脱模机理和规律

针对大面积纳米压印脱模工艺,开展了揭开式脱模机理和规律的研究。基于界面黏附能理论,建立了气体辅助揭开式脱模力预估模型;基于应变能法和脱模过程中能量守恒定律,建立了气体辅助揭开式脱模临界脱模速度模型。利用ABAQUS工程数值模拟软件,分析得到纳米压印工艺参数（脱模力、脱模角度、脱模速度）对揭开式脱模的影响规律。     

大面积纳米压印技术及其器件应用

大面积纳米压印技术是一种利用模板压印方法大规模制备大面积微纳米结构的图形化技术,具有重复性好、成本低及结构分辨率高等优点.对各类聚合物及介质的快速结构成型使得大面积纳米压印技术在制备微纳光学、光电器件方面具有独特的优势,可应用于发光二极管、显示器、增强现实光波导及微流控芯片等众多领域,并在纳米技术商业化中发挥关键作用....     

下一代光刻技术——压印光刻

通过分析集成电路制造工艺中的核心环节--光刻技术,采用机械微复形原理的压印光刻技术可避免传统光学光刻的光学衍射限制,能够对最小到6 nm特征尺寸的图形进行复制.通过研究压印光刻原理,详细分析对比热压印及常温压印的工艺特点、复形面积、模具结构和阻蚀胶固化过程等,揭示出常温压印更适用于多层套刻的图形制作.针对基于紫外光固化的常温压印光刻工艺在压印过程中的关键技术:阻蚀胶成膜控制、对准、套刻、精确加载、留膜厚度控制、阻蚀胶固化控制等进行深入研究,提出释放保形软压印工艺,能够实现基于常温软模具压印的大面积亚100 nm级特征尺寸图形的复制.最后,以SIL-Ⅰ型分步式常温紫外光固化压印光刻机的研究为例,对其结构特性做出深入分析,估算出系统的精度等级;通过试验,对系统的压印复形精度做出评估.     

基于聚合物模板的变种压印工艺研究

纳米尺度的结构成形是纳米技术和纳米制造中的核心工艺之一。纳米压印技术以高分辨率、高效率、低成本的独特优势已经成为具有广泛应用前景的纳米成形工艺方法。压印模板是压印技术的核心要素,压印模板的特性也决定了压印工艺的技术路线和特点。因此,研究和开发新型的压印模板及其相应的新压印工艺是压印技术研究方向的主要课题。     

注塑工艺设计中模具CAE技术与正交试验的综合应用

模具CAE技术与正交实验、数据处理与分析技术的综合应用,可以有效地优化工艺参数方案,缩短模具设计周期、提高模具设计质量、降低模具制造成本。本文为注塑成型工艺方案的优化及模具设计提供了一种可行方案和技术路线。     

Molecular simulation study on adhesions and deformations for Polymethyl Methacrylate (PMMA) resist in nanoimprint lithography

The NIL (nanoimprint lithography) process is explored through numerical simulation, utilizing MD (molecular dynamics), with a focus on the resin deformations and the adhesion between the resin material and the tool. For the force-field of the Polymethyl Methacrylate (PMMA), used for the resin material, a united atom model is employed. For temperature control in the MD simulation, the recursive multiple chains of the Nosé-Poincaré thermostat is applied. The deformation and adhesion in the NIL process are explored from the mechanics viewpoint based on the present MD results. In particular, the adhesion behavior of a self-assembly monolayer (SAM) in the stamp-releasing stage is discussed in connection with the monolayer thickness.     

Molecular Dynamic Studies on Deformation of Polymer Resist During Thermal Nano Imprint Lithographic Process

Molecular dynamic simulation of nano imprint lithography (NIL) in which nanoscale patterned stamp is pressed onto amorphous polyethylene (PE) surface is performed to study the deformation behavior of polymer resist. Force fields including bond, angle, torsion, and Lennard Jones potential are used to describe the inter-molecular and intra-molecular forces of PE molecules and stamp. Periodic boundary condition is used in horizontal direction and canonical NVT ensemble is employed to control the system temperature. Using the simulation results, the behavior of polymer resist is investigated during the imprinting process. The mechanism of resist deformation is analyzed by considering various parameters including the surface geometry, atom distribution, and density. Especially, the density in the bottom (emboss) region is found to be larger than the top (cavity) region due to compression of polymer molecules. The result indicates that small scale patterning of polymer resist largely depends on compression rather than the flow of molecules. The numerical results are compared with the local density measurement data using the atomic force microscope (AFM). They exhibit a similar behavior at least in a qualitative sense. Additional simulations, where the stamp geometry and molecular mobility are varied and are performed to investigate the deformation characteristics of polymer resist. From these simulations, important elements for understanding of NIL process are obtained.     

仿鳐式软体驱动器弯曲预测方法的研究

相对于传统的刚性机器人,由硅胶等柔性材料制造的软体机器人在结构上具有自由度高且能够进行连续形变的特点。目前,多数软体驱动器的气腔形状为等截面形态,而对于变截面软体驱动器的研究却少有涉及。为了解决这一问题,从鳐鱼的运动受到启发,设计了一款气腔截面纵向变换仿鳐式软体驱动器。驱动器限制层设计为不可压缩的薄层,结合应变能密度等理论,提出一种预测驱动器的弯曲变形角度的方法。通过3D打印技术制作模具,浇注模型,制作出仿鳐式软体驱动器。通过理论分析、有限元仿真、实验对比验证其数学模型,绘制仿鳐式软体驱动器在0.02～0.07 MPa气压下的中心线轨迹,分析输入气压与末端输出力的关系,验证了驱动器的理论分析、有限元仿真与实验结果在一定的误差下基本一致。其预测方法表现良好,为进一步研究仿鳐式软体驱动器在空间形变提供理论方法。     

不同硬化模型对铝合金板冲压成形模拟结果的影响

研究不同塑性变形硬化模型对汽车5182-O铝合金板材冲压成形模拟结果的影响。采用材料单向拉伸试验得到应力应变关系曲线,基于Hollomom、Krupskowsky与Power方程对曲线进行拟合,建立材料室温下塑性变形硬化模型,对厚度为1.5 mm和0.85 mm的5182板材进行冲压试验和有限元模拟分析,对比分析冲压试验与模拟结果。试验与模拟结果显示,当板料厚度为1.5 mm时,板料冲压试验的成形力最大为42.95 kN,板料拉深深度为30.58 mm,基于Power方程计算得到的最大成形力为41.5kN与试验结果比较接近,Hollomom方程计算得到的拉深深度为30.546 mm,板材成形厚度分布与试验结果比较接近;当板料厚度为0.85 mm时,板料冲压试验的成形力最大为34.47kN,板料拉深深度为33.792 mm,基于Power方程计算得到的最大成形力为34.27 kN与试验结果比较接近,Hollomom方程计算得到的拉深深度为33.636 mm,板材成形厚度分布与试验结果比较接近。基于三种硬化模型铝合金冲压成形过程的计算模拟分析结果,并通过与试验对比得到不同硬化模型对铝合金板材冲压成形计算模拟的影响,进一步为汽车铝合金覆盖件在成形工艺的研究分析提供理论指导。     

Simulation and experimental verification of flexible roll forming of steel sheets

Roll forming is a sheet metal forming process that has been used for decades. Usually roll-formed sections have a constant cross section. Flexible roll forming is a brand new forming process that produces parts with variable cross sections, in which the rollers translate back and forth in a direction that is perpendicular to the sheet feeding direction. Theoretical analysis gives an explanation of the plane strain state, compressive stresses, tensile stresses, and shear stresses in flexible roll forming. In order to analyze the mechanics and the deformation characteristics of flexible roll forming, the finite element method (FEM) model of a 17-step flexible roll forming process is established. The yield criterion used in the FEM simulation is Hill 48, and the parameters of which are solved with the yield stresses under different loading conditions and are firstly verified with a plane strain tensile test. The complicated roller paths are realized with data extracted from the computer-aided design (CAD) files with VC++ programs developed by the authors. We developed the first flexible roll forming prototype machine in China, with which the roll forming experiment of a side door beam is performed. Final shapes of the experimental and numerical results are compared. It is shown that the numerical results based on Hill 48 yield criterion that is solved with yield stresses agree well with the experimental results, which indicates that the simulation model can well reflect the real forming process. Detailed analysis of the distribution and history of plastic strain, longitudinal strain, shear strain, and thickness of both the constant cross section and the variable cross section is performed, which is of great help to understand this forming process.     

玻璃器皿压制成型的建模与仿真

玻璃器皿的压制成型过程是一个非常复杂的热力耦合弹塑性变形过程,其具有材料非线性和几何非线性的大变形特征。在对玻璃材料进行了传热分析以及受力分析等理论分析的基础上,利用专业有限元CFD软件GAMBIT进行有限元建模;利用POLYFLOW对玻璃器皿压制过程中的温度场、应力场进行有限元数值模拟,得到玻璃熔体和凸凹模的温度分布及应力分布图;最后利用FIELD-VIEWER显示模拟结果,并结合实际对其结果进行分析,以期为优化产品及模具的设计、提高产品的质量提供参考和指导。     

Solution and analysis of VL combined seal lubrication model under the effect of wear

Through the finite element calculation of VL combined seal models under different wear conditions, contact pressure distributions of models are obtained. Considering the coupling effect between seal deformation and lubricating oil film, a mathematical model of elastohydrodynamic lubrication for VL combined seal is established. Based on the theory of small deformation, the elastic deformation of VL composite seal under high pressure is obtained by the deformation influence coefficient matrix method. Considering the influence of sealing surface wear and surface roughness, the oil film thickness distribution and oil film pressure distribution of VL combined seal are solved by the finite difference method. The analysis results show the wear of VL combined seal, the decrease of viscosity, the increase of roughness and rotational speed can raise the thickness and pressure of lubricating oil film. The correctness of numerical simulation is verified by experimentally measuring the friction torque and leakage rate of seal.

     

正交切削区应力应变场的数值模拟

采用弹塑性变形理论及数值模拟技术,对直角切削的变形过程进行有限元分析。建立了高速切削条件下正交切削的数值模型,模拟了切削过程中切削区应力、应变场的变化过程,为深入探讨切削机理及规律提供理论依据。     

三维大变形梁系统的动力学建模与仿真*

对三维大变形柔性梁系统的动力学建模和仿真进行了研究。采用绝对节点坐标法描述柔性体的大变形和大位移运动,并由此建立三维大变形柔性梁系统的动力学模型。在此动力学模型基础上,编制动力学仿真软件,实现了对三维大变形柔性梁系统的动力学仿真。给出了两个动力学仿真算例。第一个对柔性单摆自由下落进行了动力学仿真,并与现有文献结果相比较,验证了模型的正确性。第二个对空间柔性双摆的自由下落过程进行了动力学仿真,并将模型计算的结果与使用ADAMS软件计算的结果进行比较。研究结果表明,ADAMS在计算大变形物体动力学时具有局限性,而所得的模型能够有效地对三维大变形柔性梁系统的动力学进行仿真解决这类动力学问题。