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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flächengebilde, mit einem elastischen Flächenelement, insbesondere einem textilen Flächengebilde oder einer Membran, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Flächengebildes.
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Bei einer Verformung eines Flächengebildes der vorgenannten Art in einer seiner lateralen Richtungen ist es in der Regel so, dass in der dazu senkrechten lateralen Dimension ein genau gegensätzlicher Verformungseffekt auftritt. Das bedeutet, dass bei einer lateralen Dehnung in einer Richtung gleichzeitig eine Stauchung des Materials in der hierzu senkrechten Richtung erfolgt. Dieses gewöhnliche Materialverhalten wird durch eine positive Poissonzahl oder auch Querkontraktionszahl charakterisiert. Es ist jedoch auch möglich, Materialien mit einer derartigen Struktur herzustellen, dass ihre Querkontraktionszahl einen negativen Wert aufweist. Bei solchen sogenannten auxetischen Materialien bzw. Strukturen erfolgt bei einer Dehnung in einer lateralen Richtung gleichsam eine Dehnung in der hierzu senkrechten Richtung. In entsprechender Weise erfolgt auch eine analoge Stauchung in beiden lateralen Richtungen gemeinsam. Anwendungen solcher auxetischen Strukturen liegen beispielsweise in der Errichtung besonders stabiler Konstruktionen im Architekturbereich. Ferner ist es beispielsweise im medizinischen Bereich möglich, durch Formveränderung eines auxetischen Materials eine Medikamentenabgabe durch das Material hindurch dehnungsabhängig zu regeln, was beispielsweise bei der Therapie von Schwellungen von Nutzen ist.
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Nachteilig bei bekannten Anwendungen auxetischer Strukturen ist, dass das verwendete Material eine gewisse Grundfestigkeit aufweisen muss, um die mechanischen Kräfte in beiden lateralen Richtungen zu übertragen. Bei vergleichsweise weichen Materialien ist die erfolgreiche Ausbildung solcher auxetischer Strukturen in der Regel nicht möglich. Insbesondere sind textile Flächengebilde, insbesondere Maschenwaren, d. h. Gestricke und Gewirke, in aller Regel nicht ausreichend starr, um ein auxetisches Verhalten zu zeigen. Das vorgenannte Problem tritt ebenso bei bestimmten, vergleichsweise weichen Membranmaterialien, beispielsweise für Filteranwendungen, auf. Hierdurch wird die Flexibilität in Bezug auf die Materialauswahl beispielsweise für Filter mit veränderbarer Porengröße stark eingeschränkt.
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Versuche, solche weichen Textil- oder Membranmaterialien derart auszubilden, dass sie auxetischer Eigenschaften aufweisen, waren in der Regel nur über einen kurzen Zeitraum erfolgreich. Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften neigt das Material dazu, rasch zu erschlaffen und wieder ein gewöhnliches Querkontraktionsverhalten aufzuweisen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen und ein Flächengebilde zur Verfügung zu stellen, das ein auxetisches Verhalten aufweist und gleichzeitig eine große Flexibilität bei der Materialauswahl bietet, wobei insbesondere weiche, d. h. stark elastische Materialien zum Einsatz kommen können.
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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Flächengebilde mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist festgestellt worden, dass durch eine zumindest bereichsweise auf wenigstens eine Flachseite eines Flächenelements eines Flächengebildes aufgebrachte und mit der Flachseite fest verbundene auxetische Struktur das Flächengebilde insgesamt auxetische Eigenschaften erhält. Dies ist insbesondere auch dann der Fall, wenn für das Flächenelement ein Material mit vergleichsweise geringer Festigkeit und insbesondere ohne eigene auxetische Eigenschaften eingesetzt wird. Bisher war man davon ausgegangen, dass sich auxetische Eigenschaften nur erzielen lassen, wenn das Flächengebilde insgesamt aus einem derartigen Material besteht. Von daher war es überraschend, dass sich durch die erfindungsgemäße Kombination des elastischen Flächenelements mit der aufgebrachten und daran befestigten auxetischen Struktur ähnlich positive Effekte ergeben. Somit wird die Möglichkeit zur Materialauswahl für Flächengebilde stark erweitert, da erfindungsgemäß auch solche Materialien verwendet werden können, bei denen eine Ausbildung einer auxetischen Struktur mit dem Material des Flächenelements als solchem nicht möglich ist bzw. aufgrund der nur kurzfristig stabilen Ausbildung einer solchen Struktur eine praktische Anwendung nicht in Frage kommt.
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Bei dem Flächenelement eines erfindungsgemäßen Flächengebildes kann es sich insbesondere um ein textiles Flächengebilde handeln. Unter diesen ist insbesondere Maschenware, wie ein Gestrick oder ein Gewirk, zu nennen. Darüber hinaus lässt sich ein erfindungsgemäßes Flächengebilde jedoch auch mit einem hinreichend elastischen Gewebe herstellen. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Flächenelements des erfindungsgemäßen Flächengebildes ist die einer Membran, wie sie beispielsweise für Filteranwendungen oder im Fall von Funktionstextilien zum Einsatz kommt.
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Erfindungsgemäß wird also auf wenigstens einer Flachseite eines solchen Flächenelements eine auxetische Sekundärstruktur angeordnet und mit dieser fest verbunden. Diese weist insbesondere im Vergleich mit dem Material des Flächenelements die nötige mechanische Stabilität auf, um die für das auxetische Verhalten notwendigen Kräfte, insbesondere quer zur primären Verformungsrichtung, auf das Flächenelement zu übertragen. Somit werden die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Flächengebildes, d. h. dessen Verhalten bei einer elastischen Verformung, von anderen Eigenschaften entkoppelt, die durch das Material des Flächenelements bereitgestellt werden. Hierzu zählt beispielsweise die Filterwirkung aufgrund der Durchlässigkeit bzw. Porengröße eines elastischen Membranmaterials.
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Von Bedeutung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es, dass der erfindungsgemäße Schichtaufbau mit dem Flächenelement und der auxetischen Struktur derart ist, dass die auxetischen Eigenschaften von der Struktur auch auf das Flächenelement hinreichend übertragen werden können. In diesem Zusammenhang ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die auxetische Struktur eine höhere Materialsteifigkeit als das Flächenelement aufweist. Hierbei wird unter dem Begriff der höheren Materialsteifigkeit nicht nur die Materialsteifigkeit als solche verstanden, sondern auch andere mechanische Eigenschaften, die eine weitgehend verlustarme Übertragung von Kräften, Drehmomenten, o. ä., insbesondere innerhalb der Struktur, kennzeichnen.
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Die auxetische Struktur besteht vorzugsweise aus einem elastischen Material oder weist ein solches auf. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang ein Material, das zwar eine hinreichende Elastizität zur leichten Verformung aufweist, gleichzeitig jedoch auch eine ausreichende Steifigkeit bzw. Festigkeit besitzt, um die in der auxetischen Struktur wirkenden Kräfte zu übertragen, wenn das erfindungsgemäße Flächengebilde in einer Lateralrichtung verformt wird. Grundsätzlich lassen sich nahezu beliebige Materialien mit den vorgenannten Eigenschaften einsetzen, um eine auxetische Struktur im Sinne der Erfindung zu erzeugen. Besonders bevorzugt sind hierbei jedoch Polymere, insbesondere vergleichsweise weiche Polymere. Vorzugsweise handelt es sich bei den eingesetzten Materialien um solche, die sich mittels eines 3D-Druckers verarbeiten lassen. Insbesondere Nylon weist diesbezüglich besonders vorteilhafte Eigenschaften auf. Ferner sind jedoch auch weitere vergleichsweise weiche Polymere geeignet, wie beispielsweise PLA soft oder ein unter dem Namen BendLay erhältliches 3D-Druck-Filament, das in unterschiedlicher Shore-Härte angeboten wird.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die auxetische Struktur wenigstens zwei Materialien unterschiedlicher Elastizität auf. Hierbei kann ein vergleichsweise hartes Material, wie beispielsweise ABS, eingesetzt werden, um der Struktur eine ausreichende Stabilität zu verleihen, so dass auftretende Kräfte verlustarm innerhalb der Struktur übertragen werden können. Ein im Vergleich hierzu deutlich elastischeres Material gewährleistet in diesem Fall die Verformbarkeit der auxetischen Struktur. In einem solchen Fall werden, vorzugsweise, gerade bzw. langgestreckte Verbindungselemente der auxetischen Struktur, insbesondere Längs- und/oder Querstreben als Starrabschnitte aus dem festeren Material hergestellt und die Verknüpfungs- bzw. Eckpunkte der geraden Elemente werden durch das weichere Material gebildet, so dass sich letztlich Gelenkpunkte bilden, auf die sich die Deformationsprozesse der auxetischen Struktur im Wesentlichen beschränken. Dabei werden unter Verknüpfungs- bzw. Eckpunkten solche Stellen verstanden, an denen die geraden Verbindungselemente ihre Richtung ändern. Anders als im Fall der Ausbildung der auxetischen Struktur aus einem einzigen Material mittlerer Festigkeit werden also im Fall von wenigstens zwei Materialien die Eigenschaften in Bezug auf die Stabilität und die Verformbarkeit der auxetischen Struktur jeweils an unterschiedliche Materialien gekoppelt.
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Wird die auxetische Struktur aus mehr als einem Material erzeugt, so ist es besonders bevorzugt, wenn sich beide Materialien in einem gemeinsamen Prozess, vorzugsweise in einem gemeinsamen Verarbeitungsschritt, insbesondere mittels eines 3D-Druckers, verarbeiten lassen. Dies beschleunigt nicht nur die Herstellung eines erfindungsgemäßen Flächengebildes, sondern ermöglich darüber hinaus auch die Erzeugung vergleichsweise komplexer Strukturen im Zusammenspiel der verschiedenen Materialien.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flächengebildes weist das Flächenelement Poren auf, beispielsweise in Form der Maschen eines Gestrickes. Bei einer lateralen Verformung des Flächengebildes ändern diese Poren ihre Form bevorzugt in analoger Weise. Das heißt bei einem auxetischen Verhalten des Flächengebildes als solchem werden auch die Poren auxetisch verformt. Demgegenüber ist es bei bekannten, sich meist nur über einen begrenzten Zeitraum auxetisch verhaltenden Maschenwerken in der Regel so, dass das auxetische Verhalten beispielsweise auf einer Entfaltung der Gestrickbindung beruht. Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Flächengebilde die Form der Poren verändert und nicht nur ihre räumliche Anordnung zueinander. Es ist auf diese Weise möglich, durch eine makroskopische Dimensionsveränderung des Flächengebildes auf deutlich kleinerer Größenskala eine analoge Größenänderung hervorzurufen.
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Hieraus ergeben sich für das erfindungsgemäße Flächengebilde eine Reihe von unerwarteten Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann die Lichtdurchlässigkeit eines textilen Erzeugnisses, beispielsweise einer Markise, eingestellt werden oder es kann die Luftdurchlässigkeit von Architekturtextilien beeinflusst werden. Darüber hinaus lässt sich die Stoffdurchlässigkeit, insbesondere die Flüssigkeitsdurchlässigkeit, von Membranen einstellen. Dies ermöglicht beispielsweise im medizinischen Bereich eine gezielte Wirkstoffabgabe, da Flüssigkeiten durch sehr kleine Poren aufgrund ihrer Oberflächenspannung oder bei noch kleineren Poren aufgrund der Molekülgröße nicht hindurch gelangen und eine Veränderung der Porengröße somit zu einer deutlichen Veränderung der Wirkstoffabgabe führen kann. Allgemein lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Flächengebilde auch Filter mit einstellbarer Porengröße konstruieren. Die Dimensionsveränderung der Poren verhält sich dabei bevorzugt zumindest im Wesentlichen proportional zur Dimensionsveränderung des Flächengebildes als solchen.
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Um die Dimensionsveränderung insbesondere auf Porenebene gleichmäßiger zu gestalten, können bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Flächengebildes auf beiden Flachseiten des Flächenelements jeweils auxetische Strukturen vorgesehen sein. Mit Hinblick auf ein gleichermaßen auxetisches Verhalten bietet es sich hierbei an, identische auxetische Strukturen vorzusehen. Bevorzugt lassen sich durch eine lateral gegeneinander versetzte Anordnung der auxetischen Strukturen auf der Vorder- und Rückseite des Flächenelements Unregelmäßigkeiten bei der Verformung ausgleichen, so dass ein besonders homogenes Verformungsverhalten insbesondere auf der Größenskala der Poren erreicht wird.
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Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Flächengebildes lassen sich insbesondere durch eine aufeinander abgestimmte Materialauswahl für das Flächenelement und die auxetische Struktur beeinflussen. Im Fall von textilen Flächengebilden als Flächenelement können beispielsweise verschiedene Gestrickbindungen, Maschengrößen und unterschiedlich elastische Fasermaterialien verwendet werden.
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In entsprechender Weise lässt sich auch bei Membranen als Flächenelement durch eine gezielte Materialauswahl die Elastizität und die grundsätzliche Porengröße einstellen.
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Ferner ist es erfindungsgemäß auch möglich, verschiedene Formen innerhalb der auxetischen Struktur einzusetzen. Auf diese Weise lässt sich das auxetische Verhalten des Flächengebildes bereichsweise steuern, falls dies anwendungsgemäß erforderlich sein sollte. Es versteht sich, dass im Falle zweier auxetischer Strukturen auf beiden Flachseiten des Flächenelements diese sich in ihrer Form vollständig oder bereichsweise unterscheiden können. Die konkrete Formgebung der auxetischen Struktur bzw. der auxetischen Strukturen ist letztlich im Einzelfall abhängig von dem angestrebten Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Flächengebildes.
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Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Flächengebildes kann eine auxetische Struktur auf wenigstens eine Flachseite eines vorhandenen und insbesondere elastischen Flächenelements aufgebracht und mit dieser fest verbunden werden. Ein solches Flächenelement wird dabei insbesondere durch ein textiles Flächengebilde oder eine Membran dargestellt.
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Besonders vorteilhaft bei der Herstellung eines solchen Flächengebildes ist es, wenn die auxetische Struktur mittels 3D-Druck erzeugt wird. Mittels eines solchen Verfahrens lassen sich mit geringem Aufwand und in kurzer Zeit erfindungsgemäße Flächengebilde sehr einfach herstellen.
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Durch den Einsatz eines 3D-Druckers mit einer Mehrzahl von Extrudierdüsen ist es insbesondere möglich, verschiedenartige Materialien in einem Herstellungsprozess gemeinsam zu verarbeiten. Somit lässt sich auf einfache Weise und mit geringem Zeitaufwand eine auxetische Struktur herstellen, die mehrere Materialien mit unterschiedlichen insbesondere mechanischen Eigenschaften, wie Elastizitäten, aufweist.
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Besonders bevorzugt ist es bei der Verwendung des 3D-Drucks, wenn die auxetische Struktur unmittelbar auf das Flächenelement aufgedruckt wird. Durch eine offenporige Struktur des Materials des Flächenelements dringt das extrudierte Material für die auxetische Struktur in der flüssigen bzw. plastischen Phase in das Material des Flächenelements ein und bildet nach dem Erstarren eine insbesondere formschlüssige Verbindung mit dem Flächenelement aus. Hierdurch ist dann eine gute Übertragung der auxetischen Funktion von der Struktur auf das Flächenelement gewährleistet.
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Weist das Flächenelement ein besonders glattes Material oder ein Material mit sehr kleiner Porengröße auf, ist es zweckmäßig, das Material des Flächenelements vor dem Aufbringen der auxetischen Struktur vorzubehandeln, um eine bessere Anhaftung des Materials der auxetischen Struktur zu gewährleisten. Ferner ist es erfindungsgemäß auch möglich, einen Haftvermittler zur Verbindung des Flächenelements mit der auxetischen Struktur einzusetzen. Dies kann beispielsweise im Fall eines besonders glatten Gewebes für das Flächenelement oder bei der Verwendung eines grundsätzlich nur gering anhaftenden Materials erforderlich sein.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und der Zeichnung selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flächengebildes in ungedehntem Zustand;
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2 eine der 1 entsprechende Darstellung des Flächengebildes aus 1 in gedehntem Zustand; und
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3 eine der 1 entsprechende Darstellung eines Flächenelements ohne auxetische Struktur in gedehntem Zustand.
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Bei dem in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Flächengebilde 1 lassen sich konstruktiv ein elastisches Flächenelement 2 und eine auxetische Struktur 3 als wesentliche funktionale Gruppen unterscheiden. Bei dem Flächenelement 2 handelt es sich in vorliegender Darstellung um Gestrick. Alternativ kann jedoch auch ein anderes textiles Flächengebilde, wie beispielsweise ein Gewirk oder ein Gewebe, oder eine Membran vorgesehen sein.
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Das Flächenelement 2 verleiht dem Flächengebilde 1 bestimmte Eigenschaften, beispielsweise in Bezug auf die Lichtdurchlässigkeit oder aber die Stoffpermeabilität. Grundsätzlich ist die Durchlässigkeit jedweder Art im Wesentlichen abhängig von der Anwesenheit und insbesondere der Größe von Poren 4 des Flächenelements 2.
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Das Flächenelement 2 weist als solches eine positive Querkontraktionszahl auf. Daher tritt bei einer Dehnung des Flächenelements 2 in einer lateralen Richtung X gleichzeitig eine Stauchung in der hierzu senkrechten Richtung Y auf, wie es in 3 dargestellt ist. Die Poren 4 verändern infolge der Formveränderung des Flächenelements 2 erkennbar ebenso ihre Form. Aufgrund der mit der Dehnung in einer Richtung X gleichzeitig auftretenden Stauchung in der anderen Richtung Y wird jedoch die Größe der Poren 4 als solche nicht wesentlich geändert. Dies hat zur Folge, dass sich die Durchlässigkeit für Stoffe wie Flüssigkeiten oder Gase oder auch die Lichtdurchlässigkeit nicht nennenswert ändert.
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Die auxetische Struktur 3, die grundsätzlich verschiedene geometrische Formen aufweisen kann und hier in einer typischen Ausführungsform dargestellt ist, weist ihrerseits eine negative Querkontraktionszahl auf. Die auxetische Struktur 3 ist mittels eines 3D-Druckverfahren direkt auf das Flächenelement 2 aufgebacht worden und mit diesem somit unmittelbar verbunden. Aufgrund ihrer höheren Materialsteifigkeit überträgt die auxetische Struktur 3 ihre mechanischen Eigenschaften auf das Flächenelement 2. Im Ergebnis erhält somit das Flächengebilde 1 insgesamt auxetische Eigenschaften, weist also eine negative Querkontraktionszahl auf.
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Wird das Flächengebilde 1 nun in einer Richtung X in seiner lateralen räumlichen Ausdehnung verändert, beispielsweise gedehnt, wie es in 2 dargestellt ist, so wird auch in der zur ersten Richtung X senkrechten Richtung Y eine entsprechende Formveränderung, d. h. im vorliegenden Fall eine Dehnung, des Flächengebildes 1 bewirkt. Dies hat zur Folge, dass die Poren 4 des Flächenelements 2 insgesamt größer werden, wodurch die Durchlässigkeit des Flächenelements 2 und damit des Flächengebildes 1 insgesamt erhöht wird.
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Die auxetische Struktur 3 besteht vorliegend aus Nylon und ist mittels der Methode des 3D-Drucks unmittelbar auf das Flächenelement 2 aufgebracht worden. Während des 3D-Drucks dringt das Material der auxetischen Struktur 3 nach der Extrusion, jedoch vor dem Erstarren des Materials, in die Poren 4 des Flächenelements 2 ein, so dass sich nach dem Erstarren eines formschlüssige Verbindung der auxetischen Struktur 3 mit dem Flächenelement 2 ausbildet. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen dem Flächenelement 2 und der auxetischen Struktur 3 auch ein Haftvermittler, beispielsweise eine Klebschicht, vorgesehen sein. Dies ist insbesondere im Fall besonders glatter und/oder feinporiger Materialien für das Flächenelement 2 sinnvoll. Die auxetische Struktur 3 kann in diesem Fall sowohl direkt auf die Haftvermittlerschicht gedruckt werden als auch in einem vorhergehenden Schritt zunächst als solche erzeugt und anschließend mittels eines Haftvermittlers mit dem Flächenelement 2 verbunden werden.
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Eine weitere Maßnahme, um die Haftfähigkeit der auxetischen Struktur 3 auf dem Flächenelement 2 zu erhöhen, ist eine Vorbehandlung der Oberfläche des Materials des Flächenelements 2 vor dem Aufbringen der auxetischen Struktur 3 und/oder des Haftvermittlers. Eine solche Vorbehandlung kann insbesondere mechanisch, beispielsweise durch Aufrauhen, erfolgen.
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Die auxetische Struktur 3 erhält ihre besonderen mechanischen Eigenschaften durch die Geometrie ihrer Form. In einer lateralen Richtung X weist die auxetische Struktur 3 eine Mehrzahl von Längsstreben 5 auf. Benachbarte Längsstreben 5 sind dabei in einem Winkel zueinander angeordnet, wobei der Betrag des Winkels bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform jeweils zumindest im Wesentlichen gleich ist, sich die Richtung des Winkels jedoch in jedem Eckpunkt 6 zwischen den Längsstreben 5 umkehrt. Es ergibt sich in Draufsicht somit ein zickzackförmiger Verlauf der Reihe von Längsstreben 5. In diesem Zusammenhang versteht es sich, dass auch innerhalb einer Reihe unterschiedliche Winkel zwischen den Längsstreben vorgesehen sein können, um beispielsweise lokale Veränderung des auxetischen Verhaltens zu bewirken oder um Inhomogenitäten des Flächenelements 2 zu berücksichtigen.
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In der anderen lateralen Richtung Y weist die auxetische Struktur 3 eine Mehrzahl der vorgenannten Reihen von Längsstreben 5 auf. Hierbei sind die verschiedenen Reihen derart zueinander angeordnet, dass die sich aus dem zickzackförmigen Verlauf ergebenden Spitzen zweier benachbarter Reihen von Längsstreben 5 jeweils aufeinander zu weisen. Benachbarte Reihen von Längsstreben 5 sind darüber hinaus durch Querstreben 7 miteinander verbunden. Die Querstreben 7 verbinden im dargestellten Fall jeweils zwei benachbarte Eckpunkte 6 zweier benachbarter Reihen von Längsstreben 5. Die Querstreben 7 verbinden also benachbarte Reihen von Längsstreben 5 insbesondere über Eckpunkte 6 in voneinander wegweisenden Spitzen. Auf diese Weise ergibt sich ein zellenartiger Aufbau der auxetischen Struktur 3, wobei jede Zelle durch vier Längsstreben 5 und zwei Querstreben 7 gebildet wird.
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Bei einer Dehnung des Flächengebildes 1 und damit der auxetischen Struktur 3 in einer lateralen Richtung X wird nun die zickzackförmige Anordnung der Längsstreben 5 gestreckt, so dass sich der Winkel zwischen den Längsstreben 5 jeweils vergrößert. Hierdurch wird eine Kraft in der senkrechten lateralen Richtung Y auf die Querstreben 7 ausgeübt. Infolgedessen kommt es jeweils zu einer mittleren Beabstandung der Reihen von Längsstreben 5 in der zur Hauptdehnungsrichtung X senkrechten Richtung Y.
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Das Flächengebilde 1 bzw. das Flächenelement 2 wird somit durch die auxetische Struktur 3 zusätzlich zur von außen einwirkenden Dehnung in der einen Richtung X mit einer zusätzlichen Dehnung in der hierzu senkrechten lateralen Richtung Y beaufschlagt.
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Wie in 2 erkennbar ist, werden die Poren 4 dadurch gleichzeitig sowohl in der einen Richtung X als auch in der anderen Richtung Y vergrößert, wodurch sich insgesamt die Durchlässigkeit des Flächenelements 2 bzw. des Flächengebildes 1 erhöht. Die Formveränderung der Poren 4 ist dabei insbesondere proportional zur Formveränderung des Flächengebildes 1.
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Grundsätzlich kann die auxetische Struktur 3 auch in einer anderen als der hier dargestellten Form ausgebildet sein, wobei die konkrete Ausgestaltung abhängig von der Form und/oder Anordnung der Poren 4 sein kann. Für das mechanische Verhalten der auxetischen Struktur 3 ist letztlich die Form und Größe ihrer Zellen sowie die Beschaffenheit und Stärke des eingesetzten Materials ausschlaggebend. Die vorgenannten Parameter sind dabei im Einzelfall neben der Abhängigkeit von der Größe und Form der Poren 4 auch in Bezug auf das grundsätzliche, in der Regel nicht auxetische mechanische Verhalten des Flächenelements 2 bei lateralen Formveränderungen anzupassen.
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Im Einzelnen nicht zeichnerisch dargestellt, jedoch grundsätzlich auch erfindungsgemäß möglich, ist die Anordnung einer weiteren, identischen oder auch abweichenden auxetischen Struktur 3 auf der gegenüberliegenden Flachseite des Flächenelements 2. Durch das Zusammenwirken der beiden auxetischen Strukturen 3 von beiden Seiten her werden insbesondere lokale Verzerrungen bei der lateralen Verformung des Flächenelements 2 ausgeglichen. Hierzu kann insbesondere vorgesehen sein, dass die zweite auxetische Struktur 3 zur ersten auxetischen Struktur 3 lateral versetzt angeordnet ist.
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Idealerweise bewirkt die zweite auxetische Struktur 3 in diesem Fall gerade die Kompensation von lokalen Verzerrungen, die durch das Einwirken der ersten auxetischen Struktur 3 auf das Flächenelement 2 hervorgerufen werden. Auf diese Weise lässt sich eine sehr gleichmäßige Formveränderung der Poren 4 gewährleisten. Hierdurch wird die Größenänderung der Poren 4 besser kontrollierbar und genauer vorhersagbar. Dies ist insbesondere bei dem Einsatz bzw. der Verwendung von Membranen als Flächenelement 2 von Bedeutung, da hiervon beispielsweise im medizinischen Bereich eine wohldefinierte Wirkstoffabgabe abhängt.
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Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform der auxetischen Struktur 3 aus einem Material mittlerer Festigkeit und gleichzeitig ausreichender Elastizität ist es auch möglich, die auxetische Struktur 3 aus wenigstens zwei Materialien herzustellen. Die verschiedenen Materialien werden dabei vorzugsweise in einem gemeinsamen Produktionsschritt verarbeitet, was insbesondere beim 3D-Druck durch eine Mehrzahl von Extrusionsdüsen möglich ist.
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Im Fall einer verschiedene Materialien aufweisenden auxetischen Struktur 3 ist es bevorzugt so, dass die langgestreckten Elemente, d. h. die Längsstreben 5 und die Querstreben 7, aus einem vergleichsweise festen Material hergestellt sind, das eine ausreichende Steifigkeit besitzt, um die auftretenden Kräfte verlustarm zu übertragen. Die erforderliche Elastizität bzw. Verformbarkeit der auxetischen Struktur 3 wird in diesem Fall durch ein deutlich weicheres, d. h. elastischeres, Material bereitgestellt, das insbesondere im Bereich der Eckpunkte 6, d. h. in den Verbindungspunkten der langgestreckten Elemente, eingesetzt wird. Die auxetische Struktur 3 erhält damit einen Aufbau, der durch das Zusammenwirken von starren Elementen über gelenkige Verbindungen charakterisiert ist. Auf diese Weise lassen sich die mechanischen Vorteile verschiedener, d. h. insbesondere unterschiedlich fester, Materialien in vorteilhafter Weise kombinieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flächengebilde
- 2
- Flächenelement
- 3
- auxetische Struktur
- 4
- Pore
- 5
- Längsstrebe
- 6
- Eckpunkt
- 7
- Querstrebe
- X
- Richtung
- Y
- Richtung
