Manufacturing with electric discharge machining of two-level hierarchical surfaces
Authors: Σκόνδρας-Γιούσιος Δημήτριος 
Published: June 2024

Η υδροφοβικότητα είναι μια ιδιαίτερα επιθυμητή ιδιότητα που μπορεί να ενισχύσει τη χρηστικότητα μιας επιφάνειας μέσω της απόκτησης ιδιοτήτων όπως απώθηση επιφανειακών ρύπων, αυτοκαθαρισμός, κατευθυντικότητα στη ροή, μείωσης της υγρής τριβής, αντι-παγογοποίηση, ενισχυμένη μεταφορά θερμότητας και μείωσης της υδροδυναμικής αντίστασης. Η κατάσταση διαβροχής μιας ονομαστικά επίπεδης επιφάνειας διέπεται από την επιφανειακή της ενέργεια. Η αλλαγή της τοπολογίας της επιφάνειας με την εισαγωγή τραχύτητας μπορεί να αυξήσει την υδροφοβικότητα μιας εγγενώς υδροφοβικής επιφάνειας. Προσφάτως, οι εξαιρετικές υδροφοβικές ιδιότητες φυσικών επιφανειών αποκάλυψαν τον κρίσιμο ρόλο της διπλής κλίμακας ή της ιεραρχικής μορφολογίας στην περαιτέρω ενίσχυση των υδροφοβικών ιδιοτήτων των δομημένων επιφανειών, ενισχύοντας περαιτέρω την υδροφοβικότητα προς την υπερ-υδροφοβικότητα. Όσον αφορά τις μεταλλικές επιφάνειες, οι οποίες είναι εγγενώς υδρόφιλες, η πρόκληση της τροποποίησης της διαβρεκτικής τους δυνατότητας είναι μεγάλη. Οι περισσότερες προσεγγίσεις που αναφέρονται στη βιβλιογραφία περιλαμβάνουν αρκετά βήματα τροποποίησης της επιφάνειας για τη μείωση της επιφανειακής ενέργειας και την εκτράχυνσή της, προκειμένου να επιτευχθεί η υδροφοβικότητα. Η ιδιαίτερη επιφανειακή δομή μιας μεταλλικής επιφάνειας που έχει προκύψει με χρήση ηλεκτροδιάβρωσης σύρματος (Wire Electrical Discharge Machining - WEDM), μπορεί να οδηγήσει σε ένα υδροφοβικό αποτέλεσμα χωρίς τη χρήση επιπλέον βημάτων. Τα δύο επίπεδα τραχύτητας εισάγονται από μια στοχαστική μορφολογία μικροκλίμακας, δημιουργημένη από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις, και μια μορφολογία υπο-χιλιοστομέτρου εισάγεται από την ελεγχόμενη διαδρομή του σύρματος. Ωστόσο, η εγγενής πολυπλοκότητα της αλληλεπίδρασης των παραμέτρων κατεργασίας και του αποτελέσματος της πολλαπλής κλίμακας τραχύτητας αποτρέπει μια σαφή κατανόηση της επιρροής τους στην διαβροχή της επεξεργασμένης επιφάνειας. Η παρούσα διατριβή στοχεύει να συμβάλλει στην περαιτέρω κατανόηση πτυχών της επιρροής της τραχύτητας δυο επιπέδων στην υδροφοβικότητα των επιφανειών του κράματος αλουμινίου 6082 που κατεργάστηκαν με WEDM. Για τη μελέτη της μικρότερης κλίμακας τραχύτητας, κατασκευάστηκαν εννέα δείγματα με διαφορετικούς συνδυασμούς παραμέτρων κατεργασίας, υιοθετώντας μια ορθογωνική προσέγγιση Taguchi L9 για τον πειραματικό σχεδιασμό. Τρία επίπεδα των παραμέτρων κατεργασίας του μέγιστου ρεύματος, του χρόνου διάρκειας παλμού και της τάσης κενού εφαρμόστηκαν για την παραγωγή επιφανειών με διαφορετικές τοπογραφίες. Παρατηρήθηκε η μετάβαση από την αρχική υδροφιλία σε υδροφοβία για όλα τα δείγματα. Πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός των επιφανειακών παραμέτρων τραχύτητας για τις επιφάνειες όλων των δειγμάτων. Συζητήθηκε η επίδραση των παραμέτρων κατεργασίας, των παραμέτρων επιφανειακής τραχύτητας., της μορφολογία και άλλων παραμέτρων στις μεταβολές της διαβρεκτικής ικανότητας των επιφανειών. Οι μεταβολές των παραμέτρων κατεργασίας και της τραχύτητας έδειξαν να έχουν ένα συνδυαστικό αποτέλεσμα στην υδροφοβικότητα. Υψηλότερες γωνίες επαφής βρέθηκαν σε ενδιάμεσες τιμές των ανωτέρω παραμέτρων. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων των επιφανειών, μέσω της σύζευξης του πεδίου φάσεων (Phase Field) και της στρωτής ροής, υλοποιήθηκε με στόχο την περαιτέρω κατανόηση της επίδρασης της τραχύτητας στην υδροφοβικότητα. Η τραχύτητα μοντελοποιήθηκε ως μια ομοιόμορφη τυχαία κατανομή είτε χρησιμοποιώντας τον θόρυβο Perlin, με τιμές τραχύτητας που μεταβάλλονται σύμφωνα με τις μετρήσεις επιλεγμένων πειραματικών περιπτώσεων. Η μελέτη της δεύτερης, υπο-χιλιοστομετρικής κλίμακας πραγματοποιήθηκε δημιουργώντας δομές με αυλακώσεις διαφόρων γεωμετρικών προφίλ στις επιφάνειες του κράματος αλουμινίου, ελέγχοντας τη διαδρομή του σύρματος. Οι ιεραρχικές δομές τραχύτητας δύο επιπέδων ήταν σε θέση να αυξήσουν περαιτέρω την υδροφοβικότητά των κατεργασμένων επιφανειών, μέχρι και το όριο της υπερυδροφοβικότητας. Η επίδραση της τραχύτητας δεύτερης κλίμακας και της μορφολογίας αναλύθηκε με γνώμωνα τις πτυχές της υδροφοβικότητας που επηρεάζουν. Ισχυρή συσχέτιση βρέθηκε μεταξύ της γωνίας επαφής με παραμέτρους τραχύτητας. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε συζήτηση για την επίδραση της κατευθυντικότητας στην υδροφοβικότητα επιλεγμένων προφίλ σε σχέση με τη μορφολογία τους. Στη συνέχεια, εξετάζεται η συμπεριφορά της υδροφοβικότητας των επιφανειών ως προς διαφορετικούς όγκους σταγόνων και υγρά χαμηλότερης επιφανειακής ενέργειας. Η μελέτη της χρονικής επίδρασης στη γωνία επαφής έδειξε την επιρροή της μορφολογίας στη αντοχή της υδροφοβικής ιδιότητας της επιφάνειας. Τέλος, η υπολογιστική μοντελοποίηση επιλεγμένων περιπτώσεων κατέδειξε την επίδραση του γεωμετρικού προφίλ της επιφάνειας και της τραχύτητας σε μικροκλίμακα στην αποτελεσματική παγίδευση αέρα στις εσοχές των αυλακώσεων.