Vorhersage der Wasserdichtigkeit einer Membran
Erzeugung eines dreidimensionalen Modells einer Membran sowie Analyse der morphologischen Eigenschaften
Der Anspruch an wasserfeste Materialien für alltägliche Produkte wie wasserfeste Sportkleidung und Baumaterialien oder in Bereichen der medizinischen Versorgung wie Schutzkleidung und Arbeitsmittel wird immer komplexer. Die Anwendungsbedingungen und Leistungsanforderungen variieren allerdings erheblich. Der höchste Wasserdruck vor dem Eindringen in solche Materialien wird normalerweise in aufwändigen Versuchen gemessen. Simulationen an Materialstrukturen auf der Mikro- und Mesoebene in GeoDict können diesen experimentellen Aufwand deutlich reduzieren.
In GeoDict lassen sich verschiedene Bedingungen und Umgebungseinflüsse darstellen. So kann man beispielsweise Kapillardrücke mittels verschiedener Porenmorphologie-Methoden berechnen. Dafür lässt sich neben der normalen auch die dynamische Porenmorphologie-Methode anwenden, um die Verteilung der benetzenden und nicht-benetzenden Phasen für einen gegebenen (quasi-stationären) Kapillardruck zu bewerten und auf diese Weise die Sättigung zu bestimmen. Die Kapillardruckkurve wird durch Wiederholung dieser Berechnung für eine Vielzahl von Kapillardrücken ermittelt.
Der Workflow zur Anwendung im Überblick:
- Erzeugen von Körnern auf Basis einer FIB-REM Aufnahme oder eines µCT-Scans
- Modellierung der Membran durch das Hinzufügen von Faserstrukturen und Binder
- Berechnung der Wassersättigung der Membran bei steigendem Wasserdruck
Was war das Ergebnis?
- Mit verschiedenen Strukturgeneratoren konnte eine wasserdichte Membran originalgetreu in GeoDict nachgebildet werden.
- Die Ergebnisse aus der Simulation enthalten detaillierte Informationen über die Wasserdurchlässigkeit der Membran in Abhängigkeit vom Wasserdruck.
- Dank der Sättigungssimulationen konnten die Grenzen der Membrantechnologie identifiziert werden.
Autoren und Anwendungsspezialisten
Dr.-Ing. Martina Hümbert
Senior Business Manager
for Digital Materials R&D
Teil 1: Modellierung einer wasserfesten Membran
Vorgehensweise
Die Modellierung der gewünschten Membran wird Schritt für Schritt mit verschiedenen Modulen von GeoDict gezeigt. Dazu wurden zunächst die Körner erzeugt und danach die Fasern und der Binder zu der Struktur hinzugefügt. Dabei lassen sich für jeden Bestandteil die genauen Materialien sowie Parameter, wie beispielsweise die Ausrichtungen der Fasern, festlegen.
- FiberGeo enthält eine Auswahl von mehr als 25 verschieden Fasertypen, welche individuell angepasst werden können.
- Eigenschaften wie der Faserdurchmesser oder die genaue Ausrichtung und Verteilung der Fasern können exakt festgelegt werden.
- Jedem Bestandteil können individuell Materialeigenschaften zugewiesen werden. Es sind z. B. auch mehrere Fasertypen in einem Modell möglich.
- Die erzeugte Struktur kann mithilfe von Binder originalgetreu und in Anlehnung an die industrielle Herstellung dargestellt werden.
Erzeugen von Körnern mit GrainGeo
In GeoDict lassen sich viele verschiedene Strukturtypen generieren. In diesem Beispiel werden zu Beginn Körner mit GrainGeo erzeugt, welche im weiteren Verlauf als Knotenpunkte der hinzugefügten Fasern dienen. Dabei lassen sich eine Vielzahl von Eigenschaften der Körner definieren. Neben der genauen Form, Art und Ausrichtung der Körner, können zusätzlich die Verteilung und das Ausmaß der Überlappung der Körner festlegt werden.
Hinzufügen von Faserstrukturen und Binder mit FiberGeo
Im nächsten Schritt werden Faserstrukturen zu den bereits erstellten Körnern hinzugefügt, um die Membran originalgetreu darzustellen.
Im Anschluss müssen die verschiedenen Bestandteile miteinander verknüpft werden. Dies wird durch das Hinzufügen von Binder erreicht. Auch hier kann das Verhältnis, der Kontaktwinkel und die Verteilung des Binders individuell ausgewählt werden. Wurden alle Bestandteile entsprechend zusammengefügt, erhält man eine wasserdichte Membran, welche nun durch verschiedene Simulationen in GeoDict getestet und verbessert werden kann.
Teil 2: Vorhersage der Wasserdurchlässigkeit der Membran in Folge des Kapillardrucks
Vorgehensweise
Nachdem die Membran mit verschiedener Strukturgeneratoren nachgebaut wurde, lassen sich im Anschluss verschiedene Eigenschaften der Membran untersuchen. Da es sich in diesem Fall um eine wasserdichte Membran handelt, welche aus einem porösen Material besteht, wurde die Wasserdurchlässigkeit im Bezug auf den Wasserdruck untersucht.
Mit SatuDict lassen sich verschiedene Methoden für die Simulation der Porenmorphologie wählen, um die Verteilung der beiden Phasen innerhalb des porösen Mediums zu bestimmen. Die hier genutzte dynamische Porenmorphologie-Methode ermöglicht eine dynamische Simulation der Drainage- und Imbibitionsprozesse, auch bei nicht-monotonen Kapillardruckverläufen. So kann der Kapillardruck während einer Drainage-Simulation abfallen, wenn die nicht-benetzende Phase einen Porenverengung (Flaschenhalspore) passiert.
In dieser Simulation wird mit nicht-monotonen Kapillardruckverläufen gerechnet, wodurch mehrere Zwischenschritte für denselben Druckwert berechnet werden, um eine sofortige Füllung der gesamten Struktur zu vermeiden.
Analyse der Membrandurchlässigkeit mit SatuDict
Zu Beginn des Drainageprozesses (von Luft), wenn der Anfangsdruck niedrig ist, ist die poröse Struktur zu 100 % mit Luft gesättigt. Mit dem Anstieg des Drucks hält die Membran dem Wasser zuerst noch stand und sogar bei einem Wasserdruck von über 2 bar bleibt die Membran wasserdicht. Steigt der Druck weiter an und erreicht einen Wert von 3,6 bar, beginnt das Wasser in die Struktur einzudringen, wodurch die Luft aus der Struktur verdrängt wird. Am Ende des Drainageprozesses ist die Struktur zu 71 % mit Wasser gefüllt und die restlichen 29 % der Struktur sind weiterhin mit Luft gesättigt.