Simulation in der Mikrofluidik

Merkle CAE Solutions: Simulationsberechnung zur Optimierung gewünschter und unerwünschter Kapillarwirkungen

Mittels Simulationstechnologie lässt sich die Komplexität von Produkten in der Mikrofluidik steigern (Bildquelle: @shutterstock/2286585637Love Employee)

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 (https://www.merkle-partner.de/de/) 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 (https://www.merkle-partner.de/aktuelles/blog/das-verhalten-von-fluessigkeiten-in-duennen-roehrchen-und-engen-spalten-simulation-in-der-welt-der-mikrofluidik-und-der-kapillaren). 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 (https://www.merkle-partner.de/aktuelles/blog/das-verhalten-von-fluessigkeiten-in-duennen-roehrchen-und-engen-spalten-simulation-in-der-welt-der-mikrofluidik-und-der-kapillaren) 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 (https://www.merkle-partner.de/de/).

Das Unternehmen Merkle CAE Solutions GmbH in Heidenheim wurde 1989 als Merkle & Partner GbR von Luft- und Raumfahrtingenieur Stefan Merkle gegründet. Merkle CAE Solutions GmbH zählt zu den ersten und führenden Dienstleistern für ingenieurwissenschaftliche Berechnungen und Simulationen in Deutschland. Am Hauptsitz Heidenheim und den Niederlassungen Wolfsburg, Homburg/Saar und Erfurt bearbeiten die 50 Mitarbeiter jedes Jahr rund 500 Kundenprojekte aus den Kerngebieten Strukturanalyse, Strömungssimulation und virtuelle Produktentwicklung. Zum Kundenkreis zählen namhafte Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie, der Konsumgüterindustrie und dem Schiffbau.

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