Simulation der Benetzung laserstrukturierter Oberflächen mittels OpenFOAM

Abstract

Die Benetzungseigenschaften einer Oberfläche hängen unter anderem von deren Mikrostruktur und Oberflächenenergie ab. Um das Benetzungsverhalten eines Wassertropfens auf unterschiedlichen Oberflächen beurteilen zu können, wurden im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit analytische, numerische sowie experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurden ebene, regelmäßig strukturierte und komplexe laserstrukturierte Oberflächen untersucht. In einem ersten Schritt wurden die anfangs unbekannten Festkörperoberflächenenergien durch optische Kontaktwinkelmessungen nach der Methode des liegenden Tropfens (Sessile-Drop-Methode) experimentell ermittelt. Die Berechnungen der Oberflächenenergien zwischen zwei Phasen erfolgte danach mit Hilfe der OWRK-Methode (Owens, Wendt, Rabel und Kaelble), die einen polaren und dispersiven Oberflächenenergieanteil berücksichtigt. Bei den nachfolgenden Simulationen mit der CFD-Software OpenFOAM kam ein modifizierter „multiphaseInterFoam“-Solver zur Anwendung, der es ermöglicht mehrere Phasen (Materialien) zu implementieren. Für die Simulation von ausgewählten laserstrukturierten Oberflächen wurden deren reale 3D-Geometriedaten gescannt, digitalisiert und in OpenFOAM mithilfe des Vernetzungswerkzeuges „snappyHexMesh“ vernetzt. Ein Vergleich der numerischen mit den experimentellen bzw. analytischen Ergebnissen zeigt, dass die Kontaktwinkel bei ebenen, polierten metallischen Oberflächen mit einer Abweichung von ca. zwei Prozent gut übereinstimmen. Hingegen gab es bei den laserstrukturierten Oberflächen Abweichungen von bis zu 40 Prozent. Dies ist einerseits auf die begrenzte Auflösung der digitalisierten Oberfläche sowie die Annäherung der Oberflächenstruktur durch die Vernetzung zurückzuführen. Andererseits ist diese Abweichung durch die sich zum Experiment stark unterscheidenden Größenverhältnisse zwischen der Oberflächenstruktur im Nanometer-bereich und dem Durchmesser des Flüssigkeitstropfens im Millimeterbereich erklärbar, die aufgrund der verfügbaren Rechenressourcen nicht realgetreu simuliert werden konnten. Um das im Rahmen der Diplomarbeit erstellte Simulations-Setup an hierarchisch laserstrukturierten Oberflächen dennoch testen zu können, wurden Simulationen mit stark reduzierten Tropfenvolumina durchgeführt. Mit den in Zukunft zu erwartenden steigenden Rechenkapazitäten wird ein detailliert vernetztes Modell der strukturierten Oberfläche und des experimentellen Wassertropfens simulierbar sein. Das im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit generierte Simulations-Setup kann damit als effiziente Methode eingesetzt werden, um das Benetzungsverhalten von laserstrukturierten Oberflächen beurteilen zu können.

The wetting properties of a surface depend, among other things, on its microstructure and surface energy. In order to assess the wetting behavior of a water droplet on different surfaces, analytical, numerical and experimental investigations were carried out as part of this diploma thesis. Flat, regularly structured and complex laser-structured surfaces were examined. In a first step, the initially unknown solid surface energies were experimentally determined by optical contact angle measurements using the sessile drop method. The surface energies between two phases were then calculated using the OWRK method (Owens, Wendt, Rabel and Kaelble), which considers a polar and a disperse surface energy component. For the subsequent simulations with the CFD software OpenFOAM, a modified "multiphaseInterFoam" solver was used, which allows several phases (materials) to be implemented simultaneously. In order to execute simulations of selected laser-structured surfaces, their real 3D geometry data were scanned, digitized and meshed in OpenFOAM using the meshing tool "snappyHexMesh". A comparison of the numerical with the experimental and analytical results shows that the contact angle measurements for flat, polished metallic surfaces agree well with a deviation of about two percent. In contrast, there were deviations of up to 40 percent for the laser-structured surfaces. On the one hand, this is due to the limited resolution of the digitized surface and the approximation of the surface structure through the meshing. On the other hand, this deviation can be explained by the fact that in the experiments the size ratios between the surface structure in the nanometer range and the diameter of the liquid droplet in the millimeter range differed greatly, which could not be realistically simulated due to the available computing resources. In order to test the simulation setup created as part of the diploma thesis on hierarchically laser-structured surfaces, simulations with greatly reduced droplet volumes were carried out. With the increasing computing capacities expected in the future, a detailed meshed model of the surface structure and the experimental water droplet will be able to be simulated. The simulation setup generated within the scope of this diploma thesis can thus be used as an efficient method to assess the wetting behavior of laser-structured surfaces.