热压印成型过程的快速升温方法及等温微纳热压印成型工艺的研究

论文摘要

随着物联网、互联网+、智能化等浪潮的兴起,各个领域的结构元器件都在向小型便携轻薄化发展,微元件微系统已成为当前各个前沿领域的主角。传统的“宏”机械制造技术在现行如日中天的微纳加工制造领域可谓捉襟见肘,已难以满足微机械和微系统的高精度制造要求。在此背景下,高聚物微纳热压印成型技术凭借成本低、易加工、自身复制精度高的先天优势得到了高速的发展,成为了微纳制造业的研究热点。北京化工大学吴大鸣教授团队另辟蹊径,从成型工艺出发创新性地提出一种“等温热压印工艺”,打破了传统热压印工艺“高温压印—低温脱模”的周期性变模温思想束缚,在不增加任何设备成本的条件下,将原先长达10-15 min的压印周期缩短至20s左右,为该工艺的产业化推广奠定了基石。在等温热压印成型导光板工艺的基础上,提出了与之相适应的电磁感应快速升温方法。二者的结合使热压印工艺的进一步逼近了热力同载的理想状态,从本质上彻底根除了模具的预热阶段,在等温热压印工艺的基础上再一次缩短了压印成型周期,减少了压印缺陷的出现比例,对等温热压印工艺来说无疑是如虎添翼。基于此目的,本文以螺旋型感应线圈圆盘模具为研究对象,围绕着电磁感应的加热效果与工作电流间的内在关系,以及确立适用于热压印过程的感应电流参数最佳值等核心问题,分别从数学模型的构建,基于Comsol软件的数值模拟,实验平台的搭建验证三方面出发进行了深入研究。三个方面的结合形成了理论—模拟—实验相互印证的完整闭环,对电磁感应快速加热在热压成型过程中的应用有一定的指导意义。其研究成果如下:1.以麦克斯韦方程组的电磁感应理论为依据,确立了定量表征电磁感应加热效果的重要参数,并建立了适用于螺旋型感应线圈的透入深度和加热功率的数学模型。利用COMSOL有限元分析软件进行了电磁—热耦合数值模拟,定量地研究了电磁感应加热单元工作电流及频率与模具升温速率、加热深度、温度分布均匀性等关键要素的关系,验证了加热功率的数学模型,并确定了热压印成型过程电磁感应加热效果最佳的电流工作范围。2.为进一步验证数学模型和COMSOL软件数值模拟分析结果的准确性,自行设计搭建了电磁感应实验平台,进行了相关系列实验,在Fluke TiS65红外热成像仪的辅助下,对数学模型和数值模拟的分析结果进行了验证,证明了数学模型的适用性,形成了理论模拟实验相结合的完整闭环。3.基于电磁感应的快速加热效果进一步优化了等温热压印成型工艺,创新性地将加热、保压、冷却三个阶段有机叠加为一个阶段,实现了热力同载的理想状态,大幅缩短成型周期且改善了产品的成型质量。然后对等温热印成型导光板过程中常见的缺陷进行了归类汇总,着重对常见的气泡缺陷和填充不完全缺陷的产生原因进行了分析,并提出了有效的优化方法。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景和研究意义
•     1.1.1 课题研究背景
•     1.1.2 课题研究意义
•   1.2 模具快速加热技术的发展概况
•     1.2.1 对流加热
•     1.2.2 电阻加热
•     1.2.3 火焰加热
•     1.2.4 电磁感应加热
•   1.3 聚合物微纳热压印技术研究概况
•     1.3.1 聚合物微纳热压印技术基本原理
•     1.3.2 聚合物微纳热压印设备的发展概况
•   1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 电磁感应加热理论基础及工程应用
•   2.1 电磁感应理论基础
•     2.1.1 麦克斯韦四元方程组
•     2.1.2 安培环路定律
•     2.1.3 法拉第电磁感应定律
•     2.1.4 高斯电通定律
•     2.1.5 高斯磁通定律
•   2.2 电磁感应加热原理及该过程的能量转换关系
•   2.3 电磁感应加热过程中的能量损耗
•     2.3.1 热传导过程损耗
•     2.3.2 对流传热损耗
•     2.3.3 辐射传热损耗
•     2.3.4 电磁感应过程系统本身的能量损耗
•   2.4 电磁感应加热的优点及应用范围
•     2.4.1 电磁感应加热的优点
•     2.4.2 电磁感应加热的技术应用
•   2.5 本章小结
• 第三章 电磁—热耦合的理论计算及有限元建模分析
•   3.1 电磁感应的特性
•     3.1.1 集肤效应与透入深度
•     3.1.2 邻近效应与圆环效应
•   3.2 透入深度及加热功率的理论推导
•     3.2.1 透入深度的理论计算
•     3.2.2 加热功率的理论计算
•   3.3 电磁—热耦合有限元计算模型
•     3.3.1 电磁场的有限元计算模型
•     3.3.2 温度场的有限元计算模型
•     3.3.3 电磁—热耦合的方式
•   3.4 电磁—热耦合有限元模拟过程
•     3.4.1 模拟软件的选用
•     3.4.2 建立几何模型
•     3.4.3 材料属性参数及界面属性的设定
•     3.4.4 边界条件的设定
•   3.5 电磁—热耦合有限元模拟结果分析
•     3.5.1 加热均匀性的优化
•     3.5.2 电流频率及大小对加热效果的影响
•     3.5.3 COMSOL数值模拟对数学模型的验证
•   3.6 本章小结
• 第四章 电磁感应加热实验平台的搭建及实验研究
•   4.1 电磁感应线圈的设计
•     4.1.1 感应线圈材料及形状的选择
•     4.1.2 感应线圈的绝缘措施
•     4.1.3 感应线圈与模具间的距离选择
•     4.1.4 感应线圈的冷却方式
•     4.1.5 感应线圈的耐热隔热层和导磁体的设计
•   4.2 电磁感应加热实验平台的搭建
•     4.2.1 电磁感应加热电源
•     4.2.2 电磁感应实验平台的搭建
•     4.2.3 感应加热过程中的操作关键点
•   4.3 电磁感应加热过程中常见故障
•   4.4 电磁感应加热实验及其结果分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 快速升温方法对等温热压印工艺的优化
•   5.1 等温热压印工艺的优化基础
•   5.2 等温热压印工艺的优化
•   5.3 等温热压印成型导光板的常见缺陷及优化方法
•     5.3.1 气泡缺陷产生原因
•     5.3.2 气泡缺陷的优化方法
•     5.3.3 填充不完全缺陷产生原因
•     5.3.4 填充不完全缺陷的优化方法
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
•   6.3 创新要点摘要
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李楷

导师: 吴大鸣

关键词: 电磁感应加热,数学模型,有限元分析,等温热压印工艺优化

来源: 北京化工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,机械工业

单位: 北京化工大学

分类号: O441.3;TH16

DOI: 10.26939/d.cnki.gbhgu.2019.000023

总页数: 104

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