In der Mikrofluidik spielt die Kapillarwirkung eine besondere Rolle. Miniatur-Produkte, Nanotechnologien und immer gezieltere und auch komplexere Anwendungen machen die gewünschte Kapillarwirkung dabei nicht immer offensichtlich. Hier setzt Merkle CAE Solutions gezielt Simulationsmethoden ein, um schon vor Fertigung oder gar Einsatz der Produkte zu wissen, wie sich die Flüssigkeiten verhalten.

Die Kapillarwirkung entfaltet sich dann, wenn die Adhäsionskräfte zwischen einer Flüssigkeit und der Oberfläche stärker sind als die Kohäsionskräfte innerhalb der Flüssigkeit. Diese Wirkung lässt sich unter Kenntnis einiger Faktoren, wie der Oberflächenspannung, der Dichte der Flüssigkeit, der Erdbeschleunigung und dem Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Kapillarwand, berechnen. Kompliziert, wenn man die Faktoren nicht genau kennt. Noch komplizierter, wenn sich die Geometrie oder die verwendeten Materialien in einem Bauteil ändern und zusätzliche Kräfte, wie z.B. aufgrund von Beschleunigungen wirken.

Der Vorteil der Simulationstechnologie für die Mikrofluidik: diese Effekte lassen sich auch bei sehr komplexer Geometrie, wenn statische Näherungsmodelle wie die Jurin-Gleichung an ihre Grenzen stoßen, simulieren. Zudem können auch zeitliche Effekte berücksichtigt werden, die insbesondere bei Labormessgeräten bei schnellen Taktzeiten eine wesentliche Rolle spielen.

„Mit der Kenntnis der Steighöhe der Flüssigkeiten lassen sich Prozesse optimieren und Materialien gezielt mit spezifischen Eigenschaften entwickeln. Daher ist es mehr als wünschenswert, wenn man mittels Simulationstechnologien die Effekte vorab genau einschätzen kann. Vor allem, weil die Komplexität der Produkte eher zu- als abnimmt. Wie gut ist die Simulation bei der Berechnung der Kapillarwirkung? Der Abgleich mit Versuchsergebnissen zur genauen Bestimmung der Kenngrößen, spielt eine wichtige Rolle. Je kleiner die Produkte und die Kapillaren werden, je komplexer Geometrien sind, umso exakter muss auch die Simulation sein. Daher kommt es nicht nur auf eine fundierte Berechnung an, sondern vorrangig auf die Erfahrung der berechnenden Ingenieure. Das ist unser Trumpf“, so Stefan Merkle, Geschäftsführender Gesellschafter der Merkle CAE Solutions GmbH.

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