DE102017131347A1

DE102017131347A1 - Struktur mit verbesserter Haftung

Info

Publication number: DE102017131347A1
Application number: DE102017131347.8A
Authority: DE
Inventors: Eduard Arzt; René Hensel; Karsten Moh; Verena Nicola Tinnemann
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: CN111757686A; EP3731689A1; JP2021507836A; WO2019129540A1; US20210071046A1; US11787982B2; JP7291962B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Struktur mit verbesserter Adhäsion, insbesondere mit verbesserter Kraftverteilung. Dies wird durch eine Struktur mit Vorsprüngen und einer Rückschicht erreicht, bei welcher Steifigkeit der Rückschicht variiert, während die Stirnflächen eine gemeinsame Fläche aufspannen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Struktur mit verbesserter Adhäsion an Oberflächen, insbesondere mit verbesserter Kraftverteilung.
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. 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.
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 deutlich höhere Steuerung der Adhäsionskräfte.
Gerade für Anwendungen, bei denen Objekte auf bestimmten Oberflächen reversibel befestigt werden müssen, können solche Strukturen Vorteile bringen.
Ein Problem solcher Strukturen ist, dass sich beim Abheben eines Objekts die Zugkräfte in der Struktur lateral ungleichmäßig über die einzelnen Vorsprünge verteilen. Ursache dafür sind Abweichungen von einer uniformen Kraftverteilung (equal load sharing) aufgrund elastischer Wechselwirkungen in der Rückschicht (Backing Layer), an der alle Vorsprünge befestigt sind, oder aufgrund nicht-paralleler Ausrichtung der Struktur gegenüber der kontaktierten Oberfläche (Substrat). Dadurch wird die Haftung gegenüber dem theoretisch zu erwartenden Wert wesentlich herabgesetzt.
Diese ungleiche Kraftverteilung tritt vor allem auf, wenn die Strukturen durch eine elastische oder viskoelastische Rückschicht verbunden sind und wird zudem verstärkt, wenn die Oberfläche des Objekts konvex in Richtung der Haftstrukturen gekrümmt ist. Der Grund ist die mechanische Kopplung der Strukturen über die verformbare Rückschicht. Diese Kopplung ist unterschiedlich stark ausgeprägt für Strukturen am Rand und für Strukturen innerhalb des Arrays: Aufgrund einer geringeren Anzahl an benachbarten Strukturen werden die Haftstrukturen am äußeren Rand mehr belastet als die Strukturen innerhalb des Arrays. Aufgrund der ungleichen Belastung erfolgt ein Ablösen/Versagen der Haftstrukturen vom Rand aus. Wie stark sich diese inhomogene Verteilung auf die Effizienz bzw. Tragfähigkeit der gesamten Haftstruktur ausprägt, hängt von der Anzahl der Strukturen die in einem Array beansprucht werden ab. Allgemein gilt, dass die Effizienz eines Haftstrukturarrays mit zunehmender Anzahl an zur Haftung beteiligter Strukturen abnimmt. D.h. große Arrays sind ineffizienter als kleine. Die tatsächliche Effizienz kann mittels numerischer Methoden ermittelt werden.
Eine wissenschaftliche Analyse des Problems wurde von Bacca, Booth, Turner und McMeeking (Bacca et al. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 2016, 96,428-444, Load sharing in bioinspired fibrillar adhesives with backing layer interactions and interfacial misalignment) publiziert. Die Autoren betonen, dass eine uniforme Kraftverteilung durch Einstellen der Elastizität der einzelnen Fasern, entweder über die Modulation des Elastizitätsmoduls oder der Höhe der Vorsprünge, erreicht werden kann. Dabei muss allerdings ein Verklumpen der Vorsprünge vermieden werden.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Struktur bereitzustellen, welche eine verbesserte Haftung und insbesondere eine verbesserte Kraftverteilung aufweist.
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 Erfindung wird durch eine Struktur umfassend eine Rückschicht, eine Vielzahl von Vorsprüngen an dieser Rückschicht, wobei jeder Vorsprung eine Stirnfläche aufweist, wobei alle Stirnflächen eine gemeinsame Fläche aufspannen und die Steifigkeit der Rückschicht in Richtung mindestens eines Rands der Struktur hin variiert, bevorzugt abnimmt.
Bevorzugt ist eine Abnahme der Steifigkeit zum Rand um bis zu 50 %, bezogen auf die höchste Steifigkeit, bevorzugt um bis zu 30 %, insbesondere eine Änderung der Steifigkeit um mindestens 2 %.
Durch die Variation der Steifigkeit der Rückschicht wird erreicht, dass sich die Kopplung zwischen den Vorsprüngen über die Rückschicht zum Rand hin verändert. Dadurch wird die Anhaftung der Struktur deutlich verbessert.
In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die Steifigkeit der Rückschicht in Richtung zu allen Rändern der Struktur hin ab. Unter einem Rand einer Struktur wird das Ende der Anordnung von Vorsprüngen auf der Rückschicht verstanden. Die Rückschicht weist bevorzugt einen Gradienten der Steifigkeit in Richtung der Ränder parallel zur Haftfläche auf.
Die Veränderung der Steifigkeit kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Veränderung dadurch erreicht, dass die Dicke der Rückschicht sich in Richtung mindestens eines Rands der Struktur hin abnimmt.
Da die Stirnflächen der Vorsprünge eine gemeinsame Fläche aufspannen, wird durch die Variation der Dicke der Rückschicht erreicht, dass die Vorsprünge in der Mitte der Struktur kürzer sind, während die Länge der Vorsprünge zum Rand hin zunimmt, wobei die Stirnflächen der Vorsprünge noch geeignet sind, ebene Flächen zu kontaktieren, da die Stirnflächen eine gemeinsame Fläche aufspannen.
Die Dicke der Rückschicht nimmt in Richtung mindestens eines Rand der Struktur ab, bevorzugt in Richtung von mindestens zwei Rändern, insbesondere zu allen Rändern hin. Dies kann beispielsweise durch eine gewölbte Form der Rückschicht erreicht werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Struktur in der Mitte eine konstante Dicke der Rückschicht aufweist, und sie erst zum Rand hin, z. B. in dem letzten Viertel, gemessen am Durchmesser der Struktur, die Dicke der Rückschicht abnimmt.
Durch diese Modifizierung der Rückschicht wird auch erreicht, dass größere Objekte nicht durch große, schwer herzustellende Haftstrukturarrays, sondern alternativ durch eine Vielzahl von kleineren Haftstrukturarrays gegriffen und abgelöst werden können und dabei die Randeffekte an den kleineren Arrays die Haftkraft kaum herabsetzen.
Wenn die Dicke zum Rand hin abnimmt, ist darunter zu verstehen, dass die Dicke mindestens im Bereich am Rand abnimmt. Dies bedeutet, dass in jedem Fall am Rand der Struktur die Dicke der Rückschicht stetig abnimmt. Die resultierende Struktur weist an den Rändern im Vergleich zur Mitte der Rückschicht längere Vorsprünge auf.
Durch diese Struktur wird erreicht, dass die Struktur auch zur Adhäsion an flachen Oberflächen geeignet ist, und dennoch eine verbesserte Kraftverteilung aufweist.
Außerdem wird bei der gewollten Ablösung zum Zweck des Platzierens von Objekten erreicht, dass die Ablösung zuerst am Rand beginnt und dann nach innen fortschreitet. Dadurch wird eine kontrollierte Ablösung mit verbesserter örtlicher Präzision erreicht.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Änderung der Steifigkeit dadurch erreicht, dass sich der Elastizitätsmodul der Rückschicht entsprechend verändert. Dies kann durch einen Gradienten innerhalb des Materials geschehen. Bevorzugt wird dies dadurch erreicht, dass die Rückschicht mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul aufweist. Die Rückschicht ist dabei insbesondere auf die Ausdehnung der einzelnen Bereiche so aufgebaut, dass ein Unterschied in der Haftkraft der Struktur erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Bereiche als Schichten ausgebildet, insbesondere als Schichten, deren senkrechte Dicke variiert. Dadurch ist die Steifigkeit der Rückschicht an einem bestimmten Punkt abhängig von dem Verhältnis der unterschiedlichen Schichten. Durch die Dicke der jeweiligen Schichten kann die Steifigkeit der Rückschicht gesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt zum Rand hin der senkrechte Anteil an Bereichen mit hohem Elastizitätsmodul ab, so dass die Steifigkeit sinkt. Dies bedeutet, dass die Dicke der Schichten sich entsprechend verändert.
Die Verwendung von mehreren Schichten hat den Vorteil, dass die Länge der Vorsprünge konstant bleiben kann, was die Herstellung und Stabilität der Strukturen erleichtert. Gleichzeitig kann die Rückschicht einfacher mehrschichtig hergestellt werden, was die Anpassung der Steifigkeit für unterschiedliche Anwendungen erleichtert.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Rückschicht 2, 3 oder 4 Schichten mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul, bevorzugt 2 Schichten mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul.
Die Schichten müssen sich nicht über die gesamte Fläche der Rückschicht erstrecken. Bevorzugt erstrecken sich die Schichten über die gesamte Fläche der Struktur
Die äußerste Schicht kann auch fest mit einem Träger verbunden sein oder ein Teil eines Trägers der erfindungsgemäßen Struktur sein. Wichtig ist, dass sie einen Einfluss auf die Adhäsionskraft der Struktur aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Rückschicht eine erste Schicht auf, auf der die Vorsprünge angeordnet sind. Unter dieser Schicht ist eine zweite Schicht angeordnet. Beide Schichten weisen eine gemeinsame Grenzfläche auf. Wenn der Elastizitätsmodul der ersten Schicht größer ist, als der zweiten Schicht, nimmt bevorzugt die Dicke der zweiten Schicht in Richtung mindestens eines Rands ab, während die Dicke der ersten Schicht zunimmt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Grenzfläche der beiden Schichten in Richtung der Vorsprünge gewölbt, d.h. konvex ist. Ist der Elastizitätsmodul der ersten Schicht höher, ist es anders herum, d.h. die Grenzfläche ist entsprechend konkav geformt und die Dicke der zweiten Schicht nimmt entsprechend zu.
Bevorzugt ist eine konvexe Grenzfläche. Bevorzugt ist die Grenzfläche parabolisch, halbkugel-förmig bis napf- bzw. wannenförmig geformt. Insbesondere bevorzugt wird die Krümmung der Grenzfläche durch ein gerades Polynom (Polynomfunktion mit geraden Exponenten) beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke der Rückschicht bezogen auf alle Schichten konstant. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht der Elastizitätsmodul der ersten Schicht dem Elastizitätsmodul der Vorsprünge.
Der Elastizitätsmodul der Rückschicht 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.
Im Falle von mehreren Schichten liegt der Elastizitätsmodul mindestens einer Schicht bei 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. Bevorzugt liegt der Elastizitätsmodul mindestens einer Schicht bei 50 kPa bis 20 MPa, bevorzugt 100 kPa bis 10 MPa.
Der Elastizitätsmodul der mindestens einen Schicht mit hohem Elastizitätsmodul liegt davon unabhängig bei mindestens 1 MPa, insbesondere 1 MPa bis 3 GPa, bevorzugt 2 MPa bis 1 GPa.
Das Verhältnis der Elastizitätsmodule der Schicht mit dem niedrigsten Elastizitätsmodul und der Schicht mit dem höchsten Elastizitätsmodul liegt bevorzugt bei über 1:2, bevorzugt bei über 1:100, insbesondere bei über 1:500, ganz besonders bevorzugt bei über 1:1000, insbesondere über 1:1500. Solche hohen Unterschiede wirken sich besonders vorteilhaft aus.
Die Dicke der Rückschicht kann entsprechend der Anwendung gewählt werden. Abhängig von der Höhe der Vorsprünge kann die maximale Dicke bei bis zu 5 cm liegen, bevorzugt bis zu 3 cm. Sie kann auch bei unter ein 1 cm liegen, beispielsweise unter 5 mm.
Die Dicke ist so gewählt, dass auch bei Variation der Dicke eine entsprechende Verbesserung der Haftkraft erreicht wird. Bevorzugt ist eine Variation der Dicke um bis zu 50 % ausgehend von der maximalen Dicke, bevorzugt um bis zu 30 %, insbesondere um mindestens 5 %.
Im Falle von mehreren Schichten ist die Dicke so gewählt, dass auch eine Verbesserung der Haftkraft erreicht wird. Im Falle von mehreren Schichten variiert die Dicke mindestens von zwei Schichten zur Veränderung der Steifigkeit bevorzugt um mindestens 2 % bezogen auf die maximale Dicke der Rückschicht, bevorzugt um mindestens 5 %, bevorzugt um mindestens 30 %.
Dabei kann die Dicke einer Schicht bei 0 liegen, wenn sie in diesem Bereich nicht vorhanden ist.
Bei der Schicht mit dem geringsten Elastizitätsmodul ist bevorzugt, dass ihre minimale Dicke (d) im Verhältnis zur senkrechten Höhe der Vorsprünge (L) kleiner als 1 ist, bevorzugt wenn sie die Schicht ist auf welcher die Vorsprünge angeordnet sind.
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, sogenannte „mushroom“-Strukturen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Stamm des Vorsprungs bezogen auf seinen mittleren Durchmesser ein Aspektverhältnis von Höhe zu Durchmesser von 0,5 bis 100, bevorzugt von 1 bis 10, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 auf.
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 Stirnflächen spannen eine gemeinsame Fläche auf. Darunter wird verstanden, dass die Stirnflächen Teil einer stetigen Fläche sein können, beispielsweise einer Ebene. Es kann sich auch um eine gekrümmte Fläche handeln.
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 1 µm bis 1 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.
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.
Die Materialien der Vorsprünge und der Rückschicht 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 Mischungen 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 epoxy- und/oder silikonbasierte Elastomere, Polyurethan(meth)acrylate, Polyuretane, Silikone, Silikonharze (wie UV-härtbares PDMS), Polyurethan(meth)acrylate oder Kautschuk (wie EPM, EPDM).
Die Rückschicht ist bevorzugt ebenfalls aus einem der vorstehenden Materialien, besonders bevorzugt aus dem gleichen Material wie die Vorsprünge.
Im Falle von mehreren Bereichen ist mindestens ein Bereich aus den vorstehend genannten Materialien. Die Schichten mit höherem Elastizitätsmodul können auch aus anderen Materialien bestehen, wie Kunststoffen, Metallen, Keramik, bevorzugt aus Kunststoffen wie Duroplasten oder Thermoplaste, wie Polystyrol, AcrylnitrilButadien-Styrol, Polylactide, Polyvinylalkohol, Polyamide, wie Polyamid PA 66). Bevorzugt sind Kunststoffe, welche sich durch Spitzguss oder 3D-Druck aufbringen lassen.
Die erfindungsgemäßen Strukturen werden bevorzugt in Gussverfahren hergestellt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Struktur. Dazu wird eine Form bereitgestellt, welche eine Negativstruktur der Struktur umfassend Vorsprünge und ein in der Dicke variierende Rückschicht umfasst. Die Form wird entsprechend mit einer härtbare Vorstufe für das Material der Rückschicht und die Vorsprünge eingefüllt. Danach wird die Vorstufe abhängig vom verwendeten Material gehärtet, das kann physikalisch und/oder chemisch geschehen. Beispielsweise durch Erhitzen oder Bestrahlung, beispielsweise mit UV). Die Struktur wird aus der Form entfernt und gegebenenfalls noch weiteren Bearbeitungsschritten unterworfen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Struktur, bei der die Rückschicht mindestens zwei Bereiche umfasst. Dazu wird eine Form bereitgestellt, welche eine Negativstruktur der Struktur umfassend Vorsprünge und der Rückschicht umfasst. Außerdem wird ein weiterer Körper bereitgestellt, welcher in seinen Ausmaßen einem Bereich der herzustellenden Rückschicht entspricht. Dieser Körper kann auf einem Träger angeordnet sein oder Teil davon sein.
Im nächsten Schritt wird eine härtbare Vorstufe in die Form eingefüllt. In einem nächsten Schritt wird der weitere Körper so in die Form eingeführt, dass er zusammen mit der Vorstufe die spätere Rückschicht bildet. Dabei ist es möglich, dass der Körper die Vorstufe teilweise verformt und/oder verdrängt, beispielsweise wenn er eine gewölbte Struktur aufweist. Die Vorstufe und der Körper bilden nach der Härtung die Rückschicht. Da der Körper in die Vorstufe hineingedrückt wird, kann er auch als Inlet bezeichnet werden. Bevorzugt ist der Körper aus einem Material mit einem höheren Elastizitätsmodul als das Material in der Gussform nach der Härtung.
Danach wird die Vorstufe gehärtet. Dadurch werden die Vorsprünge und der erste Bereich gebildet.
Danach wird die Struktur aus der Gussform entformt. Die Rückschicht wird durch die gegossene Struktur und den weiteren Körper gebildet. Der weitere Körper bildet den zweiten Bereich der Rückschicht.
Der weitere Körper kann auch bereits mehrere Bereiche mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul umfassen.
Der weitere Körper kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Es ist beispielsweise möglich, ihn über 3D-Druck herzustellen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Form der einzelnen Bereiche der Rückschicht auf einfache Art und Weise festgelegt werden. Insbesondere kann das Herstellen der Vorsprünge und der endgültigen Struktur in einem Schritt durchgeführt werden. Durch die vorherige Herstellung des weiteren Körpers können Geometrien erhalten werden, welche durch sequenzielle Gussverfahren nicht möglich sind.
Der weitere Körper ist bevorzugt konkav gewölbt und weist in seiner Mitte die höchste Dicke auf.
Gerade bei sehr kleinen und empfindlichen Bauteilen, wie Mikrochips, integrierte Schaltkreise, Displays oder Touchscreens, bietet die erfindungsgemäße Struktur Möglichkeiten zur präzisen Handhabung ohne große Belastung des Objekts. So kann durch Verbesserung der Adhäsion mit Haftstrukturen mit geringerer Ausdehnung gearbeitet werden. Die zur Adhäsion benötigte Fläche ist deutlich geringer.
Die Erfindung betrifft daher auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Struktur zur Trockenadhäsion, insbesondere zur Handhabung oder Befestigung von Objekten über trockenadhäsive Haftung.
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 einer Ausführungsform der Erfindung;
2 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
3 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
4 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit gewölbter Rückschicht;
5 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit mehrschichtiger Rückschicht;
6 Messung der Adhäsionskraft verschiedener Strukturen;
7 Abbildung einer erfindungsgemäßen Struktur im Querschnitt;
8 Schematische Darstellung der Herstellung einer erfindungsgemäßen Struktur;
9 Schematische Darstellung der Herstellung einer erfindungsgemäßen Struktur;
10 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit mehrschichtiger Rückschicht;
11 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit mehrschichtiger Rückschicht.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Struktur. Auf einer Rückschicht 100 ist eine Vielzahl von Vorsprüngen 110 angeordnet, welche jeweils Stirnflächen 120 aufweisen. Die Oberfläche der Rückschicht ohne die Vorsprünge ist bei dieser Ausführungsform konvex gewölbt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Struktur. Auf einer Rückschicht 100 ist eine Vielzahl von Vorsprüngen 110 angeordnet, welche jeweils Stirnflächen 120 aufweisen. Die Oberfläche der Rückschicht ohne die Vorsprünge ist bei dieser Ausführungsform dachförmig oder kegelförmig geformt. Es ist auch möglich, dass die Dicke der Rückschicht nur in einer Dimension abnimmt. In diesem Fall ist die Oberfläche der Rückschicht ohne Vorsprünge giebelartig geformt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Struktur. Auf einer Rückschicht 100 ist eine Vielzahl von Vorsprüngen 110 angeordnet, welche jeweils Stirnflächen 120 aufweisen. In dieser Ausführungsform ist die Dicke der Rückschicht in der Mitte der Struktur konstant und nimmt erst zu den Rändern hin ab.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Struktur mit einer gewölbten Rückschicht 130 auf dem Vorsprünge 110 angeordnet sind. Die Stirnflächen der Vorsprünge 120 sind auf der gleichen Höhe und spannen so eine Ebene auf. Über die Breite der Struktur D variiert daher die Höhe der Vorsprünge von der geringsten Höhe L_m in der Mitte, bis zur der höchsten Höhe L_a am Rand der Struktur.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Struktur mit einem mehrschichtigen Aufbau der Rückschicht. Die Rückschicht weist einen ersten Bereich 140 mit einem Elastizitätsmodul E₂ auf. Auf diesem Bereich sind die Vorsprünge 110 angeordnet. Die Rückschicht weist noch einen zweiten Bereich 150 mit einem Elastizitätsmodul E₁ auf. Dabei gilt E₁>E₂. Beide Bereiche 140, 150 sind als Schichten ausgebildet und sind auf einander angeordnet. Ihre Grenzfläche 160 ist in Richtung der Vorsprünge konkav gewölbt. Dadurch weist der erste Bereich eine minimale Dicke von d in der Mitte der Struktur auf. Dort ist auch die Dicke des zweiten Bereichs am größten. Zu den beiden Rändern hin nimmt die Dicke des ersten Bereichs zu, während die Dicke des zweiten Bereichs abnimmt. Wenn die Grenzfläche in allen Richtung konkav gewölbt ist, nimmt für einen solchen Körper die Steifigkeit zu allen Rändern hin zu. Der zweite Bereich erstreckt sich dabei über die gesamte Breite D der Struktur. Das Verhältnis der minimalen Dicke d zur Höhe der Vorsprünge ist bevorzugt kleiner 1.
6 zeigt die Messung der Adhäsionskraft verschiedener Strukturen auf einer Glasoberfläche. Die Proben wurden nach Kontaktierung mit der Oberfläche bis zum Erreichen einer Vorlast senkrecht auf die Oberfläche zubewegt („Andrücken“) und dann bis zur vollständigen Ablösung wieder von der Oberfläche wegbewegt (Weg in mm, „Abziehen“). Dabei wurden die auf die Struktur und die Oberfläche wirkenden Kräfte in Bewegungsrichtung gemessen. Die dabei nötige Abziehkraft ist die Kraft, die zur vollständigen Ablösung benötigt wird. Die Messung zeigt deutlich, dass zum Ablösen einer Struktur mit zwei Schichten wie in 7 gezeigt (Probe mit Inlet) eine deutlich höhere Kraft nötig ist, als für eine mit den gleichen Ausmaßen hergestellten Probe ohne mehrschichtige Rückschicht (Probe on Inlet) .
7 zeigt eine Struktur mit Vorsprüngen auf einer Rückschicht. Die Struktur wurde in der Hälfte durchgeschnitten, so dass der Querschnitt zu erkennen ist. Die Vorsprünge haben einen kreisförmigen Durchmesser und sind periodisch regelmäßig angeordnet. Sie sind auf einer Rückschicht angeordnet, welche zwei Bereich umfasst, welche wiederum als Schichten ausgebildet sind. Es ist deutlich erkennbar, dass die Dicke des ersten Bereichs mit den Vorsprüngen in der Mitte am geringsten ist. Der zweite Bereich bildet eine Schicht unter dem ersten Bereich. Die konkav gewölbte Grenzfläche ist deutlich zu erkennen. Die Höhe der Rückschicht ist über die gesamte Struktur bekannt. Nur die Dicke der beiden Schichten variiert.
8 zeigt schematisch die Herstellung einer erfindungsgemäßen Struktur mit variierender Dicke der Rückschicht (Backing Layer). Es wird eine entsprechende Gießform bereitgestellt (links). In diese wird das Prä-Polymer für das Material eingefüllt und die Form mit einem Deckel verschlossen (mittlere Darstellung). Die Form wird dabei vollständig gefüllt. Im nächsten Schritt wird das Prä-Polymer gehärtet, beispielsweise vernetzt. Nach Entformung aus der Gießform (rechts) wird die erfindungsgemäße Struktur erhalten.
9 zeigt schematisch die Herstellung einer erfindungsgemäßen Struktur mit mehrschichtiger Rückschicht. Dabei wird eine Gießform für die gesamte Struktur bereitgestellt. In diese Form wird das Prä-Polymer eingefüllt (links). Das Prä-Polymer ist die Vorstufe für das Material der Vorsprünge und dem ersten Bereich der Rückschicht. Außerdem wird ein Inlet auf einem Träger bereitgestellt. Dieses Inlet kann beispielsweise über 3D-Druck hergestellt werden. Es ist auf einem Träger angeordnet, welcher auch den Deckel der Gießform bilden kann. Es wird so viel Prä-Polymer in die Form eingefüllt, dass die Form nach Einführen des Inlets (mittlere Darstellung) in die Form vollständig gefüllt ist. Danach wird das Prä-Polymer gehärtet und die Struktur entformt (rechts). Auf diese Weise wird eine Struktur mit einer mehrschichtigen Rückschicht erhalten.
10 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit mehrschichtiger Rückschicht umfassend einen ersten Bereich 170 und einen zweiten Bereich 180. Auf dem ersten Bereich sind die Vorsprünge 110 mit Stirnflächen 120 angeordnet. Die Änderung der Steifigkeit wird dadurch erreicht, dass die Dicke des ersten Bereichs 170 in der Mitte am geringsten ist und zum Rand hin stetig linear zunimmt. Entsprechend nimmt die Dicke des zweiten Bereichs 180 ab. Die Grenzfläche ist in diesem Fall abhängig von der dreidimensionalen Ausbildung der Struktur dachförmig oder kegelförmig.
11 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit mehrschichtiger Rückschicht umfassend einen ersten Bereich 190 und einen zweiten Bereich 200. Auf dem ersten Bereich sind die Vorsprünge 110 mit Stirnflächen 120 angeordnet. Die Änderung der Steifigkeit wird dadurch erreicht, dass die Dicke des ersten Bereichs 190 in der Mitte am geringsten ist, erst konstant bleibt und dann zum Rand hin stetig linear zunimmt. Entsprechend nimmt die Dicke des zweiten Bereichs 200 ab. Die Grenzfläche ist in diesem Fall abhängig von der dreidimensionalen Ausbildung der Struktur dachförmig mit abgeschnittenem Giebel oder ähnlich eines abgeschnittenen Kegels.
Bezugszeichenliste

100: Rückschicht
110: Vorsprung
120: Stirnfläche
130: Rückschicht
140: erster Bereich der Rückschicht
150: zweiter Bereich der Rückschicht (Inlet)
160: Grenzfläche
170: erster Bereich der Rückschicht
180: zweiter Bereich der Rückschicht (Inlet)
190: erster Bereich der Rückschicht
200: zweiter Bereich der Rückschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bacca et al. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 2016, 96,428-444, Load sharing in bioinspired fibrillar adhesives with backing layer interactions and interfacial misalignment [0007]

Claims

Struktur umfassend eine Rückschicht, eine Vielzahl von Vorsprüngen auf dieser Rückschicht, wobei jeder Vorsprung eine Stirnfläche aufweist, wobei alle Stirnflächen eine gemeinsame Fläche aufspannen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der Rückschicht in Richtung mindestens eines Rands der Struktur hin variiert.
Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der Rückschicht in Richtung mindestens eines Rands der Struktur hin abnimmt.
Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Rückschicht in jeder Richtung hin abnimmt.
Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Rückschicht im Bereich des Rands der Struktur stetig abnimmt.
Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschicht mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul aufweist.
Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche als Schichten ausgebildet sind.
Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen säulenartig ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Struktur nach einem der Ansprüche 5 bis 7, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Form, welche die Negativstruktur der Struktur umfassend Vorsprünge und Rückschicht umfasst; b) Bereitstellen eines weiteren Körpers, welcher in seinen Ausmaßen einem Bereich der herzustellenden Rückschicht entspricht; c) Einfüllen einer härtbaren Vorstufe in die Form; d) Einführen des weiteren Körpers in die Form; e) Härten der Vorstufe f) Entformen der Struktur aus der Form.
Verwenden der Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Trockenadhäsion.