Tribology Letters ( IF 2.9 ) Pub Date : 2022-01-24 , DOI: 10.1007/s11249-022-01563-w Hong Luo 1, 2 , Jianwu Yu 1 , Junzhi Hu 1 , Binchao Xu 1 , Feng Wang 1 , Kun Tang 3
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Precision micromolding has received increasing interest in fast replication of functional microstructures onto glass. However, little attention has been paid to the correlation between the glass’s mold-filling performance and the glass-mold interface friction. In this study, numerical simulations and molding experiments are performed to investigate the effects of interface friction on the mold-filling behavior of glass. First, finite element modeling of the glass filling process is performed, with varied Coulomb friction coefficients (CFCs) assigned to different glass-mold contact areas for creating uniform/nonuniform frictional conditions. Subsequently, the micro-filling features (molding force, filling depth and filling time) of the glass under varied CFC combinations are numerically evaluated. To validate the numerical results, partial-filling experiments are further implemented, with boron nitride lubricant sprayed onto different mold portions to match the frictional conditions used in simulations. The numerical and experimental results suggest that: (i) a larger lubricated mold area greatly reduces the molding force; (ii) a global reduction in interface friction can improve the filling uniformity, but will lead to an unusual reduction in mean filling depth; (iii) the most effective strategy for filling enhancement is to merely reduce the friction within the glass-mold groove contact area, which applies to different pressing speeds/displacements. The findings here will guide the tribological design of microtextured molds for enhanced replication fidelity and efficiency of the molded glass microstructures.
Graphical Abstract
中文翻译：
均匀/非均匀界面摩擦对玻璃微阵列模具填充行为的影响：数值实验研究
精密微成型在将功能性微结构快速复制到玻璃上受到越来越多的关注。然而，很少有人注意到玻璃的充模性能与玻璃-模具界面摩擦之间的相关性。在这项研究中，进行了数值模拟和成型实验，以研究界面摩擦对玻璃充模行为的影响。首先，对玻璃填充过程进行有限元建模，将不同的库仑摩擦系数 (CFC) 分配给不同的玻璃模具接触区域，以创建均匀/不均匀的摩擦条件。随后，对不同 CFC 组合下玻璃的微填充特征（成型力、填充深度和填充时间）进行了数值评估。为了验证数值结果，进一步实施了部分填充实验，将氮化硼润滑剂喷洒到不同的模具部分以匹配模拟中使用的摩擦条件。数值和实验结果表明：（i）较大的润滑模具面积大大降低了成型力；(ii) 界面摩擦的整体减少可以提高填充均匀性，但会导致平均填充深度异常减少；(iii) 增强填充最有效的策略是仅仅减少玻璃模具凹槽接触区域内的摩擦，这适用于不同的压制速度/位移。这里的研究结果将指导微纹理模具的摩擦学设计，以提高模制玻璃微结构的复制保真度和效率。将氮化硼润滑剂喷涂到不同的模具部分，以匹配模拟中使用的摩擦条件。数值和实验结果表明：（i）较大的润滑模具面积大大降低了成型力；(ii) 界面摩擦的整体减少可以提高填充均匀性，但会导致平均填充深度异常减少；(iii) 增强填充最有效的策略是仅仅减少玻璃模具凹槽接触区域内的摩擦，这适用于不同的压制速度/位移。这里的研究结果将指导微纹理模具的摩擦学设计，以提高模制玻璃微结构的复制保真度和效率。将氮化硼润滑剂喷涂到不同的模具部分，以匹配模拟中使用的摩擦条件。数值和实验结果表明：（i）较大的润滑模具面积大大降低了成型力；(ii) 界面摩擦的整体减少可以提高填充均匀性，但会导致平均填充深度异常减少；(iii) 增强填充最有效的策略是仅仅减少玻璃模具凹槽接触区域内的摩擦，这适用于不同的压制速度/位移。这里的研究结果将指导微纹理模具的摩擦学设计，以提高模制玻璃微结构的复制保真度和效率。数值和实验结果表明：（i）较大的润滑模具面积大大降低了成型力；(ii) 界面摩擦的整体减少可以提高填充均匀性，但会导致平均填充深度异常减少；(iii) 增强填充最有效的策略是仅仅减少玻璃模具凹槽接触区域内的摩擦，这适用于不同的压制速度/位移。这里的研究结果将指导微纹理模具的摩擦学设计，以提高模制玻璃微结构的复制保真度和效率。数值和实验结果表明：（i）较大的润滑模具面积大大降低了成型力；(ii) 界面摩擦的整体减少可以提高填充均匀性，但会导致平均填充深度异常减少；(iii) 增强填充最有效的策略是仅仅减少玻璃模具凹槽接触区域内的摩擦，这适用于不同的压制速度/位移。这里的研究结果将指导微纹理模具的摩擦学设计，以提高模制玻璃微结构的复制保真度和效率。(iii) 增强填充最有效的策略是仅仅减少玻璃模具凹槽接触区域内的摩擦，这适用于不同的压制速度/位移。这里的研究结果将指导微纹理模具的摩擦学设计，以提高模制玻璃微结构的复制保真度和效率。(iii) 增强填充最有效的策略是仅仅减少玻璃模具凹槽接触区域内的摩擦，这适用于不同的压制速度/位移。这里的研究结果将指导微纹理模具的摩擦学设计，以提高模制玻璃微结构的复制保真度和效率。
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