DE102021103895A1

DE102021103895A1 - Krafttolerante Struktur

Info

Publication number: DE102021103895A1
Application number: DE102021103895.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Kruttwig; Gabriela Moreira Lana; Karsten Moh; Eduard Arzt
Original assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2021-02-18
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2022-08-18
Also published as: WO2022175150A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Struktur, welche eine Kontrolle der durch die Struktur auf ein Objekt übertragenen Kraft erlaubt, wobei in einem bestimmten Bereich eine maximale Kraft nicht überschritten wird. Die Struktur umfasst eine Trägerschicht, wobei auf dieser Trägerschicht eine Vielzahl von Vorsprüngen angeordnet sind, die mindestens jeweils einen Stamm mit einer von der Trägerschicht wegweisenden Stirnfläche umfassen, wobei auf den Stirnflächen mindestens eine weitere Schicht angeordnet sein kann, welche als Film ausgebildet ist, wobei diese Schicht als Oberfläche mindestens eine Schicht umfasst, welche einen geringeren Elastizitätsmodul aufweist als der jeweilige Vorsprung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Struktur, welche eine Kontrolle der durch die Struktur auf ein Objekt übertragenen Kraft erlaubt, wobei in einem bestimmten Bereich eine maximale Kraft nicht überschritten wird.
Häufig gibt es bei empfindlichen Substraten das Problem, dass beim Aufbringen auf diese Substrate eine bestimmte Kraft nicht überschritten werden darf, um das Substrat oder das aufzubringende Objekt nicht zu beschädigen. Gleiches gilt auch für das Belasten von empfindlichen Objekten, beispielsweise bei Greifern.
Bekannte Systeme zur Dämpfung und Kraftbeschränkung sind beispielsweise Schäume.
Die Adhäsion auf rauen Oberflächen ist häufig problematisch. Insbesondere im biologischen Bereich zeigen viele Klebstoffe nur unzureichende Eigenschaften. Gleichzeitig besteht auch das Problem, dass Klebstoffe nur unzureichend kompatibel sind mit biologischen Oberflächen.
Eine Alternative bieten trockenadhäsive Oberflächen, wie bspw. Geckostrukturen, welche ohne die Vermittlung durch Klebstoffe eine Adhäsion auch an rauen Oberflächen zeigen können. Allerdings verschmutzen solche Strukturen leicht.
Bei operativen Eingriffen am menschlichen Körper werden, insbesondere im mikrochirurgischen Bereich, häufig Instrumente zum Greifen, Halten oder zur Positionierung von Geweben oder Materialien, die mit Geweben in Kontakt kommen, verwendet. Häufig sind diese Instrumente Pinzetten, Greifer oder Klemmen. Die Verwendung dieser Instrumente kann zu einer Schädigung von Geweben oder empfindlichen Materialien führen, unter anderem durch eine zu starke Druckausübung zum Beispiel bei der Handhabung einer Pinzette. Typische Beispiele für operative Eingriffe betreffen den Bereich der Glaskörperchirurgie am Auge, wo dünne Gewebe gehandhabt werden müssen, oder auch die Positionierung von Intraokularlinsen in der Kataraktchirugie. Im Bereich der Hals-Nasen- und Ohrenheilkunde werden Silikonstreifen für die Behandlung von Trommelfellperforationen mit Klemmen gehandhabt. Für die Behandlung von Trommelfellperforationen sollten adhäsive Elemente mittels definierter Kraft aufgebracht werden, um eine optimale Adhäsion von zum Beispiel Pflastern zu ermöglichen, ohne darunterliegende Gewebe zu schädigen. Derzeit stehen keine Instrumente zur Verfügung, um diese Aufgabe so zu lösen, dass eine definierte Kraft erzielt und das Risiko einer weiteren, zu starken Kraftübertragung minimiert wird.
Es ist bisher nicht möglich die Kraft zum Aufbringen exakt zu definieren. Wenn die Pinzette zu stark gedrückt wird, findet eine Schädigung des Gewebes statt. Eine definierte Kraftaufbringung ist nicht möglich. Wird zu wenig Spannung ausgeübt führt dies zu einer unzureichenden Adhäsion, wogegen zu große Spannung zu einer Gewebeschädigung führt.
Bislang ist es mit konventionellen Greifsystemen nicht möglich, insbesondere Mikrobauteile schnell und präzise zu handhaben. Vakuumsysteme und mechanische Greifer haben eine untere Grenze von ca. 100 µm für die zu handhabende Bauteilgröße. Auch erfordern Vakuumgreifer eine hinreichende Druckdifferenz und erlauben keinen Einsatz im Vakuum.
Das Problem von kontrollierter Kontaktabfederung von Bauteilen besteht auch noch in anderen Gebieten. Zahlreiche Trümmerteile befinden sich in den Erdumlaufbahnen, die mit Satelliten, der Internationalen Raumstation und anderen Körpern kollidieren können. Um diesen Weltraummüll, der sich z.T. mit hoher Relativgeschwindigkeit bewegt, einzusammeln, müssen die Objekte abgebremst und/oder aktiv in eine niedrigere Umlaufbahn gebracht oder direkt in die Atmosphäre zurückgeführt werden, wo sie beim Wiedereintritt verbrennen. Derzeit gibt es keine technischen Lösungen für das Problem, aber eine technische Machbarkeit des Einfangens dieser Teile mit Netzen wird diskutiert. Dazu muss das Netz annähernd die gleiche Geschwindigkeit wie das einzufangende Objekt haben. Dafür sind die gezielte Steuerung und der Aufwand von Treibstoff nötig. Daher besitzen diese derzeitigen technischen Lösungen deutliche Nachteile, die mittels der hier vorliegenden Erfindung verbessert werden.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Struktur bereitzustellen, welche eine Kontrolle der durch die Struktur auf ein Objekt übertragenen Kraft erlaubt und insbesondere noch eine verbesserte Haftung auf einem Objekt mit rauer Oberfläche erlaubt.
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 gelöst durch eine Struktur, wobei die Struktur eine Trägerschicht umfasst, wobei auf dieser Trägerschicht eine Vielzahl von Vorsprüngen (Pillars) angeordnet sind, die mindestens jeweils einen Stamm mit einer von der Trägerschicht wegweisenden Stirnfläche umfassen, wobei auf den Stirnflächen mindestens eine weitere Schicht angeordnet sein kann, welche als Film ausgebildet ist, wobei diese Schicht als Oberfläche mindestens eine Schicht umfasst, welche einen geringeren Elastizitätsmodul aufweist als der jeweilige Vorsprung. Die Variante mit der weiteren Schicht ist eine bevorzugte Ausführungsform.
Dieser Aufbau der Struktur erlaubt es, bei Einwirken einer Kraft auf die Struktur, die Weitergabe dieser Kraft durch die Struktur zu kontrollieren, zumindest in einem bestimmten Bereich.
Wirkt eine Kraft auf die weitere Schicht, wirkt die Kraft auch durch diese Schicht hindurch auf die Vorsprünge. Im Gegensatz zu einem massiven Körper können die Vorsprünge Energie, beispielsweise durch Knickung oder Beugung, aufnehmen und auch bei Entlastung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass bei einer solchen Struktur gerade in diesem Bereich der Energieaufnahme die durch die Struktur auf ein Objekt übertragene Kraft auf einen bestimmten Wert begrenzt ist. In diesem Bereich wird daher nur eine bestimmte maximale Kraft auf das Objekt übertragen. Es kommt zu einer Dämpfung. Die erfindungsgemäße Struktur erlaubt es daher, dass die Struktur um eine bestimmte Wegstrecke nachgeben kann, ohne dass eine erhöhte Kraft durch die Struktur übertragen wird. Erst wenn die Vorsprünge keine Energie mehr aufnehmen können, verhält sich die erfindungsgemäße Struktur analog zu einer massiven Schicht. Auf diese Weise erlaubt die Struktur die Kontaktierung mit einem deutlich höheren Toleranzbereich als eine massive Schicht.
Dies gilt auch, wenn eine Vorrichtung ohne weitere Schicht verwendet wird. Die Kraft wirkt dann direkt auf die Vorsprünge, welche die Energie entsprechend aufnehmen.
Die Größe dieser innerhalb dieses Toleranzbereichs übertragenen maximalen Kraft kann durch die verwendeten Materialien und den Aufbau der Struktur, z.B. Anzahl, Form und Aspektverhältnis der Vorsprünge, festgelegt werden. Im einfachsten Fall berechnet sich die limitierende Kraft aus der Euler-Bernoulli-Gleichung für die elastische Knickung: $F_{crit} = \frac{n^{2} π^{2} E I}{h^{2}}$
Mit dem Elastizitätmodul E, der Höhe des Vorsprungs h, dem Flächenträgheitsmoment I, das proportional zu d⁴ ist, wobei d den Durchmesser eines Vorsprungs bezeichnet, und einer numerischen Konstante n. Für eine genauere Rechnung muss dieser Ausdruck noch mit den Flächenanteil der Pillars multipliziert werden.
Die Erfindung betrifft daher eine Kontaktierungsvorrichtung umfassend die erfindungsgemäße Struktur, wobei die erfindungsgemäße Struktur zum Kontaktieren einer Oberfläche dient. Die erfindungsgemäße Struktur erlaubt es, dass beim Kontaktieren der Oberfläche eine größere Krafttoleranz möglich ist. So kann insbesondere eine Kraft bis zur maximalen Kraft, toleriert werden, welche nicht zu einer Verringerung der Adhäsionskraft führt. Dies reduziert auch die auf das kontaktierte Objekt übertragene Kraft. Dies wirkt sich auch darauf aus, mit welcher Geschwindigkeit bezogen auf die Kontaktierungsvorrichtung Objekte kontaktiert werden, so dass es zu einer Trockenadhäsion kommt.
Die Kontaktierungsvorrichtung kann auch mehrere zusammenwirkende erfindungsgemäße Strukturen aufweisen, um beispielsweise ein Objekt gleichzeitig mit mehreren erfindungsgemäßen Strukturen zu kontaktieren.
Bevorzugt handelt es sich um eine Greifvorrichtung umfassend die erfindungsgemäße Struktur. Gerade bei Greifvorrichtungen kann es leicht zu einer zu starken Belastung des Objekts kommen, insbesondere wenn die Greifvorrichtung manuell bedient werden. Die Greifvorrichtung kann beispielsweise eine Pinzette, eine Zange, eine Klemme oder ein Stempel sein.
Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Struktur können so weniger präzise Vorrichtungen zur Handhabung von empfindlichen Objekten verwendet werden, insbesondere mit der weiteren Schicht.
Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Struktur weist abhängig von der weiteren Schicht außerdem optional eine steuerbare Adhäsion auf, sodass zusätzlich zur Dämpfung auch eine Adhäsion des Objekts an der Kontaktierungsvorrichtung erreicht werden kann. Die erfindungsgemäße Struktur verliert auch bei Verbiegen nicht ihre Adhäsion.
Die bevorzugt als Film ausgebildete weitere Schicht verbindet die verschiedenen Vorsprünge. Der Film selbst kann dabei verschiedene Schichten umfassen, wobei die äußerste Schicht, welche auf der den Vorsprüngen abgewandten Seite die Oberfläche des Films bildet, einen geringeren Elastizitätsmodul als die Vorsprünge aufweist. Diese Schicht bildet die Schicht, auf welche im Falle der Krafteinwirkung die Kraft einwirkt.
In senkrechter Richtung umfasst die bevorzugte erfindungsgemäße Struktur an der Position eines Vorsprungs daher ausgehend von der Trägerschicht mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul, nämlich mindestens den Vorsprung und die darauf angeordnete weitere Schicht. Diese weitere Schicht und die Stirnfläche eines Vorsprungs bilden eine Grenzfläche zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul. Abhängig von dem Herstellungsverfahren können die Grenzflächen auch dünne Schichten von Verbindungshilfsmitteln umfassen.
Innerhalb eines Bereichs ist der Elastizitätsmodul bevorzugt konstant.
Ein Vorsprung selbst kann auch noch weitere Bereiche aufweisen, welche einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul aufweisen. In diesem Fall bezieht sich der geringere Elastizitätsmodul der weiteren Schicht immer auf den Bereich des Vorsprungs mit dem höchsten Elastizitätsmodul.
Die in einer bevorzugten Ausführungsform vorhandene weitere Schicht weist einen geringeren Elastizitätsmodul auf als der Vorsprung, auf dem sie angeordnet ist. Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass die äußerste Schicht der Struktur besonders weich ist. Dadurch ist die Schicht elastischer und kann sich besser auch an raue und/oder weiche Oberflächen anpassen.
Bei einer insgesamt sehr weichen Struktur kann sich diese auch sehr gut an gekrümmte Oberflächen anpassen.
Die erfindungsgemäßen Strukturen zeigen besonders gute Adhäsion an Oberflächen mit einer Rautiefe R_z von mindestens 30 µm, bevorzugt mindestens 40 µm, insbesondere in direktem Vergleich zu glatten Oberflächen mit einer Rautiefe von 0,1 µm. Die Struktur zeigt daher eine besonders gute Adhäsion an Oberflächen mit einer Rautiefe Rz von bis zu 100 µm, insbesondere bis zu 80 µm, ganz besonders bis zu 70 µm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Grenzfläche zwischen weiterer Schicht und Stirnfläche parallel zur Oberfläche der weiteren Schicht bezogen auf den jeweiligen Vorsprung.
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis der minimalen senkrechten Dicke der weiteren Schicht oberhalb des Vorsprungs im Verhältnis zur Höhe des Vorsprungs weniger als 3, bevorzugt weniger als 1, insbesondere weniger als 0,5, insbesondere weniger als 0,3. Dadurch wirken sich die Vorsprünge unterhalb der Schicht besonders stark auf die Adhäsion aus. Das optimale Verhältnis kann auch vom Verhältnis der Elastizitätsmodule, sowie der Geometrie der Grenzfläche abhängen.
Die minimale senkrechte Dicke der weiteren Schicht kann auch von der Verwendung der Struktur abhängen.
Die vorteilhaften Parameter für Elastizitätsmodul, Größenverhältnis und Geometrie der Grenzfläche können durch Simulationen und Messungen bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge auf der Trägerschicht säulenartig ausgebildet. Dies bedeutet, dass es sich um bevorzugt senkrecht zur Trägerschicht 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 aufspannt, 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, können es aber sein.
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 bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Stamm des Vorsprungs bezogen auf seinen mittleren Durchmesser ein Aspektverhältnis von Höhe zu Durchmesser von 1 bis 100, bevorzugt von 1 bis 10, besonders bevorzugt von 1,5 bis 5 auf.
In einer Ausführungsform liegt das Aspektverhältnis bei größer 1, bevorzugt bei mindestens 1,5, bevorzugt bei mindestens 2, bevorzugt bei 1,5 bis 15, besonders bevorzugt bei 2 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.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt das Verhältnis der Höhe eines Vorsprungs zum Durchmesser bei einer bestimmten Höhe über die gesamte Höhe des Vorsprungs immer bei 1 bis 100, bevorzugt bei 1 bis 10, besonders bevorzugt bei 1,5 bis 5. In einer Ausführungsform liegt dieses Aspektverhältnis bei mindestens 2, bevorzugt bei 2 bis 5. Dabei wird unter Durchmesser der Durchmesser des Kreises verstanden, der die gleiche Fläche wie der entsprechende Querschnitt des Vorsprungs bei der bestimmten Höhe aufweist.
Die Vorsprünge können verbreiterte Stirnflächen aufweisen, sogenannte „mushroom“-Strukturen. Es ist auch möglich, dass die weitere Schicht über die Stirnfläche hinausragt und so eine „mushroom“-Struktur bildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Vorsprünge keine verbreiterten Stirnflächen auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die senkrechte Höhe aller Vorsprünge in einem Bereich von 1 µm bis 2 mm, bevorzugt 10 µm bis 1 mm, insbesondere 10 µm bis 500 µm, bevorzugt in einem Bereich von 10 µm bis 300 µm.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die gesamte senkrechte Dicke der weiteren Schicht umfassend alle enthaltenen Schichten oberhalb einer Stirnfläche in einem Bereich von 1 µm bis 1 mm, bevorzugt 1 µm bis 500 µm, insbesondere 1 µm bis 300 µm, bevorzugt in einem Bereich von 1 µm bis 200 µm, insbesondere in einem Bereich von 5 µm bis 100 µm, ganz besonders 5 µm bis 60 µm.
Bevorzugt weist die weitere Schicht bezogen auf mind. 50 % der Projektion der Grundfläche eines Vorsprungs auf die Oberfläche der weiteren Schicht eine senkrechte Dicke in dem vorstehenden Bereich oder einem der bevorzugten Bereiche auf. Bevorzugt ist die Dicke auch die durchschnittliche Dicke der gesamten weiteren Schicht über die gesamte Struktur.
Die kleinste Dicke der weiteren Schicht oberhalb eines Vorsprungs ist bevorzugt immer kleiner als die maximale senkrechte Höhe des Vorsprungs.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die senkrechte Dicke der Trägerschicht (Backinglayer) in einem Bereich von 1 µm bis 2 mm, bevorzugt 20 µm bis 500 pm, insbesondere 20 µm bis 150 µm. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Trägerschicht 20 bis 60 µm.
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 10 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, bzw. die Oberfläche der weiteren Schicht, 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.
In einer weiteren Ausführungsform ist die verbreiterte 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, ganz besonders weniger als 500 µm oder weniger als 150 µm. Dabei wird der Abstand als die kürzeste Entfernung zwischen zwei Vorsprüngen verstanden.
Die Vorsprünge sind bevorzugt regelmäßig periodisch angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Vorsprünge eine Höhe von 5 bis zu 500 µm, bevorzugt bis zu 400 µm auf. Die weitere Schicht weist oberhalb der Stirnflächen eine gesamte senkrechte Dicke von 3 bis 100 µm auf. Der mittlere Abstand der säulenförmigen Vorsprünge liegt zwischen 1 und 50 µm, insbesondere 5 und 50 µm. Die Dicke der Trägerschicht liegt zwischen 30 und 200 µm, insbesondere 50 und 200 µm. Der Durchmesser liegt abhängig vom Abstand der Vorsprünge bei 5 bis 100 µm. Bevorzugt sind die Vorsprünge hexagonal angeordnet.
Besonders bevorzugt liegt die Dichte der Vorsprünge bei 10000 bis 1000000 Vorsprüngen/cm².
Die gesamte Dicke der Struktur umfassend soweit vorhanden die weitere Schicht, die Vorsprünge und die Trägerschicht liegt bevorzugt zwischen 50 µm und 500 µm. Die Dicke der einzelnen Bestandteile wird entsprechend angepasst.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die gesamte Dicke der Struktur zwischen 40 und 150 µm, insbesondere 40 und 90 µm. Bei dieser dünnen Struktur ist es bevorzugt, dass die Vorsprünge mindestens 30 % der gesamten Höhe der Struktur einnehmen, bevorzugt mindestens 40 %.
Die Elastizitätsmodule aller Bereiche des Vorsprungs und der optionalen weiteren Schichten liegen bevorzugt bei 40 kPa bis 2,5 MPa. Bevorzugt liegt der Elastizitätsmodul von weichen Bereichen, d. h. insbesondere der weiteren Schicht mit geringerem Elastizitätsmodul, bei 40 kPa bis 800 kPa, bevorzugt 50 kPa bis 500 kPa, besonders bevorzugt 50 bis 150 kPa. Bevorzugt liegt davon unabhängig der Elastizitätsmodul der Bereiche mit hohem Elastizitätsmodul, z. B. der Vorsprünge sowie z. B. der Trägerschicht, bei 1 MPa bis 2,5 MPa, bevorzugt bei 1,2 MPa bis 2 MPa. Bevorzugt liegen für alle weicheren und härteren Bereiche die Elastizitätsmodule in den vorstehend angegebenen Bereichen (gemessen mit Nanointender).
Das Verhältnis der Elastizitätsmodule zwischen dem geringsten Elastizitätsmodul und dem Bereich mit dem höchsten Elastizitätsmodul liegt bevorzugt bei unter 1:100, insbesondere bei unter 1:80, bevorzugt bei unter 1:70, davon unabhängig mindestens bei 1:2, bevorzugt mindestens 1:3.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Elastizitätsmodul der Vorsprünge und der Trägerschicht, sowie gegebenenfalls ein Bereich der weiteren Schicht, bei 1 MPa bis 2,5 MPa, bevorzugt bei 1,2 MPa bis 2 MPa, während für die Bereiche mit geringerem Elastizitätsmodul der Elastizitätsmodul bei 40 kPa bis 800 kPa, bevorzugt 50 kPa bis 500 kPa, besonders bevorzugt bei 50 bis 150 kPa liegt (gemessen mit Nanointender).
Die Verwendung eines so weichen Materials für die Vorsprünge und die Trägerschicht erlaubt die Herstellung von dickeren aber elastischeren Strukturen, welche ähnliche Adhäsionswerte aufweisen wie steifere Strukturen, während sie aber deutlich flexibler sind. Durch das Verbinden über einen Film werden die Vorsprünge zusätzlich stabilisiert. So wird verhindert, dass die weichen Vorsprünge kollabieren. Gleichzeitig sind dickere Strukturen einfacher herzustellen und leichter handhabbar.
Durch die Stabilisierung durch einen Film wird auch die Struktur selbst stabilisiert. Dies ist beispielsweise wichtig, wenn die Struktur neben der Adhäsion auch Zugkräfte parallel zur Kontaktfläche aushalten soll. Beispielweise beim Aufbringen auf zu schließende Wunden oder Verletzungen von Trommelfellen. Dies erlaubt darüber hinaus eine Verringerung des Elastizitätsmoduls der Vorsprünge und der Trägerschicht, ohne Verlust der Stabilität, insbesondere der Vorsprünge.
In einer weiteren Ausführungsform beschreiben die vorstehend angegebenen Verhältnisse das Verhältnis der Elastizitätsmodule der weiteren Schicht (weich) und der Vorsprünge (hart).
Außerdem ist diese Schicht einfach sauber, bzw. steril, zu halten, da sich keinerlei Verschmutzung in den Zwischenräumen ansammeln kann. Insbesondere bei der Verwendung auf dem Trommelfell wird dadurch eine Infektionsbarriere gegen Mikroorganismen aufgebaut. Darüber hinaus führt diese „Abdichtung“ auch zu einer Verbesserung der Hörleistung bei perforiertem Trommelfell.
Dadurch erscheint die Oberfläche der Struktur in dieser Ausführungsform geschlossen und einheitlich. Dadurch kann sie auch einfacher modifiziert werden, um für Anwendungen angepasst zu werden. Eine Behandlung der Oberfläche wirkt sich dann nicht auf die Strukturierung innerhalb der Beschichtung aus.
So kann die Oberfläche mit bekannten Verfahren funktionalisiert oder behandelt werden.
Die Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen innerhalb der Struktur sind bevorzugt nicht ausgefüllt. Es ist auch möglich, dass die Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen ausgefüllt sind, wobei das Material einen geringeren Elastizitätsmodul als die Vorsprünge und die Trägerschicht aufweist.
Die Vorsprünge können aus vielen unterschiedlichen Materialien bestehen, bevorzugt sind Elastomere, besonders bevorzugt vernetzbare Elastomere. Die Bereiche mit höherem Elastizitätsmodul können auch Duroplaste umfassen.
Die Vorsprünge sowie die weitere Schicht können daher folgende Materialien umfassen:

epoxy- und/oder silikonbasierte Elastomere, 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 Styrol-Butadien-Kautschuk, CR Chloropropen-Kautschuk, NBR Nitril-Kautschuk, 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.

Es kann sich auch um Hydrogele, beispielsweise auf Basis von Polyurethanen, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenoxid, Poly-2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonsäure, Silikonen, Polyacrylamiden, hydroxylierten Polymethacrylaten oder Stärke, handeln.
Bevorzugt sind epoxy- und/oder silikonbasierte Elastomere, Polyurethan(meth)acrylate, Polyurethane, Silikone, Silikonharze (wie UV-härtbares PDMS), Polyurethan(meth)acrylate, Kautschuk (wie EPM, EPDM).
Besonders bevorzugt sind vernetzbare Silikone wie beispielsweise Polymere auf Basis Vinyl-terminierter Silikone.
Insbesondere für die weitere Schicht, welche in Kontakt mit der Oberfläche steht, sind von den vorstehend genannten die epoxy- und/oder silikonbasierte Elastomere, Polyurethan(meth)acrylate, Polyurethane, Silikone, Silikonharze (wie UV-härtbares PDMS), Polyurethan(meth)acrylate, Kautschuk (wie EPM, EPDM), insbesondere vernetzbare Silikone wie beispielweise Polymere auf Basis Vinyl-terminierter Silikone, bevorzugt.
Es können auch die vorstehend genannten Hydrogele oder druckempfindliche Klebstoffe für die weitere Schicht verwendet werden.
Bevorzugt ist die weitere Schicht eine viskoelastische Schicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die weitere Schicht mindestens eine Schicht mit einem höheren Elastizitätsmodul (hart), bevorzugt dem Elastizitätsmodul der Vorsprünge, sowie darauf die Schicht mit dem geringeren Elastizitätsmodul. Die untere Schicht (Stützschicht) stabilisiert die Schicht mit dem geringeren Elastizitätsmodul (Adhäsionsschicht). Dadurch können für diese Schicht besonders weiche Materialien genommen werden, ohne dass die Schicht zwischen den Vorsprüngen einsinkt.
In dieser Ausführungsform liegen die Dicke der Stützschicht zwischen 1 und 100 µm und die Dicke der Adhäsionsschicht zwischen 5 und 100 µm, bevorzugt liegen die Dicke der Stützschicht zwischen 1 und 50 µm und die Dicke der Adhäsionsschicht zwischen 10 und 50 µm, ganz besonders bevorzugt ist die Stützschicht zwischen 1 und 20 µm dick und die Adhäsionsschicht zwischen 1 und 20 µm dick.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die weitere Schicht nur einen geringeren Elastizitätsmodul auf (Adhäsionsschicht). Zwar kommt es dann zu einem gewissen Einsinken der Schicht zwischen den Vorsprüngen, aber aufgrund der hohen Elastizität der Schicht ist eine Anpassung an raue Oberflächen immer noch sehr gut möglich.
In dieser Ausführungsform liegt die Dicke der weiteren Schicht zwischen 5 und 100 µm, bevorzugt zwischen 10 und 50 µm.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Oberfläche der weiteren Schicht behandelt. Dadurch können die Eigenschaften der Oberfläche beeinflusst werden. Dies kann durch physikalische Behandlung wie Plasmabehandlung, bevorzugt mit Ar/O₂-Plasma, geschehen.
Es können auch kovalente oder nicht kovalente Bindungen zu Additiven auf der Oberfläche ausgebildet werden, beispielsweise um eine bestimmte Kompatibilität mit den Zellen zu erreichen. Bevorzugt sind Additive zur Unterstützung der Zelladhäsion, wie z. B. Poly-L-Lysin, Poly-L-Ornithin, Collagen oder Fibronectin. Solche Additive sind aus dem Bereich der Zellkultur bekannt.
Andere Modifikationen sind die Beschichtung mit fluorierten Gruppen, wie Fluorsilanen oder das Aufbringen von Metallschichten, beispielsweise durch Bedampfung. Als Metalle kommen dabei insbesondere Edelmetalle wie, Gold, Silber und Platin, in Betracht.
Gerade bei der Anwendung im medizinischen Bereich kann es auch vorteilhaft sein, Stoffe in mindestens einen Teil der Struktur einzulagern, welche dann langsam abgegeben werden. Dies können beispielsweise Arzneimittel, wie Antibiotika sein, oder auch Hilfsstoffe zur Unterstützung der Zelladhäsion oder des Zellwachstums.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Vorsprünge und die Trägerschicht aus dem gleichen Material.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die weitere Schicht mit dem geringeren Elastizitätsmodul von der Struktur ablösbar ausgeführt, bevorzugt ist die gesamte weitere Schicht der Struktur ablösbar. Ablösbar bedeutet dabei, dass insbesondere keine kovalenten Bindungen zwischen der ablösbaren Schicht und der restlichen Struktur bestehen, beispielsweise zwischen den Vorsprüngen und der weiteren Schicht. Die Bindung basiert nur auf nichtkovalenten Bindungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die weitere Schicht ausgehend von den Stirnflächen, eine Schicht mit geringem Elastizitätsmodul zur Bindung an die Stirnflächen, eine Stützschicht, sowie die Schicht mit geringerem Elastizitätsmodul zur Adhäsion an eine Oberfläche.
Die innere Schicht mit geringerem Elastizitätsmodul dient zur Adhäsion an die Vorsprünge und ist nur durch die Adhäsionskräfte verbunden. Dadurch ist es möglich, dass der Teil der Struktur mit den Vorsprüngen abgetrennt und wiederverwendet werden kann.
Durch den Kontakt mit der Oberfläche wird die äußerste Schicht der Struktur leicht verschmutzt und kann daher nach dem Ablösen nicht wiederverwendet werden, beispielsweise bei medizinischen Anwendungen. Wenn die weitere Schicht mit dieser Schicht einfach ausgetauscht werden kann, kann der Teil der Struktur mit den Vorsprüngen einfach wiederverwendet werden, indem nur eine neue weitere Schicht aufgebracht wird. Eine beschichtete Stützschicht ist einfacher herzustellen, als der Teil der Struktur mit den Vorsprüngen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die weitere Schicht ablösbar und weist ausgehend von den Vorsprüngen folgenden Aufbau auf: innere Adhäsionsschicht, Stützschicht und äußere Adhäsionsschicht. Die innere Stützschicht dient zur Stabilisierung der ablösbaren weiteren Schicht, um ein Abreißen beim Ablösen zu vermeiden. Auch ist die Schicht dann besser handhabbar. Die Adhäsionsschicht zu den Vorsprüngen hin sorgt für eine Adhäsion der weiteren Schicht an die Vorsprünge.
In dieser Ausführungsform weist die weitere Schicht eine gesamte Dicke von 50 bis 300 µm auf, bevorzugt 50 bis 150 µm.
Bevorzugt ist dabei eine Dicke der inneren Adhäsionsschicht von 5 bis 100 µm, bevorzugt 10 bis 50 µm. Davon unabhängig weist die Stützschicht eine Dicke von 5 bis 100 µm, bevorzugt von 10 bis 50 µm auf. Davon unabhängig weist die äußere Adhäsionsschicht eine Dicke von 10 bis 50 µm auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Elastizitätsmodul der Stützschicht bei 1 MPa bis 2,5 MPa, bevorzugt bei 1,2 MPa bis 2 MPa, während die Adhäsionsschichten einen Elastizitätsmodul von 40 kPa bis 800 kPa, bevorzugt 50 kPa bis 500 kPa, besonders bevorzugt 50 bis 150 kPa aufweisen.
Die Maße der Mikrostruktur entsprechen den vorstehenden Angaben für die anderen Ausführungsformen.
Diese Ausführungsform mit der ablösbaren weiteren Schicht erlaubt es auch, eine Mikrostruktur aus einem steiferen Material zu verwenden und ebenfalls eine verbesserte Adhäsion zu erreichen.
Bevorzugt liegt bei dieser Ausführungsform der Elastizitätsmodul der Vorsprünge und der Trägerschicht bei 1 MPa bis 4 MPa, bevorzugt 1 MPa bis 3 MPa, besonders bevorzugt bei 1 MPa bis 2,5 MPa, insbesondere bevorzugt bei 1,2 MPa bis 2 MPa.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Struktur noch weitere Schichten, welche gegebenenfalls ablösbar sind. So können die Oberflächen durch ablösbare Folien vor dem Einsatz geschützt werden. Auch können weitere stabilisierende Schichten auf der Trägerschicht angeordnet sein.
Die Trägerschicht weist bevorzugt eine geringere Dicke als die maximale Höhe der auf ihr angeordneten Vorsprünge auf.
Da die Trägerschicht, wenn sie aus dem gleichen Material wie die Vorsprünge besteht, ein Material mit einem höheren Elastizitätsmodul umfasst, kann mit der Dicke der Trägerschicht auch die Elastizität der gesamten Struktur beeinflusst werden.
Die erfindungsgemäße Struktur ist bevorzugt zur Adhäsion auf weichen Substraten ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Struktur ist insbesondere zur Adhäsion auf biologischen Geweben ausgebildet. Dazu kann sie beispielsweise als Folie ausgeführt sein. Sie kann auch in Kombination mit zu befestigenden Vorrichtungen ausgeführt sein. Dies können beispielsweise Verbandsmaterialen sein, aber auch Elektroden oder andere medizinische Vorrichtungen, wie Implantate, insbesondere Implantate, welche nicht dauerhaft an Knochen verankert werden sollen, oder weiche Implantate. Dies können beispielsweise Irisimplantate sein. Die Erfindung betrifft daher auch ein Implantat umfassend eine erfindungsgemäße Struktur, beispielsweise auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Implantats.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer vorstehend genannten Struktur zur Adhäsion auf biologischen Geweben. Dies können beliebige Gewebe sein, wie Haut, aber auch innere Gewebe, wie Organoberflächen, Oberflächen von Wunden oder Trommelfelle. Bei der Anbringung auf Haut kann dies gesundes oder geschädigtes Gewebe sein. Die Struktur kann zur Befestigung, wie zum Beispiel für Sensoren, Verbände, Pflaster, Infusionen oder ähnliches eingesetzt werden. Die Struktur kann aber auch auf geschädigtes Gewebe aufgebracht werden, wie oberflächliche Verletzungen, wie Wunden, Brandwunden, Druckstellen, chronische Wunden oder ähnliches. Die Struktur erlaubt die Kombination einer gut verträglichen Oberfläche bei gleichzeitiger Adhäsion auf dem biologischen Gewebe. Die Struktur kann so auch als Wachstumssubstrat für die Zellkultivierung oder für das neue zu bildende Gewebe dienen. Auch kann durch die innere offene Struktur der Struktur Flüssigkeit abfließen oder Luft zirkulieren.
Durch die Adhäsion der Struktur haftet die Struktur sehr gut an der Oberfläche des Trommelfells und erlaubt es sogar, unter Spannung aufgebracht zu werden, oder Spannung aufzubringen. Aufgrund ihrer Struktur haftet sie auch auf den umgebenden Geweben und nicht nur auf dem Trommelfell. Gegebenenfalls kann die derart ausgebildete Struktur unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlicher Adhäsion umfassen. Dies kann beispielsweise über das Material, die Schichtdicke der weiteren Schicht, aber auch einfach durch die Verteilung der Vorsprünge innerhalb der Struktur erfolgen.
Durch ihre innere Strukturierung haftet die Struktur gut an dem Gewebe, auf das sie aufgebracht wird. Dies kann neben dem Trommelfell auch das umgebende Gewebe sein. Es wird kein flüssiger Bestandteil zum Aufbringen der Struktur benötigt, welcher in das Ohr hineinfließen kann.
Die Struktur kann abhängig von den verwendeten Materialien auch transparent sein, sodass ohne Ablösen der Zustand des Gewebes unterhalb der Struktur untersucht werden kann, beispielsweise um die Verheilung festzustellen.
Die Struktur kann einfach wieder abgelöst werden.
Vor dem Einsatz kann die Struktur auch physikalisch oder chemisch behandelt werden, bevorzugt zur Sterilisation. Dies kann beispielsweise eine Autoklavierung sein, beispielsweise durch Heißluftsterilisation oder Wasserdampfsterilisation bei 50 bis 200 °C, insbesondere 100 bis 150 °C, bei einem Druck von 1 bis 5 bar für 5 Minuten bis 3 Stunden. Bei einer solchen Autoklavierung (121 °C, 2 bar, 20 Minuten) konnte keine signifikante Veränderung der Haftspannung beobachtet werden.
Weitere Verfahren zur Sterilisation sind beispielsweise Gammastrahlen oder Ethylenoxidsterilisation (ETO).
In einer weiteren Ausführungsform kann die Oberfläche beispielsweise mit Poly-L-Lysin, Poly-L-Ornithin, Collagen, Fibronectin, Gelatine, Laminine, Keratin, Tenascin oder Perlecan behandelt werden. Solche Additive sind aus dem Bereich der Zellkultur bekannt.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der erfindungsgemäßen Struktur als Dämpfungselement.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der erfindungsgemäßen Struktur in einer Kontaktierungsvorrichtung, insbesondere einer Greifvorrichtung.
Abhängig von der Verwendung der Greifvorrichtung und deren Ausbildung, kann auch die oberste Schicht mit einem geringeren Elastizitätsmodul mit einer weiteren dünnen Beschichtung versehen sein. Dies kann beispielsweise auch eine dünne Metallschicht, beispielsweise, Gold, Silber oder Platin sein. Diese kann beispielsweise durch Bedampfung aufgebracht werden.
Oberfläche kann aber auch durch Oberflächenmodifikation, Plasmabehandlung so angepasst werden, dass insbesondere die adhäsiven Eigenschaften reduziert werden. Oberflächenmodifikation umfasst beispielsweise Modifikation mit fluorierten Gruppen, beispielsweise Fluorsilanen.
Die erfindungsgemäße Struktur wird bevorzugt zur Kontaktierung von Objekten verwendet. Sie ist bevorzugt auf einer Oberfläche angeordnet. Sie ist daher bevorzugt Teil einer Vorrichtung.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zu dem Abbremsen von Objekten, insbesondere von Weltraumschrott umfassend eine erfindungsgemäße Struktur. Durch den Toleranzbereich der Struktur können Objekte größerer Geschwindigkeitsdifferenz auf die Struktur einwirken und ggf. in ihr haften bleiben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die weitere Schicht bevorzugt eine viskoelastische Schicht. Dann ist es auch möglich, dass die Objekte diese Schicht durchschlagen und in der Trägerschicht stecken bleiben. Die viskoelastische Schicht schließt sich bei kleinen Objekten wieder und kann so einfach regeneriert werden. Größere Objekte bleiben an der Schicht haften.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Struktur.
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.
Dazu wird in einem ersten Schritt ein Templat zur Abformung der Vielzahl an Vorsprüngen bereitgestellt.
In dieses Templat wird das Material für die Vorsprünge eingebracht, bevorzugt als Flüssigkeit. Gegebenenfalls kann das Material auch bereits mindestens teilweise gehärtet werden.
Danach wird das Material für die Trägerschicht, d.h. die Oberfläche, auf der die Vorsprünge angeordnet sind, auf das Templat aufgebracht und gehärtet. Besonders bevorzugt ist dies das gleiche Material wie für die Stämme der Vorsprünge, so die Trägerschicht und die Stämme auch in einem Schritt hergestellt werden, beispielsweise, indem direkt eine größere Menge an Material eingebracht wird.
In einem nächsten Schritt werden die Trägerschicht und die Vorsprünge aus dem Templat gelöst.
Es kann notwendig sein, das Templat vor dem Befüllen zu inertisieren, beispielsweise durch Fluorsilane.
Des Weiteren kann es notwendig sein, die Vorsprünge aufzurichten, beispielsweis durch mechanische Einwirkung wie Streichen oder Bürsten.
Außerdem wird das Material für eine der weiteren Schichten auf einer Oberfläche verteilt, beispielsweise durch Spin coating. Danach wird diese Schicht gehärtet. Dies kann mehrfach mit unterschiedlichen Materialien wiederholt werden.
Zur Anbindung an die Vorsprünge wird härtbares Material auf die oberste Schicht aufgebracht und verteilt, beispielsweise durch Spin coating. Dann wird die Mikrostruktur mit den Vorsprüngen so auf diese Schicht gelegt, dass die Stirnflächen die Schicht kontaktieren. Danach wird die gesamte Struktur gehärtet. Dadurch wird die weitere Schicht fest mit den Vorsprüngen verbunden. Danach wird die Struktur von der Oberfläche gelöst.
Abhängig von Material und Struktur kann es erforderlich sein, zwischen dem Auftragen der verschiedenen Materialien eine Plasmabehandlung durchzuführen, bevorzugt Sauerstoffplasma oder Luftplasma. Dadurch kann die Beeinflussung der unterschiedlichen Schichten bei der Härtung minimiert werden. Auch wird die Haftung verbessert.
Es kann auch erforderlich sein, die Stirnflächen der Mikrostruktur vor dem Auflegen einer Plasmabehandlung zu unterziehen. Wenn beispielsweise die Kontaktfläche der Mikrostruktur besonders klein ist.
Gerade wenn die erste Schicht, die aufgetragen wird sehr weich ist, kann es zu Problemen beim Ablösen kommen.
In einer weiteren Ausführungsform wird auf ein Releaseliner eine Schicht aus dem Material für die weitere Schicht aufgetragen und gehärtet. Bei diesem Verfahren wird daher zuerst die weitere Schicht auf einem Releaseliner aufgetragen und gegebenenfalls gehärtet. Danach werden abhängig von der Art der Struktur, welche hergestellt wird, weitere Schichten aufgetragen. Dies können weitere weiche Schichten oder auch Stützschichten sein. Die Schichten können jeweils gehärtet werden.
Danach wird die Mikrostruktur aufgebracht. Es kann erforderlich sein, dass vorher eine nicht gehärtete Schicht aufgebracht wird, welche dann erst nach dem Aufbringen der Mikrostruktur gehärtet wird.
Bei dem Releaseliner handelt es sich bevorzugt um Materialien mit einer Beschichtung aus fluorierten Silikonen oder fluorierten Silanen. Es kann sich beispielsweise um eine Folie mit einer entsprechenden Beschichtung handeln.
Der Releaseliner sollte eine möglichst glatte Oberfläche aufweisen, da jede Unebenheit auf der obersten Schicht abgeformt wird.
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.
Dieses Projekt wurde im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 842614" ERC-2018-PoC durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union finanziert.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt. Im Einzelnen zeigt:

1 Aufnahme einer erfindungsgemäßen Struktur (1: Epoxidsubstrat mit Hautrauigkeit; 2: Toplayer MG1010; 3: Pillarstrukturen; 4: Backinglayer);
2 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Struktur (links) und einer Referenzprobe mit gleicher Dicke (rechts, Referenz 1);
3 Messung der Druckvorspannung (Preload Stress) im Verhältnis zur relativen Auslenkung; Die Ziffern bezeichnen die unterschiedlichen Phasen; Das Substrat ist EVR;
4 Aufnahmen der erfindungsgemäßen Struktur zu den unterschiedlichen Phasen aus 3;
5 Schematische Darstellung verschiedener Proben;
6 Messung der Druckvorspannung (A1) und Ablösespannung (A2) relativ zur Auslenkung für verschiedene Proben gegen ein raues Substrat; Vorsprünge entsprechen 5c.
7 Messung der Druckvorspannung (B1) und Ablösespannung (B2) relativ zur Auslenkung für verschieden Proben gegen ein glattes Substrat;
8 Schematische Darstellung der Messvorrichtung.

1 zeigt eine Aufnahme einer erfindungsgemäßen Struktur umfassend ein Backinglayer 4, die Vorsprünge 3, auf denen ein Toplayer aus MG1010 3 angeordnet ist. Die Vorrichtung ist in Kontakt mit einem Substrat 1. Diese ist ein Epoxidsubstrat mit Hautrauigkeit.
Zur Herstellung der Struktur wurde zunächst eine Struktur mit Vorsprüngen hergestellt. Zunächst wurde eine Silikonabformung eines entsprechend geformten Wafers hergestellt. Diese weist ein Negativ für eine Struktur mit hexagonal regelmäßig angeordneten säulenförmigen Vorsprüngen mit einem Durchmesser von 60 µm und einer Höhe von 180 µm auf. Der Wafer (Siliziumwafer) wird in einer Petrischale platziert und mit dem Material für die Form der Mikrostruktur gefüllt (PDMS, Elastosil M4601 B A/B, Wacker, Riemerling, Deutschland; Verhältnis 9:1 nach Gewicht). Nach Entgasen wird eine Glasscheibe aufgelegt und mindestens für 2 Stunden bei 75 °C gehärtet. Die gehärtete Form wird dann abgetrennt. Der Wafer weist die spätere Mikrostruktur auf.
Die hergestellte Form wurde mit Fluorsilan ((Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)trichlorsilan, 40 µL Lösung, 97 %) unter Vakuum (2 mbar) silanisiert.
Zur Herstellung des Films wird das Soft skin adhesive elastomer (MG7-1010 Dow Corning, USA; 1:1) auf einen Releaseliner (Siliconature, SILFLU S 50 M 1R8802 Clear) aufgetragen und bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten ein Spin coating durchgeführt, um unterschiedliche Dicken zu erhalten (jeweils für 120 s). Der Film wird danach für 1 Stunde bei 95 °C gehärtet. Die erhaltenen Filme hatten eine Dicke von 30 µm.
Zum Verbinden der Struktur wird ein MDX-4 Film (4000 rpm/120 s) auf eine Glasplatte aufgetragen und die vorher hergestellte Mikrostruktur mit den Stirnflächen ihrer Vorsprünge darin eingetaucht. Diese Struktur wird dann auf den MG7-1010-Film platziert und im Ofen bei 95 °C für eine Stunde gehärtet.
2 zeigt schematische Darstellungen zweier in den Versuchen verwendeter Substrate. Das erfindungsgemäße Substrat weist ein Backinglayer aus MDX4 und einer Dicke von 80 µm auf. Die Vorsprünge sind aus dem gleichen Material und haben eine Höhe von 180 µm. Darauf ist eine Schicht aus MG7-1010 mit einer Dicke von 30 µm.
Als Vergleich wurde außerdem Referenz 1 hergestellt. Bei dieser Struktur entspricht die Dicke der MDX4-Schicht der Dicke des Backing layers und der Vorsprünge. Auf dieser Schicht ist eine MG7-1010-Schicht angeordnet, welche ebenfalls 30 µm dick ist. Beide Proben sind in 2 dargestellt.
Beide Proben wurden gegen einen Intender als Substrat mit einer kreisförmigen Kontaktfläche von 7.26 mm² vermessen, welches eine Epoxyabformung von Vitroskin mit einer mittleren Rauheit von Ra 13 µm war. Dieses Substrat wurde als EVR bezeichnet.
8 zeigt einen schematischen Aufbau der Messapparatur. In der Grafik beschreibt s die Position des Tisches in z-Richtung. Der Tisch fährt in positive z-Richtung, damit Probe und Substrat in Kontakt kommen. Sobald eine bestimmte Druckvorspannung erreicht wurde, wird die Position für eine definierte Haltezeit gehalten. Die Messgrößen, wie die induzierten Kräfte, werden mittels einer Kraftmessdose erfasst und sind von einem Bildschirm ablesbar. Die Probe wird mithilfe eines Klebesubstrats auf einem Glasobjektträger befestigt, der mit einer Schraubenvorrichtung an der Probenhalterung auf dem Tisch befestigt wird. Um die Probenposition zu variieren, kann der Tisch mitsamt der Probe auch in x- und y-Richtung verschoben werden. Die Lage und der Kontakt der Probe können mittels optischer Elemente, wie das Prisma, Kamera 1 und 2 beobachtet und justiert werden.
Der Tisch wurde in positive z-Richtung mit einer Anfahrtsgeschwindigkeit von 30 µm/s auf das Substrat zu bewegt, bis eine Druckvorspannung von 70 ± 20 mN (beziehungsweise 10 ± 4 kPa) eingestellt war. Nachdem der Kontakt von Probe zum Substrat für eine definierte Haltezeit von entweder einer oder dreißig Sekunden aufrechtgehalten wurde, wurde die Probe vom Substrat abgelöst. Dafür wurde der Tisch mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 10 µm/s in negative z-Richtung gefahren. Der Messaufbau beinhaltet eine Kraftmessdose (max. 3N, Tedea-Huntleigh 1004, Vishay Precision Group, Basingstoke,GB), die auf das Erfassen niedriger Ablösekräfte ausgerichtet ist. Vom System wurden die induzierten Normalkräfte F in z-Richtung relativ zur Zeit t und zur Position des Tisches s_z aufgezeichnet. In die Probenhalterung wurde zur optischen Erfassung der Probenposition und damit der Kontakt zwischen Probe und Substrat beobachtet werden konnte, ein Prisma integriert. Dieses ermöglichte es mithilfe zweier Kameras (Kamera 1 und 2) (DMK23UX236, The Imaging Source, Deutschland) die Messungen an einem Computerbildschirm zu verfolgen und aufzuzeichnen. Zur Justage der Kontaktfläche zwischen Probe und Testsubstrat wurde ein Goniometer verwendet.
Die Probe und das Substrat wurden mit einer Geschwindigkeit von 30 µm/1 aufeinander zubewegt, bis zu einer bestimmten maximalen Kraft, entsprechend eine bestimmten Druckvorspannung.
3 zeigt in verschiedenen Messungen, welche Druckvorspannung jeweils gemessen wurde, wenn der Intender jeweils um 10 µm weiter auf die Probe eindringt (relative Auslenkung). Jeder Punkt ist eine einzelne Messung. Jede Probe wurde an drei verschiedenen Positionen vermessen (Die Fehlerbalken entsprechen der Standardabweichung).
4 zeigt Aufnahmen der erfindungsgemäßen Struktur innerhalb der jeweiligen Kreise in der 3. In Bereich 1 ( 4 ) ist die Probe und das Substrat in Kontakt. Aufgrund des viskoelastischen Films passt sich die Kontaktfläche an die Rauheit des Intenders an. In Bereich 2 (4 und ) führt die zunehmende Kompression zu einer Beugung und Knickung der Vorsprünge innerhalb der Struktur. Dadurch steigt die gemessene Druckvorspannung nicht weiter an. Dies ist ein krafttoleranter Bereich, d.h. bei zunehmendem Druck bleibt die gemessene Druckvorspannung konstant. In Bereich 3 (4 ) sind die Vorsprünge völlig gebeugt und der krafttolerante Bereich endet. In Bereich 4 ( 4, ) steigt die Druckvorspannung ähnlich der Referenzstruktur (Referenz 1) an. Die gepresste Struktur verhält sich wie ein unstrukturierter Festkörper.
5 zeigt eine schematische Darstellung von weiteren Strukturen. Die oberen beiden Proben entsprechend den Strukturen aus 2. Als dritte Struktur wird eine Struktur mit Vorsprüngen ohne aufgebrachten Film verwendet. Das Material ist MDX4.
Als Substrat wurde wieder EVR verwendet. Als zweites Substrat wurde eine Abformung mit einer Rauheit ähnlich von Glas (Ra 0,01 µm) und einer Fläche von 6,1 mm² verwendet.
Die Strukturen wurden mit 30 µm/s aufeinander zubewegt bis eine bestimmte maximale Kraft entsprechend einer bestimmten Druckvorspannung erreicht wurde (6 A1 für EVR und 7 B1 für das Glassubstrat). Jeder der Punkte zeigt das Ergebnis einer Messung. Die Auslenkung wurde für jede Messung um 10 µm erhöht.
Für die Adhäsionsmessung (6, A2 und 7 B2) wurde die Probe nach 1 Sekunde Haltezeit mit einer Geschwindigkeit von 10 µm/s bis zur vollständigen Ablösung vom Substrat wegbewegt. Die Ablösekraft wurde gemessen und in eine maximale Ablösespannung in Relation zur Kontaktfläche umgerechnet. Jede Probe wurde an drei verschiedenen Positionen vermessen (Die Fehlerbalken entsprechen der Standardabweichung). Die Probe „Vorsprünge“ ist das System der Erfindung ohne terminale Schicht.
Aus den Messungen ist gut zu erkennen, dass die erfindungsgemäßen Proben einen krafttoleranten Bereich aufweisen. In diesem Bereich nimmt der Druck auf das Substrat bei zunehmender Auslenkung nicht mehr zu. Gleichzeitig ist zu erkennen, dass die gemessene Adhäsion auch in diesem Bereich relativ konstant ist. Die Eulerknickung führt daher im Gegensatz zu den Vorsprüngen nicht dazu, dass die Adhäsion abnimmt oder nur sehr schlecht ist. Dies vergrößert den krafttoleranten Bereich.
Die kritische Belastung (P_b), bei welcher sich Vorsprünge beginnen zu knicken, lässt sich durch die Euler-Bernoulli-Gleichung für säulenförmigen Vorsprünge abschätzen: $P_{b} = n * α π^{2} E I / h^{2}$
Dabei steht E für den Elastizitätsmodul, I = πr⁴/4 ist das zweite Trägheitsmoment eines säulenförmigen Vorsprungs mit Radius r, h ist die Höhe eines Vorsprungs und α ist eine Konstante und kann für Vorsprünge mit zwei befestigten Enden mit dem Wert 1 angenommen werden (α entspricht der Konstante n² der vorherigen Formel). Für die Probe in 3 mit ca. 582 Vorsprüngen in 7,26 mm² und einem Elastizitätsmodul von MDX4 von 1,9 MPa, I mit 6,26 × 10^-7 mm⁴ und eine Höhe von 180 µm ergibt sich ein Pb von 214,2 mN, was einer Druckvorspannung von 28,41 kPa entspricht. Dies korrespondiert sehr gut mit dem Beginn des krafttoleranten Bereichs von 28,415 kPa, der experimentell bestimmt wurde. Die Ausführungsform mit der weiteren Schicht ermöglicht es somit, eine Kraft jenseits der limitierenden Kraft der Euler-Bernoulli-Gleichung ohne Verlust der Adhäsion zu tolerieren.
Filmterminierte Systeme weisen gegenüber reinen Vorsprüngen eine verbesserte Adhäsion, insbesondere auf rauen Oberflächen auf. Beim Ablösen können die Vorsprünge einen Teil der Energie aufnehmen. Beim Ablösen zeigt sich, dass die Referenzprobe eine lineare Zunahme der Ablösespannung, abhängig von der Auslenkung aufweist. Für erfindungsgemäße Probe zeigt dagegen einen sehr steilen Anstieg in Abhängigkeit von der relativen Auslenkung. Im krafttoleranten Bereich bis zu einer relativen Auslenkung von ca. 100 µm, nimmt die Ablösespannung in Abhängigkeit von der angewandten Kompression stark zu. Selbst im Bereich jenseits des krafttoleranten Bereichs, nimmt die Ablösespannung, wenn auch schwächer, zu.
Für die Probe mit reinen Vorsprüngen zeigt sich, dass die angewandte Kompression zu einer starken Abnahme der Adhäsion führt. Allerdings ist ebenfalls ein krafttoleranter Bereich in Bezug auf die Vorspannung messbar.
Wie in den 6 und 7 gezeigt, ist die Referenzprobe auf dem glatten Substrat etwas besser.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei Belastung einer erfindungsgemäßen Probe über den reinen Kontakt hinaus, die auf das Substrat wirkende Belastung in einem Bereich konstant bleibt. Durch die Stabilisierung durch den Film, mit dem die Vorsprünge bevorzugt fest verbunden sind, bleibt die Struktur bei Belastung stabilisiert und kollabiert nicht. Durch die Wahl des Materials des Films und der Vorsprünge und des Backing layers, sowie dem Aspektverhältnis der Vorsprünge, können die Eigenschaften der Struktur beeinflusst werden. Bei Kompression können die Vorsprünge durch Beugung Energie speichern. Zusammen mit einem viskoelastischem Film wird eine sehr gute Adhäsion an rauen Substraten erzielt. Beim Ablösen wird die gespeicherte Energie im Gegensatz zu Referenzproben vorteilhaft freigesetzt, sodass die Haftung der Struktur verbessert wird. Dies deutet auf einen synergetischen Effekt aus einem Zusammenwirken von Vorsprüngen und Film hin. Die Vorsprünge führen zu einem dämpfenden Effekt, welcher dazu führt, dass bei zunehmender einwirkender Kraft, die auf das Substrat wirkende Kraft konstant bleibt. Allerdings weist die Struktur mit Film einen größere Krafttoleranz auf.
Alle Proben konnten mehrfach belastet werden, ohne dass es zu einer Ablösung des Films kam.

Claims

Struktur umfassend eine Trägerschicht, wobei auf dieser Trägerschicht eine Vielzahl von Vorsprüngen angeordnet ist, die mindestens jeweils einen Stamm mit einer von der Oberfläche wegweisenden Stirnfläche umfassen.
Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Stirnfläche mindestens eine weitere Schicht angeordnet ist, welche als Film ausgebildet ist, wobei diese Schicht als Oberfläche mindestens eine Schicht umfasst, welche einen geringeren Elastizitätsmodul aufweist als der jeweilige Vorsprung.
Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge ein Aspektverhältnis von größer 1 aufweisen.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul der Vorsprünge sowie der Trägerschicht bei 1 MPa bis 2,5 MPa liegt und der Elastizitätsmodul der Schicht mit geringerem Elastizitätsmodul bei 40 kPa bis 800 kPa liegt.
Kontaktierungsvorrichtung umfassend eine Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Kontaktierungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsvorrichtung mehrere zusammenwirkende Strukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
Kontaktierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsvorrichtung eine Greifvorrichtung ist.
Verwendung der Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Dämpfungselement.
Vorrichtung zum Abbremsen von Objekten umfassend eine Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4.