Characterization of micro- and nanometer resolved technical surfaces with function-oriented parameters: = Charakterisierung von Mikro- und Nanometer aufgelösten technischen Oberflächen mit funktionsorientierten Kenngrößen
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2012
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TABLE OF CONTENTS I
TABLE OF CONTENTS
1 INTRODUCTION 1
2 STATE OF THE ART 3
2.1 CHARACTERIZATION OF TECHNICAL FUNCTIONS WITH GEOMETRICAL
SPECIFICATIONS 3
2.2 CHARACTERIZATION OF TECHNICAL SURFACES IN MICRO- AND NANOMETROLOGY 5
2.2.1 DEFINITIONS OF SURFACE 6
2.2.2 COMPONENTS OF SURFACES 7
2.2.3 SURFACE MEASUREMENT TECHNIQUES IN MICRO- AND NANOMETROLOGY 8
2.3 SPECIFICATION OF RESOLUTION 15
2.3.1 DIFFERENT APPROACHES TO SPECIFY RESOLUTION 16
2.3.2 IMPORTANCE OF LATERAL RESOLUTION IN SURFACE METROLOGY 17
2.4 AREAL EVALUATION OF SURFACE INFORMATION 19
2.4.1 3D SURFACE PARAMETERS - ISO 25178 21
2.4.2 SEGMENTATION TECHNIQUES 25
2.4.3 FILTERING 27
2.5 INFLUENCE OF TOPOGRAPHY ON FUNCTIONAL PERFORMANCE 29
2.6 DEFICIENCIES 31
3 OBJECTIVES OF THE RESEARCH WORK AND THE APPLIED APPROACH 33
4 CHARACTERIZATION OF THE SURFACES WITH FUNCTION-ORIENTED PARAMETERS 35
4.1 UNDERSTANDING THE REQUIREMENTS OF TECHNICAL APPLICATIONS 35
4.2 CONCEPT FOR THE DEFINITION OF FUNCTION-ORIENTED PARAMETERS 36
5 APPLICATION OF THE CONCEPT - WETTABILITY OF TECHNICAL SURFACES 40
5.1 THEORETICAL BACKGROUND 40
5.1.1 APPROACHES TO UNDERSTAND THE WETTING PROCESS 40
5.1.2 CONTACT ANGLE MEASUREMENTS 43
5.1.3 EFFECT OF TOPOGRAPHY ON WETTABILITY OF SURFACES 44
5.2 EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATIONS 47
5.2.1 MANUFACTURING AND INVESTIGATION OF TECHNICAL SURFACES 48
5.2.2 MEASUREMENT OF CONTACT ANGLE HYSTERESIS 50
5.2.3 EVALUATION OF THE WETTED AREAS 54
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IMAGE 2
TABLE OF CONTENTS
5.2.4 NUMERICAL INVESTIGATIONS - EFFECT OF ANISOTROPY 56
5.3 EXPLANATION FOR THE BEHAVIOR OF LIQUIDS ON TECHNICAL SURFACES 60
5.4 CHARACTERIZATION OF THE MEASUREMENT SYSTEM 64
5.4.1 EFFECT OF LATERAL RESOLUTION ON THE EVALUATION OF SURFACE DATA 64
5.4.2 EFFECT OF VERTICAL RESOLUTION ON THE EVALUATION OF SURFACE DATA 69
5.4.3 COMPARISON OF THE EFFECTS OF VERTICAL AND LATERAL RESOLUTIONS 72
5.5 CALCULATED LATERAL RESOLUTIONS OF SURFACE MEASUREMENT TECHNIQUES 74
5.5.1 3D SIEMENS-STARS 74
5.5.2 METHOD OF EVALUATION 75
5.5.3 COMPARISON OF MEASUREMENT SYSTEMS 77
6 FUNCTION-ORIENTED PARAMETERS TO PREDICT THE WETTABILITY OF SURFACES 83
6.1 IMPLEMENTATION OF THE ALGORITHMS TO CHARACTERIZE SURFACES 84
6.1.1 PRE-PROCESSING OF MEASUREMENT DATA 85
6.1.2 SEGMENTATION STEPS AND THE CLASSIFICATION OF DATA 85
6.2 DEFINITION AND CALCULATION OF THE PARAMETERS 91
6.2.1 AMPLITUDE PARAMETERS 91
6.2.2 AREA AND VOLUME PARAMETERS 91
6.2.3 DISTANCE BETWEEN STRUCTURES 93
7 EVALUATION OF THE ALGORITHMS AND THE PROPOSED PARAMETERS 95
7.1 VALIDATION OF THE IMPLEMENTED SOFTWARE 95
7.1.1 SEGMENTATION OF THE STRUCTURES ON A REAL SURFACE DATA 95
7.1.2 COMPARISON OF PARAMETER CALCULATION ON REAL SURFACE DATA 96
7.1.3 INVESTIGATIONS WITH ARTIFICIAL SURFACE DATA 97
7.2 EFFECT OF LATERAL RESOLUTION ON PARAMETER CALCULATION 100
7.3 CORRELATION ANALYSIS OF THE PROPOSED PARAMETERS 102
8 CONCLUSION AND OUTLOOK 106
9 REFERENCES 108
10 LIST OF ABBREVIATIONS 122
11 APPENDICES 124
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