DE102017115704A1 - Component for reversible adhesive adhesion to a smooth surface, kit and manufacturing process - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein Bauteil 100, 200, zur reversiblen adhäsiven Anhaftung an einer glatten Fläche. Das Bauteil umfasst in mindestens einem Abschnitt eine Elastomerschicht 110, 210, 510, 610 und eine Stützstruktur 120, 220, 320, 420, 520, 620, wobei die Elastomerschicht eine glatte Oberfläche 111 aufweist. Gemäß einer ersten Alternative weist die Elastomerschicht eine der glatten Oberfläche entgegengesetzte profilierte Oberfläche 112 mit einem Profil auf und ist eine Oberfläche der Stützstruktur in das Profil eingreifend mit der Elastomerschicht verbunden. Gemäß einer zweiten Alternative erhält die Stützstruktur eine Nachgiebigkeit der Elastomerschicht in mindestens einer flächenparallelen Richtung und ist das Bauteil mindestens in dem Abschnitt biegeweich ausgebildet. Offenbart sind ferner ein Bausatz mit mindestens zwei reversibel adhäsiv aneinander anzuhaftenden Bauteilen und ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils 100, 200, 500, 600.Disclosed is a component 100, 200 for reversible adhesive adherence to a smooth surface. The component comprises in at least one section an elastomer layer 110, 210, 510, 610 and a support structure 120, 220, 320, 420, 520, 620, the elastomer layer having a smooth surface 111. According to a first alternative, the elastomer layer has a profiled surface 112 opposite the smooth surface with a profile, and a surface of the support structure is integrally connected to the profile with the elastomer layer. According to a second alternative, the support structure receives a resilience of the elastomer layer in at least one surface-parallel direction and the component is formed bendable soft at least in the section. Also disclosed are a kit with at least two reversibly adhesively adhered components and a method for manufacturing a component 100, 200, 500, 600.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil zur reversiblen adhäsiven Anhaftung an einer glatten Fläche, einen Bausatz mit mindestens zwei derartigen Bauteilen und ein Verfahren zur Fertigung eines solchen Bauteils.The present invention relates to a component for reversible adhesive adhesion to a smooth surface, a kit with at least two such components and a method for manufacturing such a component.
Temporäre wieder lösbare Verbindungen von Objekten an Oberflächen stellen ein Technologiefeld mit hohem Entwicklungspotenzial dar, beispielsweise zur unkomplizierten Befestigung von Bedienelementen, Autonavigationssystemen, Leuchtmitteln oder im Luftfahrt-Catering, Bauwesen und Medizintechnik-Bereich. Dabei können unterschiedliche Funktionsprinzipien zum Einsatz kommen. Technisch weit verbreitet sind auf Klett- oder Clip-Verbindungen, Magnetismus oder wiederlösbaren Klebstoffen beruhende Systeme. Nachteile dieser Systeme bestehen in der Schmutzanfälligkeit, der eingeschränkten Wiederverwendbarkeit sowie thermischen und mechanischen Festigkeit oder erhöhten Kosten durch den Einsatz von Zusatzteilen, die zugekauft werden müssen bzw. weitere Montageschritte erfordern. Temporary, detachable connections of objects to surfaces represent a field of technology with high development potential, for example for the uncomplicated attachment of control elements, car navigation systems, lamps or in aviation catering, construction and medical technology. Different operating principles can be used. Technically widespread are systems based on hook and loop fasteners, magnetism or repositionable adhesives. Disadvantages of these systems are the susceptibility to dirt, the limited reusability and thermal and mechanical strength or increased costs through the use of additional parts that need to be purchased or require further assembly steps.
Beispielsweise Klebverbindungen erfordern einen hohen Vorbereitungsaufwand beim Montageprozess und unterliegen dem Dilemma, dass feste Klebverbindungen, beispielsweise Epoxy-basierte Klebstoffe, nicht oder nur unter hohem Aufwand reversibel sind und reversible Klebverbindungen auf der anderen Seite stark anfällig gegenüber Verschmutzung und Beschädigung und nur in der Lage sind, äußerst geringe Lasten zu übertragen. For example, adhesive joints require a high preparation effort in the assembly process and are subject to the dilemma that solid bonds, such as epoxy-based adhesives, are reversible or only at great expense reversible and reversible adhesive bonds on the other hand are highly susceptible to contamination and damage and only able to transfer extremely low loads.
Ein sinnvoller Weg, wieder lösbare Oberflächenverbindungen herzustellen, insbesondere bei Scherbelastung in einer vorgegebenen Belastungsrichtung, beispielsweise durch das Anhaften eines Objekts an einer geneigten oder senkrechten Oberfläche, ist die Kraftübertragung durch Adhäsion.A sensible way to produce detachable surface connections again, in particular when subjected to shear stress in a predetermined load direction, for example by the adhesion of an object to an inclined or vertical surface, is the transmission of force by adhesion.
Die über Adhäsion übertragbare Kraft zwischen zwei Oberflächen ist von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig, insbesondere von den eingesetzten Werkstoffen und deren chemischen und physikalischen Eigenschaften sowie von Umgebungseinflüssen wie der Verschmutzung der Oberflächen. Entscheidender Faktor neben den Werkstoffeigenschaften sind insbesondere die effektive Kontaktfläche und das Aufrechterhalten dieser Kontaktfläche bei Belastung.The transferable force between two surfaces via adhesion depends on various influencing factors, in particular on the materials used and their chemical and physical properties as well as on environmental influences such as the contamination of the surfaces. Decisive factors in addition to the material properties are in particular the effective contact surface and the maintenance of this contact surface under load.
Nach aktuellem Stand der Technik wird eine reversible adhäsive Oberflächenverbindung meist über sog. PSA (pressure-sensitive adhesive), über fein strukturierte Materialvorsprünge oder haarähnliche Oberflächenstrukturen im nm- bis µm-Bereich, sog. Gecko-imitierende Strukturen, erhöht. PSAs bestehen aus sehr weichen viskoelastischen Polymeren. Eine Adhäsion wird insbesondere nach dem Prinzip der mechanischen Adhäsion erzeugt, indem das weiche Material nach Anwendung von Druck ohne oder nur mit einer geringen Rückstellkraft sich der rauen Materialoberfläche anschmiegt, so dass eine Benetzung, also eine hohe effektive Kontaktfläche zwischen Oberfläche und PSA, generiert wird. Durch den geringen molekularen Abstand, der so erzeugt wird, werden van-der-Waals-Kräfte wirksam und eine Haftung generiert. Zusätzlich werden die adhäsiven Eigenschaften der PSAs oft mittels Haftvermittlern optimiert, was jedoch auf der anderen Seite die Reversibilität stark einschränkt. Insbesondere PSAs, die eine hohe Haftfestigkeit aufweisen, bieten somit aufgrund der irreversiblen Prozesse zur Generierung hoher Haftfestigkeiten keine oder nur eine sehr geringe Reversibilität und erfordern teils hohe Ablösekräfte. Ein weiterer Ansatz ist die synthetische Nachbildung biologischer Strukturen, die in der Natur zum Zweck der reversiblen Adhäsionserzeugung verwendet. Sie werden weitläufig als Gecko-inspirierte Strukturen bezeichnet. Dem zugrunde liegen zwei physikalische Prinzipien: zum einen die Erhöhung effektiver Kontaktoberflächen an realen Oberflächen über elastische Oberflächenstrukturen im nm- oder µm-Bereich und zum anderen das Aufteilen einer Kontaktfläche in zahlreiche Einzelkontakte, um über bruchmechanische Effekte sowie Kontaktredundanz eine erhöhte Verbindungsfestigkeit zu erzielen.According to the current state of the art, a reversible adhesive surface compound is usually increased by so-called PSA (pressure-sensitive adhesive), via finely structured material projections or hair-like surface structures in the nm to μm range, so-called gecko-imitating structures. PSAs are made of very soft viscoelastic polymers. Adhesion is generated in particular according to the principle of mechanical adhesion in that the soft material, after application of pressure with little or no restoring force, conforms to the rough material surface, so that wetting, ie a high effective contact surface between surface and PSA, is generated , Due to the small molecular distance thus generated, van der Waals forces become effective and adhesion is generated. In addition, the adhesive properties of PSAs are often optimized by means of adhesion promoters, but on the other hand severely limits reversibility. In particular, PSAs which have a high adhesive strength thus offer no or only a very low reversibility due to the irreversible processes for generating high adhesive strengths and sometimes require high detachment forces. Another approach is the synthetic replication of biological structures used in nature for the purpose of reversible adhesion generation. They are widely referred to as gecko-inspired structures. On the basis of two physical principles: on the one hand the increase of effective contact surfaces on real surfaces on elastic surface structures in the nm or microns range and on the other hand, the splitting of a contact surface in numerous individual contacts in order to achieve a higher connection strength through fracture mechanical effects and contact redundancy.
Eine Problematik dieser Strukturen besteht in dem erforderlichen Fertigungsaufwand und -verfahren sowie der Skalierbarkeit auf größere Kontaktflächen und höhere zu übertragende Lasten. Derartige Oberflächenstrukturen im nm- bis sub-mm-Bereich erfordern Fertigungsverfahren wie beispielsweise Lithographie oder hochpräzise Ätzverfahren. Dadurch wird eine Skalierung auf großflächige Bauteiloberflächen erheblich erschwert und oft unwirtschaftlich.A problem of these structures is the required manufacturing effort and method as well as the scalability to larger contact surfaces and higher loads to be transmitted. Such surface structures in the nm to sub-mm range require manufacturing processes such as lithography or high-precision etching. As a result, scaling over large-area component surfaces is made considerably more difficult and often uneconomical.
Ein Beispiel für diese Gecko-imitierenden Struktur ist ein Haftband mit einer mikrostrukturierten Silikonfolie, die eine Vielzahl von saugnapfförmigen Haftelementen aufweist. Mit diesen kann nach den zuvor beschriebenen Mechanismen eine gewisse Adhäsionskraft aufgebaut werden, die ergänzend durch Acrylatkleber verstärkt werden kann. Derartiges Haftband findet beispielsweise in Handhabungsgeräten zur temporären, wieder lösbaren Aufnahme empfindlicher leichter Bauteile, beispielsweise Gläser oder Anzeigetafeln (Displays), Verwendung.An example of this gecko-mimicking structure is an adhesive tape having a microstructured silicone film having a plurality of suction cup-shaped adhesive elements. With these, a certain adhesive force can be built up according to the mechanisms described above, which can be supplementarily reinforced by acrylate adhesive. Such adhesive tape is used, for example, in handling devices for the temporary, detachable recording sensitive light components, such as glasses or display panels (displays), use.
Dermaßen feine Oberflächenstrukturen sind empfindlich gegenüber Verschmutzung und mechanischer Beschädigung, welche die Materialverbindung unbrauchbar bzw. bei wiederholter Verwendung weniger belastbar machen. Zudem sind im µm- oder nm-Bereich fein strukturierte Oberflächen fertigungstechnisch aufwendig und wenig wirtschaftlich in bestehende oder andere Bauteile integrierbar. Schließlich sind sie nur in geringem Maße (unter hohen Kosten oder auf Kosten einer hohen Adhäsionswirkung) auf große Flächen skalierbar und somit eher auf kleine Flächenbereiche sowie niedrige Scherbelastungen in kontrolliertem Umfeld beschränkt.Such fine surface structures are sensitive to contamination and mechanical damage, which make the material connection useless or less durable in repeated use. In addition, in the micron or nm range finely structured surfaces manufacturing technology consuming and inexpensive to integrate into existing or other components. Finally, they are only to a small extent (at high cost or at the cost of a high adhesion effect) scalable to large areas and thus limited to small areas and low shear loads in a controlled environment.
In der Druckschrift
Diese Technologie stützt sich dabei im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung auf die Nachgiebigkeit der faserverstärkten Elastomerschicht infolge der biegeflexiblen dünnen Schicht und funktioniert insbesondere in frei hängendem Zustand. In contrast to the present invention, this technology relies on the resilience of the fiber-reinforced elastomer layer as a result of the flexurally flexible thin layer and works in particular in a freely suspended state.
Nachteilig an dieser Technologie ist insbesondere die Bedingung der freien Beweglichkeit der dünnen Elastomerschicht, an die dann das zu befestigende Objekt gehängt wird. Es ist somit nicht möglich, direkt und ohne zusätzlichen Bauraum, Bauteile an eine vordefinierte beliebige Position an der Oberfläche zu befestigen.A disadvantage of this technology is in particular the condition of the free mobility of the thin elastomeric layer, to which then the object to be fastened is hung. It is thus not possible, directly and without additional space to attach components to a predefined arbitrary position on the surface.
In der Druckschrift
Weiterer Stand der Technik zur Verbindung von Bauteilen ist aus den folgenden Druckschriften bekannt:
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US 2014/0304953 A1 WO 2014/144136 A1 - •
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Technik zur adhäsiven Anhaftung bereitzustellen.The present invention has for its object to provide an improved technique for adhesive adhesion.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1, ein Bauteil gemäß Anspruch 7, einen Bausatz nach Anspruch 12 und ein Verfahren gemäß Anspruch 16. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.The object is achieved by a component according to claim 1, a component according to claim 7, a kit according to claim 12 and a method according to claim 16. Advantageous embodiments are disclosed in the subclaims, the description and the figures.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil einer ersten Alternative der vorliegenden Erfindung ist dazu vorgesehen, reversibel adhäsiv an einer glatten (also mikrostrukturfreien) Fläche anzuhaften. Es umfasst in mindestens einem Abschnitt eine (im Wesentlichen aus mindestens einem Elastomer bestehende) Elastomerschicht und eine Stützstruktur. Die Elastomerschicht weist dabei eine glatte (also mikrostrukturfreie) Oberfläche auf (die als Anhaftungsfläche vorgesehen ist) sowie eine der glatten Oberfläche entgegengesetzte profilierte Oberfläche. Die Stützstruktur ist mit der Elastomerschicht verbunden. Dabei greift sie in das Profil der profilierten Oberfläche der Elastomerschicht ein: So wird eine verringerte Nachgiebigkeit der weichen Elastomerkomponente in mindestens einer vorbestimmten Belastungsrichtung erzielt.An inventive component of a first alternative of the present invention is intended to adhere reversibly adhesive to a smooth (ie microstructure-free) surface. It comprises in at least one section an elastomer layer (consisting essentially of at least one elastomer) and a support structure. The elastomer layer has a smooth (ie microstructure-free) surface (which is provided as an adhesion surface) and a smooth surface opposite profiled surface. The support structure is connected to the elastomer layer. It engages in the profile of the profiled surface of the elastomer layer: Thus, a reduced compliance of the soft elastomer component is achieved in at least one predetermined loading direction.
Die in das Profil der profilierten Oberfläche der Elastomerschicht eingreifende Stützstruktur kann vorzugsweise eine zum Profil der profilierten Oberfläche komplementäre Struktur aufweisen, so dass also vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte profilierte Oberfläche im Kontakt zur Stützstruktur steht.The support structure which engages in the profile of the profiled surface of the elastomer layer may preferably have a structure complementary to the profile of the profiled surface, so that therefore preferably substantially the entire profiled surface is in contact with the support structure.
Ein alternatives, zweites erfindungsgemäßes Bauteil zur reversiblen adhäsiven Anhaftung an einer glatten Fläche umfasst analog in mindestens einem Abschnitt eine Elastomerschicht und eine Stützstruktur, wobei die Elastomerschicht eine glatte (also mikrostrukturfreie) Oberfläche aufweist (die als Anhaftungsfläche vorgesehen ist). Die Stützstruktur erhält dabei eine Nachgiebigkeit der Elastomerschicht in mindestens einer (bezogen auf die glatte Oberfläche) flächenparallelen Richtung, und das Bauteil ist zumindest in dem Abschnitt biegeweich ausgebildet. Die Stützstruktur kann dabei beispielsweise eine Mehrzahl an (z.B. länglichen, parallel verlaufenden) Elementen (wie z.B. Stäben und/oder Halbröhren) umfassen, die in die Elastomerschicht eingebettet sein können.An alternative, second component according to the invention for reversible adhesive adhesion to a smooth surface similarly comprises in at least one section an elastomer layer and a support structure, wherein the elastomer layer has a smooth (ie microstructure-free) surface (which is provided as an adhesion surface). In this case, the support structure is given a resilience of the elastomer layer in at least one (with respect to the smooth surface) surface-parallel direction, and the component is designed to be bendable, at least in the section. The support structure may comprise, for example, a plurality of (e.g., elongated, parallel) elements (such as rods and / or half-tubes) which may be embedded in the elastomeric layer.
Bei dieser zweiten Alternative weist die Elastomerschicht vorzugsweise ein Volumen auf, das größer ist als das Volumen der Stützstruktur.In this second alternative, the elastomer layer preferably has a volume which is greater than the volume of the support structure.
Erfindungsgemäß erfolgt – bei beiden genannten Alternativen – die Erzeugung der Adhäsionswirkung somit über die weiche Elastomerschicht. Die Stützstruktur wirkt dabei einer Verformung der weichen Elastomerschicht in mindestens einer Richtung entgegen und verhindert damit eine ungünstige Spannungsverteilung; insbesondere wird ein Ausweichen der elastischen Weichkomponente bei Belastung durch entsprechende dreidimensionale Konturierung vermindert oder sogar verhindert. Dadurch wird eine adhäsive Anhaftung der glatten Oberfläche an einer glatten Fläche stabilisiert. Da die Oberfläche der Elastomerschicht glatt, also ohne Mikrostrukturierung ausgebildet ist, ist insbesondere der Einsatz in hygienesensiblen Anwendungen wie beispielsweise der Medizintechnik möglich. According to the invention - in both alternatives mentioned - the generation of the adhesion effect thus takes place via the soft elastomer layer. The support structure counteracts a deformation of the soft elastomer layer in at least one direction and thus prevents an unfavorable stress distribution; In particular, a deflection of the elastic soft component is reduced or even prevented under load by corresponding three-dimensional contouring. This stabilizes adhesive adherence of the smooth surface to a smooth surface. Since the surface of the elastomer layer is smooth, that is formed without microstructuring, in particular the use in hygiene-sensitive applications such as medical technology is possible.
Ein kleinster auftretender (durch die Elastomerschicht gemessener) Abstand der Stützstruktur von der glatten Oberfläche der Elastomerschicht (bzw. eine Stärke der Elastomerschicht an ihrer/ihren dünnsten Stelle/n) beträgt vorzugsweise höchstens 1mm oder höchstens 0,5mm, bevorzugter höchstens 0,2mm.A smallest occurring (measured by the elastomer layer) distance of the support structure from the smooth surface of the elastomer layer (or a thickness of the elastomer layer at its / its thinnest point / s) is preferably at most 1mm or at most 0.5mm, more preferably at most 0.2mm.
Insbesondere kann so die Verformung der Elastomerschicht bei Scherbelastung durch die der glatten Oberfläche entgegengesetzt liegende makroskopische Versteifungsstruktur der Stützstruktur verhindert werden. Die Nachgiebigkeit C des adhäsiven Bauteils in eine vorgesehene Belastungsrichtung kann damit im Bereich der für den Adhäsionskontakt vorgesehenen glatten Oberfläche reduziert werden, was eine gleichmäßige Lastübertragung ermöglicht und Verformungen und somit verfrühte Ablösungen verhindert.In particular, the deformation of the elastomer layer under shear stress can thus be prevented by the macroscopic stiffening structure of the support structure lying opposite the smooth surface. The compliance C of the adhesive member in an intended loading direction can thus be reduced in the area of the intended adhesive contact smooth surface, which allows a uniform load transfer and prevents deformation and thus premature detachment.
Die Verwendung eines Materials, das ausgeprägt polar ist(wie z.B. ein Polyurethan) und/ oder eine hohe Oberflächenenergie aufweist (z.B. von mindestens 30mN/m, bevorzugter mindestens 35 mN/m) kann die Adhäsionsneigung der Elastomerschicht noch verstärken: Eine gezielte Optimierung der eingesetzten Werkstoffe unter Berücksichtigung der chemischen und physikalischen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf Polarität und Oberflächenenergie führt zu einer weiteren Verbesserung der Haftkraft der adhäsiven Verbindung in Bezug auf gleichartige oder vordefinierte Zieloberflächen.The use of a material which is markedly polar (such as a polyurethane) and / or has a high surface energy (eg of at least 30mN / m, more preferably at least 35mN / m) can further enhance the adhesion of the elastomeric layer Materials taking into account the chemical and physical properties, in particular with regard to polarity and surface energy leads to a further improvement of the adhesive force of the adhesive compound with respect to identical or predefined target surfaces.
Infolge der geringen Steifigkeit der Elastomerschicht (die im Folgenden gelegentlich auch als „Weichkomponente“ bezeichnet wird) und somit der hohen Anpassbarkeit an die Rauigkeiten und Unebenheiten der jeweiligen glatten Fläche kann dabei die reale effektive Kontaktfläche A des Bauteils besonders groß gewählt werden.Due to the low stiffness of the elastomer layer (which is sometimes referred to below as "soft component") and thus the high adaptability to the roughness and unevenness of the respective smooth surface while the real effective contact area A of the component can be particularly large.
Erfindungsgemäß wird somit die über Adhäsion übertragbare Kraft des (flächigen) Bauteils durch Optimierung des Quotienten A/C gesteigert, und das Bauteil zeigt daher (unabhängig der Werkstoffpaarung) ein optimiertes adhäsives Verhalten bei Scherbelastung. According to the invention, the transferable via adhesion force of the (planar) component is thus increased by optimizing the quotient A / C, and the component therefore shows (regardless of the material pairing) an optimized adhesive behavior under shear stress.
Die Stützstruktur besteht vorzugsweise ganz oder teilweise aus einem Polymer. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Stützstruktur ganz oder teilweise aus einem Thermoplast gebildet. Sie kann Füllstoffe wie beispielsweise Metall und/oder Keramik enthalten. In einer zur glatten Oberfläche der Elastomerschicht orthogonalen Richtung hat die Stützsstruktur vorzugsweise eine Ausdehnung (Stärke) von mindestens 1mm oder sogar mindestens 1,5mm. The support structure is preferably wholly or partially made of a polymer. According to an advantageous embodiment, the support structure is wholly or partly formed from a thermoplastic. It may contain fillers such as metal and / or ceramic. In a direction orthogonal to the smooth surface of the elastomer layer, the support structure preferably has an extension (thickness) of at least 1 mm or even at least 1.5 mm.
Die Elastomerschicht kann mindestens teilweise aus Polyurethan und/oder Silikon gebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Variante ist die Elastomerschicht aus einem thermoplastischen Elastomer gebildet, beispielsweise einem thermoplastischen Polyurethan. Vorzugsweise weist die Elastomerschicht eine Shorehärte von weniger als A80 oder sogar maximal A60 auf. The elastomer layer may be formed at least partially of polyurethane and / or silicone. According to a preferred variant, the elastomer layer is formed from a thermoplastic elastomer, for example a thermoplastic polyurethane. Preferably, the elastomer layer has a Shore hardness of less than A80 or even at most A60.
Gemäß einem speziellen, vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Stützstruktur aus einem Polyamid und die Elastomerschicht aus einem thermoplastischen Polyurethan gebildet: Eine derartige Kombination ermöglicht eine besonders gut Anhaftung der beiden Schichten aneinander, beugt also einem Versagen des Bauteils an dieser Stelle vor. According to a special, advantageous embodiment, the support structure is made of a polyamide and the elastomer layer of a thermoplastic polyurethane: Such a combination allows a particularly good adhesion of the two layers together, thus preventing a failure of the component at this point.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der ersten Alternative eines erfindungsgemäßen Bauteils ist die Stützstruktur steif, also formstabil ausgebildet. In diesem Sinne wird sie in dieser Schrift auch als „Hartkomponente“ bezeichnet. Eine derartige Ausführungsform ermöglicht ein besonders vereinfachtes Lösen einer adhäsiven Anhaftung des Bauteils an einer glatten Fläche, indem beispielsweise eine strukturparallele (parallel zu einer Ausrichtung der Stützstruktur) Scherkraft oder eine Rotationskraft auf das Bauteil ausgeübt wird. Die Stützstruktur kann eine über die Elastomerschicht hinausgehende Ausdehnung haben, also mindestens in einem Bereich über einen Rand der Elastomerschicht überstehen.According to an advantageous embodiment of the first alternative of a component according to the invention, the support structure is stiff, so dimensionally stable. In this sense, it is referred to in this document as "hard component". Such an embodiment enables a particularly simplified release of an adhesive adhesion of the component to a smooth surface, for example, by a shear-parallel or parallel to an alignment of the support structure shear force or a rotational force is exerted on the component. The support structure may have an extension beyond the elastomer layer, that is to say protrude at least in one area over an edge of the elastomer layer.
Das Profil der profilierten Oberfläche der Elastomerschicht ist bei der ersten Alternative vorzugsweise makroskopisch ausgebildet; insbesondere kann es eine Tiefe von mindestens 1mm oder mindestens 1,5mm aufweisen. The profile of the profiled surface of the elastomer layer is preferably formed macroscopically in the first alternative; In particular, it may have a depth of at least 1mm or at least 1.5mm.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Stützstruktur (bzw. im Falle der ersten Alternative: das Profil der profilierten Oberfläche der Elastomerschicht) anisotrop ausgebildet ist, insbesondere also richtungsabhängig durch unterschiedliche Funktionsvorschriften zu beschreiben ist. So kann eine Verformung der Elastomerschicht in eine vorgesehene Belastungsrichtung verhindert, in eine andere (z.B. zur vorgesehenen Belastungsrichtung orthogonale) Richtung jedoch ermöglicht werden. Dies erlaubt eine hohe Stabilität einer vorgesehenen Anhaftung des Bauteils an der glatten Fläche in die vorgesehene Belastungsrichtung (die vorzugsweise in einer Ebene parallel zur glatten Oberfläche der Elastomerschicht liegt), zugleich jedoch ein leichtes Ablösen des anhaftenden Bauteils durch Krafteinwirkung in die andere Richtung. Durch die strukturbedingt einstellbare anisotrope Versteifungswirkung der Elastomerschicht lässt sich ein vereinfachter Lösungsmechanismus erzielen, bei dem keine Schälwirkung oder Krümmung der anhaftenden Oberfläche erforderlich ist. Durch Rotation der anisotrop ausgerichteten Versteifungsstrukturen werden lokale Spannungsspitzen in der adhäsiven Grenzfläche erzeugt und somit ein vereinfachten Lösen provoziert.Particularly preferred is an embodiment in which the support structure (or in the case of the first alternative: the profile of the profiled surface of the elastomer layer) is anisotropic, ie in particular direction-dependent is to be described by different functional rules. Thus, deformation of the elastomer layer in an intended loading direction may be prevented, but may be permitted in another direction (orthogonal to the intended loading direction, for example). This allows a high stability of an intended adhesion of the component to the smooth surface in the intended loading direction (which is preferably in a plane parallel to the smooth surface of the elastomer layer), but at the same time a slight detachment of the adhering component by the action of force in the other direction. Due to the structurally adjustable anisotropic stiffening effect of the elastomer layer, a simplified solution mechanism can be achieved in which no peeling effect or curvature of the adhering surface is required. Rotation of the anisotropically oriented stiffening structures generates local stress peaks in the adhesive interface and thus provokes a simplified release.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der ersten Alternative eines erfindungsgemäßen Bauteils weist das Profil der profilierten Oberfläche der Elastomerschicht (und mit ihr vorzugsweise eine zu dem Profil komplementäre Struktur der Stützstruktur) mindestens einen Bereich mit einer Rillen- bzw. Rippenstruktur auf. Ein derartiger Bereich kann beispielsweise stufig oder wellenförmig ausgebildet sein. Insbesondere können derart gebildete Wellen bzw. Stufen sich in dem Bereich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, also gerade ausgebildete, zueinander parallele Wellenfronten bzw. Stufenkanten haben, oder sie können beispielsweise konzentrische Strukturen wie insbesondere Kreise oder Polygone (z.B. Dreiecke oder Quadrate) ausbilden. Vorzugsweise verlaufen die Wellenfronten bzw. Stufenkanten im Wesentlichen orthogonal zu einer (vorzugsweise parallel zur glatten Oberfläche der Elastomerschicht verlaufenden) vorgesehenen Belastungsrichtung einer vorgesehenen adhäsiven Anhaftung des Bauteils. According to a preferred embodiment variant of the first alternative of a component according to the invention, the profile of the profiled surface of the elastomer layer (and with it preferably a structure of the support structure complementary to the profile) has at least one region with a groove or rib structure. Such a region can be designed, for example, in a stepped or wave-shaped manner. In particular, waves or steps thus formed may extend substantially parallel to one another in the region, ie they may have straight, mutually parallel wavefronts or step edges, or may, for example, form concentric structures, in particular circles or polygons (for example triangles or squares). Preferably, the wavefronts or step edges are substantially orthogonal to a (preferably parallel to the smooth surface of the elastomer layer extending) intended loading direction of an intended adhesive adhesion of the component.
Ein derartiges Profil weist eine hohe Nachgiebigkeit der elastomeren Schicht in zur Belastungsrichtung orthogonaler Richtung auf. Zudem wird durch eine entsprechende komplementäre Struktur in der Stützstruktur ein Ausweichen der Elastomerschicht bei Scherbelastung in Belastungsrichtung verhindert. So ergeben sich anisotrope Versteifungseffekte, die in Belastungsrichtung eine hohe Steifigkeit und somit Lastaufnahme ermöglichen, in anderer (z.B. zur Belastungsrichtung orthogonaler) Richtung jedoch keinen oder nur einen geringen Versteifungseffekt erzeugen, was eine leichte Ablösbarkeit des Bauteils in dieser Richtung gestattet. Dieses Wirkprinzip kann sowohl mittels Rillen. bzw. Rippenstrukturen der Stützstruktur eines steifen, als auch durch entsprechende Versteifungsstränge in biegeweichen Bauteilen realisiert werden.Such a profile has a high flexibility of the elastomeric layer in the direction orthogonal to the loading direction. In addition, a deflection of the elastomer layer under shear load in the loading direction is prevented by a corresponding complementary structure in the support structure. This results in anisotropic stiffening effects which allow high rigidity and thus load bearing in the loading direction, but produce no or only a slight stiffening effect in another direction (orthogonal to the loading direction, for example), which allows easy detachability of the component in this direction. This principle of action can be achieved both by grooves. or rib structures of the support structure of a rigid, as well as by corresponding stiffening strands are realized in flexurally soft components.
Die zum das Profil der profilierten Oberfläche der Elastomerschicht komplementäre Struktur der Stützstruktur kann eine Mehrzahl an Haken umfassen.The complementary to the profile of the profiled surface of the elastomer layer structure of the support structure may comprise a plurality of hooks.
Eine in das Profil der profilierten Oberfläche der Elastomerschicht eingreifende, zum genannten Profil komplementär ausgebildete Struktur der Stützstruktur kann massiv geformt sein. Alternativ kann die komplementäre Struktur einen oder mehrere Hohlräume in der Stützstruktur ausbilden (beispielsweise Hohlrippen); dadurch wird das Gewicht des Bauteils und damit ggf. (im Falle einer vertikalen vorgesehenen Belastungsrichtung) eine Belastung in der vorgesehenen Belastungsrichtung reduziert.An engaging in the profile of the profiled surface of the elastomeric layer, complementary to said profile structure of the support structure may be solid. Alternatively, the complementary structure may form one or more cavities in the support structure (eg, hollow fins); As a result, the weight of the component and thus possibly (in the case of a vertical load direction provided) a load in the intended load direction is reduced.
Die glatte Fläche, an der zu haften ein erfindungsgemäßes Bauteil (gleich welcher Alternative) eingerichtet ist kann insbesondere eine Fremdfläche sein, beispielsweise eine Glas- oder Metallfläche, oder eine glatte Oberfläche der Elastomerschicht eines weiteren erfindungsgemäßen Bauteils.The smooth surface on which a component according to the invention (regardless of which alternative) is adapted can in particular be an external surface, for example a glass or metal surface, or a smooth surface of the elastomer layer of a further component according to the invention.
Ein erfindungsgemäßer Bausatz umfasst mindestens zwei Bauteile, von denen eines oder beide ein erfindungsgemäßes Bauteil (einer der genannten Alternativen) gemäß einer in dieser Schrift offenbarten Ausführungsform ist/sind. Insbesondere bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der beide Bauteile jeweilige Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Bauteils (derselben Alternative oder je einer der genannten Alternativen) sind, wobei die glatten Oberflächen der jeweiligen Elastomerschicht dazu vorgesehen sind, mit der glatten Oberfläche des jeweils anderen Bauteils adhäsiv reversibel verhaftet zu werden. Die Elastomerschicht eines ersten dieser beiden Bauteile kann aus demselben Material gebildet sein wie die Elastomerschicht des zweiten der Bauteile, oder die jeweiligen Elastomerschichten können aus einem voneinander verschiedenen Materialien bestehen. Analoges gilt für die Stützstruktur. A kit according to the invention comprises at least two components, of which one or both is / are a component according to the invention (one of the named alternatives) according to an embodiment disclosed in this document. Particularly preferred is an embodiment in which both components are respective embodiments of a component according to the invention (the same alternative or one of the alternatives), wherein the smooth surfaces of the respective elastomer layer are provided to adhäsiv reversibly arrested with the smooth surface of the other component become. The elastomer layer of a first of these two components may be formed of the same material as the elastomer layer of the second of the components, or the respective elastomer layers may be made of a mutually different materials. The same applies to the support structure.
Die Verbindung der erfindungsgemäß strukturierten Bauteile gestaltet sich relativ steif, jedoch mit einer Dämpfungswirkung und minimaler Nachgiebigkeit. Durch das Zusammenbringen der Elastomeroberflächen mit geringer Kraft erfolgt die Haftung. Das Aufbringen einer größeren Fügekraft ist nicht erforderlich.The connection of the components structured according to the invention is relatively stiff, but with a damping effect and minimal compliance. By bringing the elastomer surfaces together with little force, adhesion takes place. The application of a larger joining force is not required.
Die Verbindungsfestigkeit unter spezifischen Umweltbedingungen ist stark abhängig von Faktoren wie beispielsweise der Verschmutzung der Oberflächen. Um eine optimale Haftung zu erreichen, sind die glatten Elastomeroberflächen vor dem Zusammenfügen von Staub und Schmutz zu befreien und können beispielsweise mittels eines materialkompatiblen Lösungsmittels entfettet werden. Die Verbindung der Bauteile ist dabei reversibel und kann über viele Montagegänge hin wiederholt und gelöst werden.Bonding strength under specific environmental conditions is highly dependent on factors such as surface contamination. In order to achieve optimum adhesion, the smooth elastomer surfaces are to be freed of dust and dirt before assembly and can be degreased, for example, by means of a material-compatible solvent. The connection of the components is reversible and can be repeated and solved over many assembly operations.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bausatzes sind die Elastomerschichten der Bauteile dazu eingerichtet, vollflächig an vorgesehenen, (z.B. in Form von Körperkanten und/oder Materialabgrenzungen) physisch ausgeprägten oder markierten jeweiligen Passflächen aneinandergefügt zu werden. Die Passflächen sind dabei Bereiche der jeweiligen glatten Oberflächen der Elastomerschichten; insbesondere können die gesamten glatten Oberflächen als Passflächen vorgesehen sein. Die den Passflächen entgegengesetzten jeweiligen Profile der Elastomerschichten sind dabei vorzugsweise komplementär zueinander ausgebildet. Beispielsweise in Ausführungsformen, in denen die Profile der Bauteile jeweils einen Bereich mit Erhebungen bzw. Vertiefungen (z.B. Rippen bzw. Rillen) aufweisen, liegen bei derart vollflächig an den Passflächen miteinander verhafteten Bauteilen vorzugsweise die Vertiefungen (Rillen) im Profil eines ersten der Bauteile jeweils den Erhebungen (Rippen) des zweiten der Bauteile gegenüber. Die aus den beiden Elastomerschichten der Bauteile zusammengesetzte Elastomer-Doppelschicht weist damit eine im Wesentlichen konstante Stärke auf. Insbesondere werden in der Doppelschicht voluminöse Abschnitte aus Elastomer vermieden, die aufgrund ihrer Weichheit zu einer ungünstigen Spannungsverteilung führen und so die Belastbarkeit in Bezug auf Scherkräfte reduzieren würden. Die Strukturdimensionen der zusammenzufügenden Bauteile sind somit vermöge der Passflächen definiert und aufeinander angepasst, um eine ideale Versteifungswirkung und somit Haftung zu erzielen. According to an advantageous embodiment of a construction kit according to the invention, the elastomer layers of the components are arranged to be joined together at the intended, mating surfaces (for example in the form of body edges and / or material delineations) physically provided or marked. The mating surfaces are areas of the respective smooth surfaces of the elastomer layers; In particular, the entire smooth surfaces may be provided as mating surfaces. The respective profiles of the elastomer layers opposite the mating surfaces are preferably formed complementary to each other. For example, in embodiments in which the profiles of the components each have a region with elevations or depressions (eg ribs or grooves), in the case of such components adhering to each other over the entire surface, the recesses (grooves) are preferably in the profile of a first of the components the elevations (ribs) of the second of the components opposite. The composite of the two elastomer layers of the components elastomeric double layer thus has a substantially constant thickness. In particular, voluminous portions of elastomer are avoided in the double layer, which would lead to an unfavorable stress distribution due to their softness and would thus reduce the load capacity with respect to shear forces. The structural dimensions of the components to be assembled are thus defined by virtue of the mating surfaces and adapted to each other in order to achieve an ideal stiffening effect and thus adhesion.
Insbesondere vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Bausatz, bei dem mindestens eines der Bauteile ein Einzelteil eines medizintechnischen Geräts, beispielsweise eines endoskopischen Instruments ist: Reversible und dennoch feste Verbindungstechniken, die (vorzugsweise ausschließlich) glatte, reinigungsfreundliche Oberflächen aufweisen und nicht auf Mikro- oder Nanostrukturen oder Kleinbauteile mit Hinterschnitten zurückgreifen, bieten insbesondere in Anwendungen, in denen eine zuverlässige Sterilisation unabdingbar ist, signifikante Vorteile. Endoskopische Instrumente beispielsweise bestehen oft aus mehreren Einzelteilen, die mittels reversibler Verbindungstechniken montiert werden. Insbesondere an den Verbindungsstellen mit geringem und mittlerem Lastbereich sowie an Polymerbauteilen lässt sich die erfindungsgemäße Verbindungstechnik günstig einsetzen und direkt bei der Fertigung in Bauteile integrieren. Eine Vorreinigung der mittels Adhäsion zu fügenden Bauteile ist in diesem Anwendungsbereich nicht zusätzlich erforderlich, weil die Geräte vor der Montage ohnehin einer Sterilisation unterzogen werden. Die dabei auftretenden chemischen und thermischen Anforderungen sind insbesondere bei der Wahl des Elastomers zu berücksichtigen.Particularly advantageous is an embodiment of a kit according to the invention, in which at least one of the components is a single part of a medical device, such as an endoscopic instrument: Reversible and yet solid bonding techniques that (preferably exclusively) have smooth, easy to clean surfaces and not on micro- or Using undercut nanostructures or small components offers significant advantages, especially in applications where reliable sterilization is essential. For example, endoscopic instruments often consist of several parts that are assembled using reversible connection techniques. In particular, at the connection points with low and medium load range and on polymer components, the connection technology of the invention can be used favorably and integrate directly into the production in components. A pre-cleaning of the components to be joined by means of adhesion is not additionally required in this area of application because the devices are subjected to sterilization anyway before installation. The occurring chemical and thermal requirements are to be considered in particular in the choice of the elastomer.
Alternativ kann eines der Bauteile eines erfindungsgemäßen Bausatzes ein stehender Körper, beispielsweise eine Fertigungsmaschine oder ein Möbelstück etc. sein, der (beispielsweise bereits bei der Herstellung des Körpers oder nachträglich als aufgeklebte Schicht) mit der Stütz- und der Elastomerschicht versehen ist, z.B. an einer vertikalen Fläche des Körpers. Das zweite Bauteil kann beispielsweise ein Messinstrument (z.B. ein Sensor) und/oder eine Anzeigevorrichtung (z.B. ein Display) und die genannten Schichten umfassen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht dann eine einfache, belastbare, aber reversible Befestigung des Messinstruments bzw. der Anzeigevorrichtung an dem stehenden Körper mittels Adhäsion. Die Stützstruktur ist dabei so zu orientieren, dass die Versteifungswirkung vertikal verläuft und somit das Gewicht des zu anhaftenden Körpers sicher getragen werden kann. Bei Bedarf kann das zweite Bauteil vom Körper mittels einer Scher- oder Drehbewegung entgegen der Versteifungswirkung der Stützstruktur gelöst werden. Alternatively, one of the components of a kit according to the invention may be a stationary body, for example a production machine or a piece of furniture, which is provided with the support and the elastomer layer (for example already during the production of the body or subsequently as a glued-on layer), for example on a vertical surface of the body. The second component may, for example, comprise a measuring instrument (eg a sensor) and / or a display device (eg a display) and the said layers. The present invention then enables a simple, resilient but reversible attachment of the measuring instrument or the display device to the standing body by means of adhesion. The support structure is to be oriented so that the stiffening effect is vertical and thus the weight of the body to be adhered can be worn safely. If necessary, the second component of the body by means of a shear or rotational movement against the stiffening effect of the support structure can be solved.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils (einer der beiden Alternativen) gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen. Dabei können die Stützstruktur und die Elastomerschicht in einem Zweischrittverfahren gefertigt werden, indem zunächst eine der beiden Schichten hergestellt und die andere danach damit verbunden wird, oder sie können in einem gemeinsamen Fertigungsschritt durch ein Zweikomponentenverfahren gefertigt werden (z.B. mittels Zweikomponentenspritzguss oder einer Zweikomponentenextrusion, beispielsweise unter Verwendung thermoplastischer Elastomere.), was eine Integration eines erfindungsgemäßen Bauteils in ein Gesamtbauteil bzw. eine Baugruppe vereinfacht und eine flexible, zeitsparende und unter geringerem Einsatz von Hilfsmitteln zu bewerkstelligende Montage ermöglicht; insbesondere eine der oben genannten biegeflexiblen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Bauteils wird vorteilhaft in einem Zweikomponentenverfahren hergestellt, vorzugsweise auf Basis thermoplastischer Komponenten.An inventive method is used to produce a component according to the invention (one of the two alternatives) according to one of the embodiments disclosed in this document. In this case, the support structure and the elastomer layer can be manufactured in a two-step process by first producing one of the two layers and then connecting the other, or they can be manufactured in a common manufacturing step by a two-component process (eg by two-component injection molding or two-component extrusion, for example under Use of thermoplastic elastomers.), Which simplifies integration of a component according to the invention into an overall component or an assembly and makes possible a flexible, time-saving assembly with less use of auxiliary equipment; In particular, one of the abovementioned flexurally flexible embodiments of a component according to the invention is advantageously produced in a two-component process, preferably based on thermoplastic components.
Beispielsweise kann die Stützstruktur mindestens in einem Teilbereich urformend und/oder umformend gefertigt werden (bzw. sein); insbesondere kann die Fertigung der Stützstruktur ein Spritzgießen, Heißprägen, Walzen, Extrudieren, Gießen, Lasersintern, Pultrudieren und/oder ein generatives Verfahren (z.B. 3D-Druck) umfassen. Die Fertigung kann mindestens einen abtragenden Fertigungsschritt umfassen, in dem beispielsweise eine zur profilierten Oberfläche der Elastomerschicht komplementäre Struktur erzeugt wird. Möglich sind dabei beispielsweise Schritte wie ein Laserabtragen, Feinfräsen, Schleifen, Senk- und Drahterodieren, Ätzen, Lithographie, LIGA, Diamantzerspanen, galvanische Verfahren etc..For example, the support structure can be made (or be) at least in a partial area by forming and / or reshaping; In particular, fabrication of the support structure may include injection molding, hot stamping, rolling, extruding, casting, laser sintering, pultrusion, and / or a generative process (e.g., 3D printing). The production may comprise at least one removal manufacturing step in which, for example, a structure complementary to the profiled surface of the elastomer layer is produced. For example, steps such as laser ablation, fine milling, grinding, sinking and wire eroding, etching, lithography, LIGA, diamond cutting, electroplating etc. are possible.
Nach einer Fertigung der Stützstruktur kann die Elastomerschicht in einem urformenden Fertigungsschritt (z.B. mittels Spritzgießen, Extrudieren, Gießen, eines generativen Verfahren (z.B. 3D-Druck) etc.) auf die Stützstruktur aufgebracht werden, oder die Elastomerschicht kann separat gefertigt werden (z.B. mindestens in einem Teilbereich urformend und/oder umformend) und adhäsiv mit der Stützstruktur verbunden, beispielsweise mit ihrer profilierten Oberfläche auf diese aufgeklebt werden.After fabrication of the support structure, the elastomer layer can be applied to the support structure in a primary manufacturing step (eg, by injection molding, extrusion, casting, generative process (eg, 3D printing), etc.) or the elastomer layer can be made separately (eg, at least forming a partial area and / or reshaping) and adhesively connected to the support structure, for example, with its profiled surface adhered to it.
Alternativ kann die Elastomerschicht mindestens in einem Teilbereich urformend und/oder umformend gefertigt und danach die Stützstruktur in einem urformenden Fertigungsschritt (z.B. mittels Spritzgießen, Extrudieren, Gießen, generative Verfahren (3D-Druck) etc.) auf die Elastomerschicht aufgebracht werden.Alternatively, the elastomer layer may be formed into at least one partial region by forming and / or shaping and then the support structure may be applied to the elastomer layer in a primary manufacturing step (for example by injection molding, extrusion, casting, generative processes (3D printing) etc.).
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist bzw. wird die Elastomerschicht mittels Schmelzschichtung hergestellt, vorzugsweise mit einer Strukturfüllung (sog. „Infill“) von höchstens 40%, höchstens 30% oder sogar höchstens 20%. Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Elastomerschicht mindestens teilweise als geschäumtes Material ausgebildet ist, wobei die glatte Oberfläche kompakt (also nicht offenporig) ausgebildet ist.According to an advantageous embodiment variant, the elastomer layer is or is produced by means of melt stratification, preferably with a structure filling (so-called "infill") of at most 40%, at most 30% or even at most 20%. Advantageous is an embodiment in which the elastomer layer is at least partially formed as a foamed material, wherein the smooth surface is compact (ie not open-pored) is formed.
Insbesondere kann die vorliegende Erfindung durch folgende Ausführungsbeispiele realisiert sein:
- a) Fügeverfahren für zwei Bauteile mittels adhäsiver Oberflächen, beruhend auf der Oberflächentopologie der beiden ansonsten gleich oder unterschiedlich ausgeprägten Bauteile, welche direkt in die Bauteile oder andere feste Körper integriert ist, mit richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften, bestehend aus einer weichen Elastomerschicht mit einer nach außen hin glatten unstrukturierten Oberfläche und einer darunter befindlichen Stützstruktur einer Hartkomponente, welche die elastische Nachgiebigkeit der Weichkomponente (d.h. der Elastomerschicht) in zumindest einer Vorzugsrichtung einschränkt und somit eine über Adhäsion zwischen den in Kontakt stehenden glatten elastomeren Außenflächen zweier derart gestalteten Oberflächen übertragbare Scherkraft erhöht; sowie Bauteile mit derart gestalteten Oberflächentopologien oder Konstruktionen, die derartige Fügeverfahren verwenden;
- b) Fertigungsverfahren für Bauteile gemäß Ausführungsform a), bei dem zumindest ein Teilbereich der Hartkomponente des Bauteils urformend und/oder umformend, insbesondere mittels Spritzguss- und/ oder Prägeverfahren, mit einer Stützstruktur gemäß Ausführungsform a) versehen wird (Spritzgießen, Heißprägen, Walzen, Extrudieren, Gießen, Lasersintern, generative Verfahren (3D-Druck), Pultrudieren, etc.);
- c) Fertigungsverfahren für Bauteile gemäß Ausführungsform a), bei dem zumindest ein Teilbereich der Hartkomponente des Bauteils nachträglich durch abtragende Verfahren, insbesondere Laserabtragen, Fräsen, Senk- und Drahterodieren oder Ätzen, oder additive Fertigungsverfahren mit einer Oberflächenstruktur gemäß Ausführungsform a) versehen wird (Laserabtragen, Feinfräsen, Schleifen, Senk- und Drahterodieren, Ätzen, Lithographie, LIGA, Diamantzerspanen, galvanische Verfahren etc.);
- d) Fertigungsverfahren für Bauteile gemäß Ausführungsform a), bei dem zumindest ein Teilbereich der Weichkomponente des Bauteils urformend, insbesondere mittels Spritzguss- und/ oder Gießverfahren, in einem nachgelagerten Fertigungsschritt auf die Hartkomponente aufgebracht wird (Spritzgießen, Extrudieren, Gießen, generative Verfahren (3D-Druck) etc.);
- e) Fertigungsverfahren für Bauteile gemäß Ausführungsform a), bei dem Hart- und Weichkomponente in einem Fertigungsschritt in einem 2-Komponentenverfahren urformend erzeugt werden (2K-Spritzgießen, 2K-Extrudieren, generative Verfahren (3D-Druck) etc.);
- f) Fertigungsverfahren für Bauteile gemäß Ausführungsform a), bei dem separat gefertigte Hart- und Weichkomponente in einem nachgelagerten Fertigungsschritt adhäsiv, beispielsweise mittels Kleben, miteinander verbunden werden;
- g) Fertigungsverfahren für Bauteile gemäß Ausführungsform a), bei dem zumindest ein Teilbereich der Hartkomponente des Bauteils urformend, insbesondere mittels Spritzguss- und/ oder Gießverfahren, in einem nachgelagerten Fertigungsschritt auf die Weichkomponente aufgebracht wird (Spritzgießen, Extrudieren, Gießen, generative Verfahren (3D-Druck) etc.);
- h) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem die verwendeten Oberflächen der Hartkomponente hin zur Weichkomponente eine parallel verlaufende, gleichmäßig angeordnete Wellen- und/oder Hohlwellenstruktur aufweisen;
- i) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem die verwendeten Oberflächen der Hartkomponente hin zur Weichkomponente eine parallel verlaufende, gleichmäßig angeordnete rillenförmige Struktur aufweisen;
- j) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem die verwendeten Oberflächen der Hartkomponente hin zur Weichkomponente ein Profil mit einer Vielzahl von makroskopischen Erhebungen im Größenbereich von > 1 mm aufweisen;
- k) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem die verwendeten Oberflächen der Hartkomponente hin zur Weichkomponente eine mit einer Vielzahl von Haken versehene Struktur aufweisen;
- l) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem die die Verstärkung durch parallel verlaufende, gleichmäßig angeordnete und in Längsrichtung extrudierte Bögen und/oder Halbbögen realisiert ist, welche direkt in die biegeflexible Elastomermatrix eingebettet sind;
- m) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem zumindest eines der miteinander zu verbindenden Bauteile eine Hartkomponente aus einem steifen lastaufnehmenden Strukturwerkstoff, insbesondere einem Polymer oder mit Füllstoffen modifiziertem Polymer, Metall oder Keramik, aufweist;
- n) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem zumindest eines der miteinander zu verbindenden Bauteile eine Weichkomponente aus einem Elastomer oder thermoplastischem Elastomer aufweist, beispielsweise Silikon oder Polyurethan, insbesondere mit einer Shorehärte von unter Shore A80;
- o) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem zumindest eines der miteinander zu verbindenden Bauteile eine Weichkomponente aus einem geschäumten Elastomer oder thermoplastischen Elastomer mit einer kompakten Oberfläche aufweist;
- p) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem zumindest eines der miteinander zu verbindenden Bauteile eine Weichkomponente aus einer mittels Fused Deposition Modeling hergestelltem Elastomerschicht mit reduziertem Infill, zwecks Einstellung der makroskopischen mechanischen Eigenschaften, aufweist;
- q) Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem die Bauteile über die entsprechend hinsichtlich ihrer adhäsiven Eigenschaften modifizierten Oberflächen in mehreren Orientierungen, zumindest aber einer Orientierung, miteinander montiert werden können;
- r) Mit einem Fügeverfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen zu fügende Bauteile, welche über die entsprechende Stützstrukturen der Hartkomponente über die adhäsiven Eigenschaften der Weichkomponenten in mehreren Orientierungen und Positionierungen, bei Vorhandensein einer größeren strukturierten Fläche an einem der Fügepartner zur Erhöhung der Flexibilität in der Montage, zumindest aber einer Orientierung und Position, miteinander montiert werden können;
- s) Mit entsprechend modifizierten Bauteilen nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen umgesetzte Fügeverfahren, welche ohne den Einsatz zusätzlicher Hilfsstoffe wie Klebstoffen oder dem Einsatz zusätzlicher Bauelemente wie Nieten und Schrauben, über zumindest eine Bauteiloberfläche, eine belastbare Verbindung erzeugen können;
- t) Mit entsprechend modifizierten Bauteilen nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen umgesetzte Fügeverfahren, welche ergänzend durch den Einsatz zusätzlicher Hilfsstoffe wie voriger Entfettung mittels Lösungsmitteln oder unter Einsatz zusätzlicher Bauelemente wie Nieten und Schrauben eine belastbare Verbindung erzeugen können;
- u) Mit entsprechend modifizierten Bauteilen nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen umgesetzte Fügeverfahren, welche eine reversible wiederlösbare Verbindung erzeugen, insbesondere zur temporären Befestigung von Objekten zur Fixierung verwendet werden;
- v) Mit entsprechend modifizierten Bauteilen nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen umgesetzte Fügeverfahren, welche eine durch eine Scherung orthogonal zur Vorzugsrichtung oder eine Rotationsbewegung gelöst werden können;
- w) Mit entsprechend strukturierten Bauteilen nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen umgesetzte Fügeverfahren, welche insbesondere zur Fixierung für die spätere zusätzliche Verbindung von Bauteilen mit gängigen Verbindungstechniken verwendet werden.
- a) Joining method for two components by means of adhesive surfaces, based on the surface topology of the two otherwise identical or differently shaped components, which is integrated directly into the components or other solid body, with directional mechanical properties, consisting of a soft elastomer layer with an outward smooth unstructured surface and underlying support structure of a hard component which restricts the elastic compliance of the soft component (ie, the elastomeric layer) in at least one preferred direction, thus increasing a shear force transferable via adhesion between the contacting smooth elastomeric outer surfaces of two such shaped surfaces; and components having such surface topologies or constructions using such joining methods;
- b) manufacturing method for components according to embodiment a), wherein at least a portion of the hard component of the component forming and / or reshaping, in particular by injection molding and / or embossing method, with a support structure according to embodiment a) is provided (injection molding, hot stamping, rolling, Extrusion, casting, laser sintering, generative processes (3D printing), pultrusion, etc.);
- c) manufacturing method for components according to embodiment a), wherein at least a portion of the hard component of the component is subsequently provided by removing processes, in particular laser ablation, milling, sinking and wire EDM or etching, or additive manufacturing process with a surface structure according to embodiment a) (laser ablation , Fine milling, grinding, sinking and wire eroding, etching, lithography, LIGA, diamond cutting, electroplating, etc.);
- d) manufacturing method for components according to embodiment a), wherein at least a portion of the soft component of the component urformend, in particular by means of injection molding and / or casting method, is applied in a subsequent manufacturing step on the hard component (injection molding, extrusion, casting, generative method (3D Printing) etc.);
- e) manufacturing method for components according to embodiment a), in which hard and soft component in a manufacturing step in a 2-component process are produced primitive (2K injection molding, 2K extruding, generative process (3D printing), etc.);
- f) manufacturing method for components according to embodiment a), in which separately manufactured hard and soft component in a subsequent manufacturing step adhesively, for example by gluing, are connected together;
- g) manufacturing method for components according to embodiment a), wherein at least a portion of the hard component of the component urformend, in particular by means of injection molding and / or casting method is applied in a downstream manufacturing step on the soft component (injection molding, extrusion, casting, generative method (3D Printing) etc.);
- h) joining method according to one of the preceding embodiments, in which the used surfaces of the hard component towards the soft component have a parallel, uniformly arranged wave and / or hollow shaft structure;
- i) joining method according to one of the preceding embodiments, in which the used surfaces of the hard component towards the soft component have a parallel, evenly arranged grooved structure;
- j) Joining method according to one of the preceding embodiments, in which the used surfaces of the hard component towards the soft component have a profile with a plurality of macroscopic protrusions in the size range of> 1 mm;
- k) Joining method according to one of the preceding embodiments, wherein the used surfaces of the hard component toward the soft component have a structure provided with a plurality of hooks;
- l) joining method according to one of the preceding embodiments, wherein the reinforcement is realized by parallel, uniformly arranged and longitudinally extruded sheets and / or semi-arcs which are embedded directly in the flexible elastomer matrix;
- m) joining method according to one of the preceding embodiments, in which at least one of the components to be joined together comprises a hard component made of a rigid load-bearing structural material, in particular a polymer or filler-modified polymer, metal or ceramic;
- n) joining method according to one of the preceding embodiments, in which at least one of the components to be joined comprises a soft component made of an elastomer or thermoplastic elastomer, for example silicone or polyurethane, in particular having a Shore hardness of less than Shore A80;
- o) joining method according to one of the preceding embodiments, wherein at least one of the components to be joined together comprises a soft component of a foamed elastomer or thermoplastic elastomer having a compact surface;
- p) Joining method according to one of the preceding embodiments, in which at least one of the components to be joined together comprises a soft component of reduced infill elastomeric layer produced by fused deposition modeling for the purpose of adjusting the macroscopic mechanical properties;
- q) joining method according to one of the preceding embodiments, in which the components can be mounted together in a plurality of orientations, but at least one orientation, by means of the surfaces modified in accordance with their adhesive properties;
- r) components to be joined by a joining method according to one of the preceding embodiments, which have the corresponding support structures of the hard component on the adhesive properties of the soft components in multiple orientations and positions, in the presence of a larger structured surface on one of the joining partners to increase the flexibility in assembly , but at least one orientation and position, can be mounted together;
- s) with correspondingly modified components according to one of the preceding embodiments implemented joining processes, which without the use of additional auxiliaries such as adhesives or the use of additional components such as rivets and screws, over at least one component surface, can produce a resilient connection;
- t) With correspondingly modified components according to one of the preceding embodiments implemented joining processes, which can additionally produce a reliable connection by the use of additional auxiliaries such as previous degreasing by means of solvents or by using additional components such as rivets and screws;
- u) with correspondingly modified components according to one of the preceding embodiments implemented joining methods which produce a reversible detachable connection, in particular for the temporary attachment of objects used for fixing;
- v) with correspondingly modified components according to one of the preceding embodiments, implemented joining methods, which by a a shear orthogonal to the preferred direction or a rotational movement can be solved;
- w) With correspondingly structured components according to one of the preceding embodiments implemented joining methods, which are used in particular for fixing for the subsequent additional connection of components with common joining techniques.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit insbesondere eine reversible Fügetechnik mittels adhäsiver Oberflächen sowie die entsprechenden Bauteile, deren Fertigung und deren Verwendung in Montageprozessen. The present invention thus relates in particular to a reversible joining technique by means of adhesive surfaces and the corresponding components, their manufacture and their use in assembly processes.
Für die Fügung zweiter erfindungsgemäßer Bauteile aneinander wird die adhäsive Haftneigung zweier glatter Elastomer-Oberflächen miteinander genutzt. So kann eine Oberflächenverbindung erzeugt werden, die insbesondere gegenüber Scherbelastungen in einer Vorzugsrichtung (d.h. einer vorgesehenen Belastungsrichtung) belastbar ist. For the joining of second components according to the invention to one another, the adhesive adhesive tendency of two smooth elastomer surfaces is used together. Thus, a surface bond can be generated that is particularly resilient to shear loads in a preferred direction (i.e., an intended loading direction).
Um ein starkes Verformen der weichen Elastomeroberfläche und somit eine ungünstige Spannungsverteilung zu verhindern, weist die Elastomerschicht eines erfindungsgemäßen Bauteils an einer der glatten Oberfläche entgegengesetzten Oberfläche ein Profil auf, in das eine Stützstruktur eingreift. Diese erzeugt eine gleichmäßige Spannungsverteilung und eine hohe Verbindungsfestigkeit und -steifigkeit in Vorzugsrichtung mit einer signifikanten Steigerung gegenüber unverstärkten Elastomerschichten vergleichbarer Stärken. Durch eine vorteilhafte asymmetrische Ausprägung der Stützstrukturen (also der (vorzugsweise zum Profil der Elastomerschicht komplementären) Struktur in der Stützstruktur), wird eine erleichterte Lösbarkeit durch Rotation oder Scherung in zur Vorzugsrichtung (die vorzugsweise eine vorgesehene Belastungsrichtung ist) orthogonaler Orientierung erzielt. In order to prevent a strong deformation of the soft elastomer surface and thus an unfavorable stress distribution, the elastomer layer of a component according to the invention on a surface opposite the smooth surface has a profile into which a support structure engages. This produces a uniform stress distribution and a high bond strength and stiffness in the preferred direction with a significant increase over unreinforced elastomer layers of comparable thicknesses. By an advantageous asymmetric expression of the support structures (ie the (preferably complementary to the profile of the elastomer layer) structure in the support structure), a facilitated solvability by rotation or shear in the preferred direction (which is preferably a proposed load direction) orthogonal orientation is achieved.
Entsprechend ausgebildete Bauteile können biegesteif oder -flexibel ausgeführt werden, um anwendungsspezifischen Anforderungen angepasst zu werden. Da die Oberfläche glatt ohne Mikrostrukturierung ausgeführt wird, ist der Einsatz in hygienesensiblen Anwendungen wie beispielsweise der Medizintechnik möglich. Abhängig von den spezifischen Eigenschaften der gewählten Werkstoffe und Geometrien ist ebenfalls eine Haftwirkung auf glatten Fremdoberflächen zu erzielen.Correspondingly designed components can be made flexurally rigid or flexible in order to be adapted to application-specific requirements. Since the surface is smoothly executed without microstructuring, the use in hygiene-sensitive applications such as medical technology is possible. Depending on the specific properties of the selected materials and geometries, an adhesion effect on smooth foreign surfaces can also be achieved.
Im Folgenden werden schematisch und vereinfacht dargestellte, bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können als dargestellt.In the following, schematically and simplified illustrated, preferred embodiments of the invention are explained in more detail with reference to drawings. It is understood that individual elements and components can be combined differently than shown.
Es zeigen schematisch:They show schematically:
Eine Tiefe t des Profils der profilierten Oberfläche
Die Wellenfronten der komplementären Struktur
In
Derart in vorgesehener Weise aneinandergefügt sind die den Passflächen (bzw. glatten Oberflächen) entgegengesetzten jeweiligen Profile der Elastomerschichten
Eine Scherung in zur vorgesehenen Belastungsrichtung orthogonaler Richtung y oder auch eine Rotation der beiden Bauteile
Die
Die in der
Bei der in der
Offenbart ist ein Bauteil
Offenbart sind ferner ein Bausatz mit mindestens zwei reversibel adhäsiv aneinander anzuhaftenden Bauteilen und ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 5010, 50
- Bausatz; kit;
- 100, 200, 500, 600100, 200, 500, 600
- Bauteil; component;
- 110, 210, 510, 610110, 210, 510, 610
- Elastomerschicht; Elastomer layer;
- 111111
- glatte Oberfläche der Elastomerschicht; smooth surface of the elastomer layer;
- 112112
- profilierte Oberfläche der Elastomerschicht; profiled surface of the elastomer layer;
- 120, 220, 320, 420, 520, 620 120, 220, 320, 420, 520, 620
- Stützstruktur;Support structure;
- 121121
- zur profilierten Oberfläche der Elastomerschicht komplementäres Profil to the profiled surface of the elastomer layer complementary profile
- 530, 630530, 630
- Hohlraum cavity
- s s
-
Abstand der Stützstruktur
120 von der glatten Oberfläche111 der Elastomerschicht;Distance of thesupport structure 120 from the smooth surface111 the elastomeric layer; - tt
- Tiefe des Profils der profilierten Oberfläche der Elastomerschicht; Depth of the profile of the profiled surface of the elastomer layer;
- xx
- vorgesehene Belastungsrichtung intended load direction
- yy
- zur vorgesehenen Belastungsrichtung orthogonale Richtung to the intended loading direction orthogonal direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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