DE102017131345A1

DE102017131345A1 - Doppelseitige reversible Haftstruktur

Info

Publication number: DE102017131345A1
Application number: DE102017131345.1A
Authority: DE
Inventors: Eduard Arzt; René Hensel; Karsten Moh
Original assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien GmbH
Current assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien GmbH
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-06-27
Also published as: JP7372918B2; CN111511862A; KR20200103725A; WO2019129508A1; US20210071045A1; EP3732260A1; JP2021508611A; CN111511862B; US11655396B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Objekt mit mindestens zwei Flächen, welche zur Trockenadhäsion geeignet sind und sich in ihren Haftparametern unterscheiden. Durch geeignete Strukturierung ist es möglich, ggf. in Kombination mit einem geeigneten Anpressdruck, die Ablösung von an diese Flächen kontaktierten Oberflächen selektiv zu steuern.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Objekt mit mindestens zwei Oberflächen, welche jeweils mindestens eine zur Trockenadhäsion befähigte Fläche aufweisen, sowie Verfahren zur schaltbaren Adhäsion mit solchen Objekten.
Stand der Technik
Die molekulare Haftung zwischen zwei Objekten kann durch faserartige Oberflächenstrukturen verstärkt bzw. gesteuert werden. Dieses Prinzip ist als Gecko-Effekt bekannt. Wird eine strukturierte Elastomer-Oberfläche mit einer bestimmten Andruckkraft gegen eine vergleichsweise flache Oberfläche gedrückt, können sich van der Waals Wechselwirkungen ausbilden. Auch die reversible Haftung, d.h. die Möglichkeit, Anhaftung und Ablösung gezielt zu schalten, ist aus der Natur bekannt. Während jedoch der Gecko die Ablösung durch ein „Peelen“ seiner Haftfasern realisiert, ist dies für technische Strukturen häufig nicht möglich und meist nur dann sinnvoll, wenn Scherhaftung, d.h. Haftung in Richtung der Substrat-/Objektoberfläche genutzt werden soll. Bei sogenannter Normalhaftung, also einer Haftkraft senkrecht zur Objektoberfläche muss das Ablösen anders initiiert werden.
Die Stärke der Haftung und auch die Art der Ablösung kann dabei durch die Struktur der trockenadhäsiven Struktur auf der Oberfläche gesteuert werden. Dies erlaubt im Gegensatz zu normalen Klebeverbindungen eine gezielte Steuerung der Adhäsionskräfte.
Gerade für Anwendungen, bei denen Objekte auf bestimmten Oberflächen reversibel befestigt werden müssen, können solche Strukturen Vorteile bringen.
Bei der Verwendung von säulenförmigen Haftstrukturen, d.h. Strukturen, welche aus einer Vielzahl von säulenförmigen Vorsprüngen bestehen, deren Stirnflächen die Kontaktfläche zur Anhaftung an eine Oberfläche bilden, wird eine Ablösung in der Regel dadurch ausgelöst, dass durch äußere Einflüsse die Kontaktfläche zur Oberfläche verringert wird.
Es ist bekannt, dass die Verringerung der Kontaktfläche durch Knicken von Vorsprüngen unter Druckbelastung herbeigeführt werden kann. Bei ausreichender Druckbelastung führt eine elastische Instabilität zum Abknicken der Vorsprünge. Dies wird auch als Euler-Knickung bezeichnet. Die kritische Kraft beträgt: $F = {(n π / L)}^{2} E I$
Dabei ist E der Elastizitätsmodul, I das Flächenträgheitsmodell, L ist die Länge (Höhe) des Vorsprungs und n ist ein Vorfaktor in Abhängigkeit von der mechanischen Einspannung des Vorsprungs. Das Flächenträgheitsmoment bei einer zylindrischen Struktur beträgt I=πd⁴/64. Daraus ergibt sich folgender Zusammenhang: Vorsprünge mit großer Höhe, geringem Durchmesser oder geringem Elastizitätsmodul knicken bei geringeren Kräften als Vorsprünge mit kurzer Länge, großem Durchmesser oder hohem Elastizitätsmodul.
Gerade bei der Handhabung von kleinen Objekten, kommen herkömmliche Haltevorrichtungen an ihre Grenzen.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Struktur zur Verfügung zu stellen, welche die selektive Handhabung von Objekten erlaubt, insbesondere das gezielte Ablösen.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindungen umfassen auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
Die Aufgabe wird durch ein Objekt gelöst, welches mindestens auf zwei Oberflächen jeweils eine zur Trockenadhäsion befähigte Fläche aufweist, wobei sich die beiden Flächen in mindestens einem Haftparameter unterscheiden.
Bevorzugt sind Flächen, deren Haftung auf Normalhaftung basiert. Dies sind insbesondere Flächen mit Strukturen, welche auf senkrechten Vorsprüngen basieren.
Bevorzugt weist mindestens eine der Flächen eine Struktur umfassend senkrechte Vorsprünge auf. Besonders bevorzugt weisen beide Flächen Strukturen umfassend senkrechte Vorsprünge auf.
Die Flächen zur Trockenadhäsion sind bevorzugt auf verschiedenen Seiten des Objekts angeordnet. Bevorzugt ist eine Anordnung, so dass entsprechend der Verwendung jeder der Flächen einzeln kontaktiert werden kann. Insbesondere sind mindestens zwei der Flächen auf unterschiedlichen Seitenflächen des Objekts angeordnet. Die beiden Flächen können dabei parallel gegenüberliegen oder einen Winkel aufweisen. Im Falle eines Winkels handelt es sich bevorzugt um einen spitzen Winkel unter 60° insbesondere unter 30 °.Bevorzugt sind zueinander parallele Seitenflächen. Die Flächen können auch konkav oder konvex gewölbt sein. Dies kann entsprechend der Anwendung variiert werden.
Unter Haftparameter wird nicht nur die von der Struktur hervorgerufenen Haftkraft verstanden, sondern auch die zur Ablösung der Struktur aufzuwendende Kraft. So können Strukturen zum Beispiel durch Euler-Knickung unter unterschiedlichen Bedingungen ablösbar sein. Die Euler-Knickung führt dazu, dass sich durch die Stauchung der Struktur bei hohem Anpressdruck, die Adhäsionskraft verringert und sich die Struktur bei geringerer Zugkraft von der Oberfläche löst. Eine solche Struktur hat daher abhängig vom Anpressdruck zwei unterschiedliche Haftkräfte. Wird der Anpressdruck für die Euler-Knickung nicht überschritten, ist die Haftkraft in der Regel hoch, d.h. die Oberfläche haftet fest an der Struktur. Überschreitet der Anpressdruck den Wert für die Euler-Knickung, so verringert sich die Haftkraft der Struktur deutlich und sie kann bei viel geringerer Zugkraft abgelöst werden.
Ebenso ist es möglich, eine Struktur umfassend Vorsprünge durch andere Deformation der Strukturen abzulösen. Dies kann beispielsweise durch eine Scherbelastung parallel zur Haftfläche erreicht werden. Die Vorsprünge werden abhängig von ihrer Biegesteifigkeit (E*I) verformt. Dadurch wird ebenfalls die Adhäsionskraft verringert und die Struktur abgelöst. Dabei kommt es nicht auf die Scherfestigkeit der Haftverbindung an, sondern durch die Verformung der Strukturen führt zur Verringerung der Adhäsionskraft. Strukturen, welche sich leicht verbiegen lassen, sind durch diesen Mechanismus leicht ablösbar. Die Scherbelastung kann durch eine beliebige Bewegung parallel zur Oberfläche hervorgerufen werden. Die kann eine lineare Bewegung oder ein Drehen sein. Der Vorteil der Ablösung durch Scherbelastung liegt darin, dass kein Druck senkrecht zur Haftfläche ausgeübt werden muss, wie zum Auslösen der Euler-Knickung. Allerdings sind solche Adhäsionsverbindungen anfällig für Scherkräfte. Die beiden Flächen können sich daher auch in ihren zur Ablösung benötigten Kräften, d.h. Anpressdruck zur Euler-Knickung oder Scherbelastung zur Ablösung, unterscheiden.
Bei dem erfindungsgemäßen Objekt ist die Haftkraft der beiden Flächen bevorzugt so gesteuert, dass die Haftkraft bei Normalhaftung einer Fläche höher ist, als die der anderen Flächen. Dadurch wird bei Kontaktieren der beiden Flächen des Objekts mit zwei Oberflächen bevorzugt die Fläche mit der geringeren Haftung wieder abgelöst. Die bei Ablösung vorhandene Haftkraft kann beispielsweise durch Auslösung der Euler-Knickung oder Scherbelastung herabgesetzt sein.
Bevorzugt wird die Struktur mindestens einer Fläche so gewählt, dass sie durch einen höheren Anpressdruck, durch Euler-Knickung ausgelöst werden kann. Bevorzugt ist die nach der Euler-Knickung noch vorhandene Haftkraft geringer, als die Haftkraft der anderen Struktur. Dadurch kann durch Auslösen der Euler-Knickung diese Fläche bevorzugt abgelöst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Struktur mit der höheren Haftkraft, die Struktur, welche den geringeren Anpressdruck zur Auslösung der Euler-Knickung aufweist.
Gleiches gilt für die Ablösung über Scherbelastung. Nach der Scherbelastung ist die Haftkraft diese Fläche bevorzugt geringer, als der anderen Fläche. Dadurch wird diese Fläche bevorzugt abgelöst. Dabei ist die Ablösung über Euler-Knickung bevorzugt.
Die Haftkraft kann auch durch die zur Haftung zur Verfügung stehende Oberfläche der beiden Flächen beeinflusst werden, bevorzugt durch die auf der Fläche vorhandenen Vorsprünge. Dabei skaliert die Kraft für das kollektive Knicken (Euler-Knickung) bei gleicher Lastenverteilung linear mit der Anzahl der Vorsprünge gemäß der folgenden Formel: $F = N {(n π / L)}^{2} E I$
wobei N für die Anzahl an Vorsprüngen steht. Die Struktur kann nur einen Vorsprung umfassen. Bevorzugt umfasst eine erfindungsgemäße Struktur mindestens 10 Vorsprünge, besonders bevorzugt mindestens 20, insbesondere mindestens 50 Vorsprünge.
Bevorzugt handelt es sich um Strukturen, welche eine Vielzahl von Vorsprüngen (Pillars) umfassen, die mindestens jeweils einen Stamm aufweisen und eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche umfassen. Mit dieser Stirnfläche treten die Vorsprünge in Kontakt mit der Oberfläche, an welche sie anhaften sollen.
Unter der senkrechten Höhe der Stirnfläche wird der Abstand der Stirnfläche zu der Oberfläche verstanden, auf der die Vorsprünge angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge jeder Struktur der Erfindung säulenartig ausgebildet. Dies bedeutet, dass es sich um bevorzugt senkrecht zur Oberfläche ausgebildete Vorsprünge handelt, welche einen Stamm und eine Stirnfläche aufweisen, wobei der Stamm und die Stirnfläche einen beliebigen Querschnitt aufweisen können (beispielsweise kreisförmig, oval, rechteckig, quadratisch, rautenförmig, sechseckig, fünfeckig, etc.).
Bevorzugt sind die Vorsprünge so ausgebildet, dass die senkrechte Projektion der Stirnfläche auf die Grundfläche des Vorsprungs mit der Grundfläche eine Überlappungsfläche bildet, wobei die Überlappungsfläche und die Projektion der Überlappungsfläche auf die Stirnfläche einen Körper aufspannen, welcher vollständig innerhalb des Vorsprungs liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Überlappungsfläche mindestens 50 % der Grundfläche, bevorzugt mindestens 70 % der Grundfläche, besonders bevorzugt umfasst die Überlappungsfläche die gesamte Grundfläche. Die Vorsprünge sind daher bevorzugt nicht geneigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stirnfläche parallel zur Grundfläche und zur Oberfläche ausgerichtet. Falls die Stirnflächen nicht parallel zur Oberfläche ausgerichtet sind und daher verschiedene senkrechte Höhen aufweisen, wird als senkrechte Höhe des Vorsprungs die mittlere senkrechte Höhe der Stirnfläche angesehen.
In einer Ausführungsform ist die Stirnfläche der Vorsprünge größer als die Grundfläche.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Stamm des Vorsprungs bezogen auf seinen mittleren Durchmesser ein Aspektverhältnis von Höhe zu Durchmesser von 0,2 bis 100, bevorzugt von 0,5 bis 20, besonders bevorzugt zwischen 2 und 5 auf. Bevorzugt ist das Aspektverhältnis für mindestens eine der Strukturen in Abhängigkeit der Struktur und des Materials so gewählt, dass die Ablösung durch die Euler-Knickung für einen bestimmten Anpressdruck möglich ist. Bevorzugt ist dabei auch ein Aspektverhältnis von 3 bis 20, insbesondere von 3 bis 10, ganz besonders von 5 bis 10.
Unter dem mittleren Durchmesser wird dabei der Durchmesser des Kreises verstanden, der die gleiche Fläche wie der entsprechende Querschnitt des Vorsprungs aufweist, gemittelt über die gesamte Höhe des Vorsprungs.
Die Vorsprünge können verbreiterte Stirnflächen aufweisen, sogenannte „mushroom“-Strukturen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Vorsprünge keine verbreiterten Stirnflächen auf.
Die Stirnflächen der Vorsprünge können selbst strukturiert sein, um ihre Oberfläche zu erhöhen. In diesem Fall wird als senkrechte Höhe der Vorsprünge die mittlere senkrechte Höhe der Stirnfläche angesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die senkrechte Höhe aller Vorsprünge in einem Bereich von 1 µm bis 10 mm, bevorzugt 1 µm bis 5 mm, insbesondere 1 µm bis 2 mm, bevorzugt in einem Bereich von 10 µm bis 2 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Grundfläche von der Fläche her einem Kreis mit einem Durchmesser zwischen 0,1 µm bis 5 mm, bevorzugt 0,1 µm und 2 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 1 µm und 500 µm, besonders bevorzugt zwischen 1 µm und 100 µm. In einer Ausführungsform ist die Grundfläche ein Kreis mit einem Durchmesser zwischen 0,3 µm und 2 mm, bevorzugt 1 µm und 100 µm.
Der mittlere Durchmesser der Stämme liegt bevorzugt zwischen 0,1 µm bis 5 mm, bevorzugt 0,1 µm und 2 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 1 µm und 100 µm. Bevorzugt ist die Höhe und der mittlere Durchmesser entsprechend dem bevorzugten Aspektverhältnis angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist bei verbreiterten Stirnflächen die Oberfläche der Stirnfläche eines Vorsprungs mindestens 1,01 mal, bevorzugt mindestens 1,5 mal so groß wie die Fläche der Grundfläche eines Vorsprungs. Sie kann beispielsweise um den Faktor 1,01 bis 20 größer sein oder beispielsweise 1,05 bis 2 mal größer sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Stirnfläche zwischen 5% und 100% größer als die Grundfläche, besonders bevorzugt zwischen 10% und 50% der Grundfläche.
Die Verbreiterung der Stirnfläche eines Vorsprungs bedeutet, dass ein solcher Vorsprung im Bereich der Stirnfläche verbreitert ist. Diese Verbreiterung, welche auch mit einer Verbreiterung des Durchmessers in dem betroffenen Bereich verbunden ist, betrifft bevorzugt nur den Abschnitt unmittelbar vor der Stirnfläche und der Stirnfläche selbst. Es ließe sich so beschreiben, als ob auf einem Vorsprung mit einem bestimmten Durchmesser am Ende ein flächiger Körper mit geringer Dicke gelegt wurde, wie beispielsweise eine Scheibe auf einen Zylinder. Die Verbreiterung kann dabei auch eine konische Mantelform aufweisen, so dass die Verbreiterung zur Stirnfläche hin zunimmt. Die Verbreiterung betrifft dabei im Verhältnis zur gesamten senkrechten Höhe eines Vorsprungs maximal 20 % der senkrechten Höhe, bevorzugt maximal 10 % der senkrechten Höhe, insbesondere maximal 2 % der senkrechten Höhe. Als für die Euler-Knickung relevante Durchmesser wird dann der Durchmesser ohne die Verbreiterung verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen zwei Vorsprüngen weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm.
Die Vorsprünge sind bevorzugt regelmäßig periodisch angeordnet.
Der Elastizitätsmodul der Vorsprünge beträgt bevorzugt 50 kPa bis 3 GPa. Bevorzugt liegt der Elastizitätsmodul bei 50 kPa bis 5 GPa, insbesondere bei 100 kPa bis 1 GPa, besonders bevorzugt bei 500 kPa bis 100 MPa. Ob ein besonders hoher oder niedriger Elastizitätsmodul vorteilhaft ist, kann auch davon abhängen, ob die entsprechende Struktur zur Euler-Knickung geeignet sein soll.
Bevorzugt unterscheiden sich die Strukturen auf den gegenüberliegenden Flächen mindestens in dem zum Auslösen der Euler-Knickung nötigen Anpressdruck.
Bevorzugt unterscheiden sich die Strukturen auf den gegenüberliegenden Flächen in mindestens einer der folgenden Eigenschaften ausgewählt aus Struktur, insbesondere Anzahl der Vorsprünge, Durchmesser und/oder Höhe, und Elastizitätsmodul. Dies führt auch zur Veränderung des zur Euler-Knickung nötigen Anpressdrucks. Der Unterschied kann entsprechend der Anwendung angepasst werden.
Bei gleichem Durchmesser und Höhe ist es beispielsweise bevorzugt, wenn das Verhältnis der Elastizitätsmodule größer als 2 bevorzugt größer als 5 ist, damit sich die zur Knickung notwendigen Kräfte ausreichend unterscheiden.
Bevorzugt unterscheidet sich der Auslösung der Euler-Knickung erforderliche Anpressdruck um mindestens den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 5.
Die Materialien der Vorsprünge können entsprechend den Anforderungen vom Fachmann frei gewählt werden. Die Vorsprünge können beispielsweise folgende Materialien umfassen:
epoxy- und/oder silikonbasierte Elastomere, thermoplastische Elastomere (TPE), Polyurethane, Epoxidharze, Acrylatsysteme, Methacrylatsysteme, Polyacrylate als Homo- und Copolymere, Polymethacrylate als Homo- und Copolymere (PMMA, AMMA Acrylnitril/Methylmethacrylat), Polyurethan(meth)acrylate, Silikone, Silikonharze, Kautschuk, wie R-Kautschuk (NR Naturkautschuk, IR Poly-Isopren-Kautschuk, BR Butadienkautschuk, SBR StyrolButadien-Kautschuk, CR Chloropropen-Kautschuk, NBR NitrilKautschuk) M-Kautschuk(EPM Ethen-Propen-Kautschuk, EPDM Ethylen-Propylen-Kautschuk), Ungesättigte Polyesterharze, Formaldehydharze, Vinylesterharze, Polyethylene als Homo- oder Copolymere, sowie Mischung und Copolymere der vorgenannten Materialien. Bevorzugt sind auch Elastomere, welche zur Verwendung im Bereich Verpackung, Pharma und Lebensmittel von der EU (gemäß EU-VO Nr. 10/2011 vom 14.01.2011, veröffentlicht am 15.01.2011) oder FDA zugelassen sind oder silikonfreie UV-härtbare Harze aus der PVD und CVD-Verfahrenstechnik. Dabei steht Polyurethan(meth)acrylate für Polyurethanmethacrylate, Polyurethanacrylate, sowie Mischungen und/oder Copolymere davon.
Bevorzugt sind thermoplastische Elastomere (TPE), welche auf unterschiedlichen Polymeren basieren können, beispielsweise thermoplastische Copolyamide (TPA), thermoplastische Polyesterelastomere / Thermoplastische Copolyester (TPE), thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis (TPO), vorwiegend PP/EPDM (PP: Polypropylen), Styrol-Blockcopolymere (TPS) wie SBS, SEBS, SEPS, SEEPS und MBS) oder thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis (TPU), z. B. Elastollan, Desmopan, Texin oder Utechllan, und thermoplastische Vulkanisate (TPV).
Bevorzugt sind epoxy- und/oder silikonbasierte Elastomere, Polyurethan(meth)acrylate, Polyurethane, Silikone, Silikonharze (wie UV-härtbares PDMS), thermoplastische Urethane (TPU), Polyurethan(meth)acrylate oder Kautschuk (wie EPM, EPDM).
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Strukturen noch eine Rückschicht auf, auf welcher die Vorsprünge angeordnet sind. Diese ist bevorzugt aus dem gleichen Material, wie die Vorsprünge.
Das Objekt selbst kann aus beliebigen Materialien gefertigt sein. Auf seiner Oberfläche sind mindestens die beiden Strukturen angeordnet.
Die beiden gegenüberliegenden Strukturen sind bevorzugt auf zwei zueinander parallelen Seitenflächen des Objekts angeordnet. Bevorzugt bedecken die beiden Strukturen jeweils über 50 %, bevorzugt über 70 % der jeweiligen Seitenfläche des Objekts.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand der beiden Seitenflächen kleiner als der kleinste Durchmesser der beiden von den Strukturen bedeckten Oberflächen, besonders beträgt das Verhältnis von kleinstem Durchmesser und Abstand mindestens 2:1.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Objekt ein Haftpad, welches auf beiden Seiten jeweils eine der vorgenannten Strukturen aufweist.
Bevorzugt sind beide Strukturen jeweils auf der Vorder- und Rückseite eines flächigen Körpers angeordnet, bevorzugt mit einer Dicke von mindestens 0,1 mm, bevorzugt mindestens 0,2 mm, insbesondere mindestens 0,5 mm. Abhängig von der gewünschten Anwendung kann die maximale Dicke bis zu 2 cm, bevorzugt bis zu 1 cm, insbesondere bis zu 6 mm betragen.
Bevorzugt entkoppelt der Körper die beiden auf ihn angeordneten Strukturen, so dass sich eine Eulerknickung der einen Struktur nicht auf die andere Struktur auswirkt. Dies kann beispielsweise durch die Dicke des Körpers und/oder durch seinen Elastizitätsmodul erreicht werden. Beispielsweise können beide Strukturen auf beiden Seiten einer Platte aus einem Material mit einem um Faktor >100 höheren Elastizitätsmodul angeordnet sein, beispielsweise eine Platte aus Kunststoff oder Metall.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur selektiven Adhäsion für ein erfindungsgemäßes Objekt.
Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
In einem ersten Schritt wird die erste Fläche mit einer ersten Oberfläche und die zweite Fläche mit einer zweiten Oberfläche kontaktiert. Es muss nicht die gesamte Fläche kontaktiert werden. Es wird ein so großer Bereich kontaktiert, wie zur Adhäsion benötigt wird. Es können daher auch nur Teile der Flächen kontaktiert werden.
Gegebenenfalls kann das Kontaktieren ein Anpressen umfassen, um die Adhäsion zu verbessern. Allerdings ohne Auslösen der Euler-Knickung.
Die beiden kontaktierten Oberflächen müssen nicht gleich groß sein. Es können auch mehrere Oberflächen gleichzeitigt an einer Fläche kontaktiert werden, wenn beispielsweise mehrere Objekte durch Adhäsion an der Fläche gleichzeitig anhaften sollen.
Durch die Kontaktierung bildet sich eine Haftkraft zwischen den Flächen und den jeweils kontaktieren Oberflächen aus.
Bevorzugt findet das Kontaktieren in senkrechter Richtung zur Fläche und Oberfläche statt.
Bevorzugt ist die Hauptkomponente der Haftkraft zwischen einer Fläche und Oberfläche senkrecht zur Fläche und Oberfläche (Normalhaftung).
Zum Ablösen wird mindestens eine der kontaktierten Oberflächen vom Objekt wegbewegt, bis eine der beiden Oberflächen sich vom Objekt ablöst. Bevorzugt geschieht das Wegbewegen senkrecht zu den kontaktierten Flächen. Die Bewegung kann auch durch die Bewegung nur einer der Oberflächen herbeigeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Wegbewegen der Oberflächen zusätzlich durch einen für eine der Strukturen ausreichenden Anpressdruck für diese Struktur die Euler-Knickung herbeigeführt. Dadurch wird die Haftkraft dieser Fläche stark reduziert, was zum bevorzugten Ablösen der an dieser Fläche kontaktierten Oberfläche führt.
Durch geeignete Auswahl der beiden Flächen, bzw. ihrer Strukturen, ist es daher möglich über den vor der Ablösung ausgeübten Anpressdruck zu steuern, welche der beiden Oberflächen abgelöst werden soll.
Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Handhabung von kleinen Gegenständen stark zu vereinfachen. So könnte das erfindungsgemäße Objekt beispielsweise als Haftpad ausgestaltet sein. Ein Stempel oder Greifer kontaktiert die erste Oberfläche und das erfindungsgemäße Objekt haftet so an dem Stempel oder Greifer, welcher nun mit der anderen Fläche des Objekts Gegenstände kontaktieren kann. Wenn die Haftkraft zu den Gegenständen größer ist, als die Haftkraft zum Stempel oder Greifer, können Gegenstände einfach aufgenommen und abgelegt werden. Zum Ablösen des erfindungsgemäßen Objekts vom Stempel oder Greifer kann dann ein höherer Anpressdruck ausgeübt werden, so dass es auf der Kontaktfläche zum Stempel oder Greifer zur Euler-Knickung kommt.
In einer anderen Ausführungsform kann die Euler-Knickung zur Haltung von Gegenständen genutzt werden. So könnte das erfindungsgemäße Objekt an einem oder mehreren Gegenständen haften, welche von unterschiedlichen Stempeln oder Greifern aufgenommen werden. Die trockenadhäsive Bindung zu den Gegenständen ist dann stärker als die Bindung zum Stempel oder Greifer. Erst mit erhöhten Anpressdruck und dadurch herbeigeführter Euler-Knickung werden die Gegenstände vom erfindungsgemäßen Objekt abgelöst.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:

1 Schematische Darstellung für ein Objekt mit gegenüberliegenden Strukturen, welche sich in der Höhe (Länge) der Vorsprünge (Beispiel 1), dem Durchmesser (Beispiel 2) oder dem Elastizitätsmodul (Beispiel 3) unterscheiden. Unten ist die Seitenansicht eines Objekts mit zwei Strukturen gemäß Beispiel 2 mit D₁=0,8 mm und D₂=0,4 mm sowie L₁=L₂=1, 6 mm und E₁=E₂=2 MPa dargestellt;
2 Darstellung der gemessenen Kraft bei Belastung und Entlastung (Weg) der in 1 gezeigten Struktur;
3 Schematische Darstellung zur Herstellung der doppelseitigen reversiblen Haftstrukturen;
4 Darstellung der Messanordnung zur Bestimmung der Adhäsionskraft als Funktion der Eindringtiefe;
5 Gesteuerte Ablösung des erfindungsgemäßen Objekts;
6 Haftkraft als Funktion einer Struktur gemäß Beispiel 1 von 1; und
7 Haftkraft als Funktion einer Struktur gemäß Beispiel 2 von 1.

1 zeigt im oberen Bereich verschiedene Beispiele von Objekten mit zwei gegenüberliegenden Strukturen, welche säulenartige Vorsprünge aufweisen, die wiederum leicht verbreiterte Stirnflächen aufweisen (mushrooms). In Beispiel 1 unterscheiden sich die Strukturen in der Höhe ihrer Vorsprünge (L₁ ungleich L₂ ). In Beispiel 2 ist der Durchmesser der Vorsprünge unterschiedlich (D₁ ungleich D₂ ). In Beispiel 3 ist der Elastizitätsmodul der Strukturen unterschiedlich (E₁ ungleich E₂ ). Diese Unterschiede führen dazu, dass neben unterschiedlicher Haftkraft, insbesondere die Euler-Knickung bei den Strukturen bei unterschiedlichen Kräften erfolgt.
2 zeigt das Verhalten des in 1 (unten) abgebildeten Objekts bei unterschiedlicher Belastung. Dazu werden beide Strukturen des Objekts mit einer Oberfläche kontaktiert. Wenn nun ein äußerer Druck auf das Objekt senkrecht zur den Kontaktflächen ausgeübt wird (Anpressdruck), werden beide Strukturen zusammengepresst (Weg ist negativ). Wird der Druck nun wieder reduziert, d.h. die kontaktierten Oberflächen oder eine der kontaktierten Oberflächen bewegen sich von dem Objekt weg, kann eine Adhäsionskraft gemessen werden („Zug“ in der 2), bis es zum Ablösen des Objekts kommt. Welche der Strukturen sich ablöst, hängt von ihrer Adhäsionskraft ab. Dieses Verhalten ist in 2 durch die durchgezogene Linie dargestellt.
Überschreitet nun der Druck beim Anpressen die Grenze zur Euler-Knickung kommt es zu einem elastischen Knicken und damit zur Verringerung der Kontaktfläche der knickenden Struktur mit der an diese Struktur kontaktierte Oberfläche. Es kommt zu einem Abfall der gemessenen Kraft beim Ablösen der Oberflächen.
Nun ist die aufzuwendende Kraft deutlich geringer und die Oberfläche kann mit deutlich geringerer Kraft abgelöst werden. Dabei löst sich die Struktur, für welche die Euler-Knickung ausgelöst wurde.
3 zeigt eine Möglichkeit zur Herstellung doppelseitiger Haftstrukturen. Es wird ein unvernetztes, flüssiges Polymer (Prä-polymer) in eine mehrteilige Gießform gegossen. Die Gießform beinhaltet Einsätze, die als Templat (Negativform) für die Haftstrukturen dienen. Nach der Vernetzung wird die doppelseitige Haftstruktur entformt.
4 zeigt die Messanordnung zur Bestimmung der Adhäsionskräfte in Abhängigkeit der Eindringtiefe. Die Adhäsion wird beidseitig gegen Glassubstrate gemessen. Ein Glassubstrat (unten) ist auf einem Kipptisch zum Ausrichten der Haft- zu den Substratoberflächen gelagert. Bei der Messung wird das obere Substrat in Kontakt gebracht und mit einer definierten Eindringtiefe angepresst. Dabei wird die Anpresskraft (Druckkraft) aufgezeichnet. Nach dem Anpressen werden die Substrate auseinandergezogen und die Haftkraft (Zugkraft) bestimmt.
5 zeigt, wie sich dieses Prinzip mit dem Objekt auf 1 ausnutzen lässt. Es wird eine Struktur gemäß Beispiel 1 von 1 verwendet, d.h. die Vorsprünge auf den beiden Seiten unterscheiden sich durch ihre Höhe. Bei Kontaktieren beider Strukturen kann durch den Anpressdruck (auch als Eindringtiefe bezeichnet) gesteuert werden, für welche der beiden Strukturen die Ablösung stattfindet (bei gleichen kontaktierten Oberflächen). Bei einem Anpressdruck, welcher nicht zu einer Euler-Knickung führt (5 linke Spalte), wird bei dem Auseinanderbewegen die Struktur abgelöst, welche eine geringere Haftkraft aufweist. In der unteren Abbildung ist zu erkennen, dass sich die obere Struktur des Objekts gelöst hat. Dies ist auch die Seite, welche die kürzeren Vorsprünge aufweist. Wird dagegen ein Anpressdruck gewählt, welcher bei einer der Strukturen zur Euler-Knickung führt, verringert sich die Adhäsion für diese Struktur deutlich, was zur bevorzugten Ablösung dieser Struktur führt (5 rechte Spalte).
6 zeigt Messwerte, welche für ein Objekt gemäß Beispiel 1 von 1 erhalten wurden. Es wurde die Haftkraft in Abhängigkeit zur Eindringtiefe gemessen. Bei geringen Eindringtiefen ist die doppelseitige Struktur adhäsiv, bei größeren Eindringtiefen gering-adhäsiv. Das Ablösen vom Substrat wechselt von Seite 1 (gefüllte Punkte) zu Seite 2 (nichtgefüllte Punkte) mit zunehmender Eindringtiefe. Punkte entsprechen experimentellen Daten. Die gestrichelte Linie entspricht der gefitteten Sigmoidfunktion zur Bestimmung der asymptotischen Kraftwerte für den adhäsiven und gering-adhäsiven Bereich.
7 zeigt Messwerte, welche für ein Objekt gemäß Beispiel 2 von 1 erhalten wurden. Es wurde die Haftkraft in Abhängigkeit zur Eindringtiefe gemessen. Bei geringen Eindringtiefen ist die doppelseitige Struktur adhäsiv, bei größeren Eindringtiefen gering-adhäsiv. Das Ablösen vom Substrat wechselt von Seite 1 (gefüllte Punkte) zu Seite 2 (nichtgefüllte Punkte) mit zunehmender Eindringtiefe. Punkte entsprechen experimentellen Daten. Die gestrichelte Linie entspricht der gefitteten Sigmoidfunktion zur Bestimmung der asymptotischen Kraftwerte für den adhäsiven und gering-adhäsiven Bereich.
Die Schalteffizienz aller untersuchten Strukturtypen ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Haftspannungen, σ_p,i, beider Regime (adhäsiv und gering-adhäsiv) wurde aus den asymptotischen Haftkräften, F_p,i, (vgl. 6 und 7) und der Kontaktfläche, A, berechnet: σ_p,i=F_p,i/A.
Die Effizienz, S, ergibt sich aus S=1-σ_p,K/σ_p,0, wobei σ_p,0 die Haftspannung ohne Knicken (bei geringen Eindringtiefen) und σ_p,K die Haftspannung nach dem Knicken der Strukturen (bei hohen Eindringtiefen) ist. S kann zwischen 0 und 1 variieren, wobei 0 kein Schaltverhalten und 1 die maximale Schalteffizienz beschreibt. Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, dass alle doppelseitigen Haftstrukturen eine Effizienz größer 0,5 besitzen, wobei einige Ausführungsbeispiele mit S≈0,8 eine sehr hohe Schalteffizienz aufweisen. Die Dicke der Schicht zwischen den beiden Schaltstrukturen hat bei den Beispielen nur geringen Einfluss auf die Schalteffizienz.

Bevorzugt sind Systeme mit einer Schalteffizienz von über 0,5, insbesondere über 0,7. Tabelle 1

	Haftspannung ohne „Knicken“, σ_p,0	Haftspannung nach „Knicken“, σ_p,K	Schalteffizienz, S = 1 - σ_p,K/σ_p,0
Beispiel 1 (d=1 mm)	28,0 kPa	7,5 kPa	0,73
Beispiel 1 (d=2 mm)	34,8 kPa	6,0 kPa	0,83
Beispiel 1 (d=3 mm)	22,7 kPa	10,6 kPa	0,53
Beispiel 1 (d=5 mm)	28,1 kPa	13,6 kPa	0,52
Beispiel 2 (d=1 mm)	31,8 kPa	13,5 kPa	0,58
Beispiel 2 (d=5 mm)	33,3 kPa	7,6 kPa	0,77

Claims

Objekt, welches mindestens auf zwei Oberflächen jeweils eine zur Trockenadhäsion befähigte Fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Flächen in mindestens einem Haftparameter unterscheiden.
Objekt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Flächen eine Struktur umfassend senkrechte Vorsprünge aufweist.
Objekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass beide Flächen eine Struktur umfassend senkrechte Vorsprünge aufweisen.
Objekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftkraft der beiden Flächen unterschiedlich ist.
Objekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Flächen in Struktur und/oder Elastizitätsmodul unterscheiden.
Objekt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fläche eine Struktur aufweist, deren Haftkraft durch Euler-Knickung oder Scherbelastung reduziert werden kann.
Objekt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der Euler-Knickung oder Scherbelastung resultierende Haftkraft geringer ist, als die Haftkraft der anderen Fläche.
Verfahren zur selektiven Adhäsion für ein Objekt nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend folgende Schritte: (a) Kontaktieren der ersten Fläche mit einer ersten Oberfläche und Kontaktieren der zweiten Fläche mit einer zweiten Oberfläche; (b) Wegbewegen mindestens einer der Oberflächen vom Objekt bis zur Ablösung einer der beiden Oberflächen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Flächen eine Struktur aufweist und vor dem Wegbewegen der Oberflächen durch einen ausreichenden Anpressdruck bei einer der Strukturen die Euler-Knickung herbeigeführt wird.