EP3731688A1 - Formkörper mit strukturierter oberfläche zur reversiblen adhäsion - Google Patents

Formkörper mit strukturierter oberfläche zur reversiblen adhäsion

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EP3731688A1
EP3731688A1 EP18825587.1A EP18825587A EP3731688A1 EP 3731688 A1 EP3731688 A1 EP 3731688A1 EP 18825587 A EP18825587 A EP 18825587A EP 3731688 A1 EP3731688 A1 EP 3731688A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
projections
shaped body
adhesion
shaped
detachment
Prior art date
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Pending
Application number
EP18825587.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eduard Arzt
Karsten Moh
Martin Schmitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innocise GmbH
Original Assignee
Innocise GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Innocise GmbH filed Critical Innocise GmbH
Publication of EP3731688A1 publication Critical patent/EP3731688A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
    • C09J7/00—Adhesives in the form of films or foils
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/07—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of multiple interengaging protrusions on the surfaces, e.g. hooks, coils
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
    • C09J201/00—Adhesives based on unspecified macromolecular compounds
    • C09J201/02—Adhesives based on unspecified macromolecular compounds characterised by the presence of specified groups, e.g. terminal or pendant functional groups
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B47/00—Suction cups for attaching purposes; Equivalent means using adhesives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
    • C09J2301/00—Additional features of adhesives in the form of films or foils
    • C09J2301/30—Additional features of adhesives in the form of films or foils characterized by the chemical, physicochemical or physical properties of the adhesive or the carrier
    • C09J2301/31—Additional features of adhesives in the form of films or foils characterized by the chemical, physicochemical or physical properties of the adhesive or the carrier the adhesive effect being based on a Gecko structure

Definitions

  • the invention relates to a molded body with a structured surface for the reversible adhesion of objects or on surfaces and methods for detachment of such structures.
  • the molding can be easily detached again from the objects or surfaces.
  • the molecular adhesion between two objects can be enhanced or controlled by fiber-like surface structures.
  • This principle is known as gecko effect. If a structured elastomer surface is pressed with a certain pressure force against a comparatively flat surface, van der Waals interactions can form.
  • the reverible liability ie the possibility of switching attachment and detachment, is also known from nature.
  • shear adhesion ie adhesion in the direction of the substrate / obj ektoberflache used who should.
  • normal adhesion ie an adhesion force perpendicular to the object surface, the detachment must be initiated differently.
  • Adhesive structures and the object surface to vary selectively in order to switch between adhesion (large contact area) and detachment (small contact surface) and thus the selective detachment to he possible.
  • E is the modulus of elasticity
  • I is the area inertia model
  • L is the length (height) of the projection
  • n is a factor in front of the mechanical clamping of the projection.
  • the object of the invention is to provide a structure which, in particular in the case of normal adhesion, enables a simple selective detachment, and a method for detaching such structures.
  • the object is achieved by a shaped body having a structured surface, wherein the surface has a structuring which comprises a multiplicity of projections (pillars) which each have at least one stem and comprise an end face pointing away from the surface. With this end face the projections come into contact with the surface of the adherent object.
  • the modulus of elasticity of the projections is constant, but may also have an axial or lateral gradient.
  • protrusions with an aspect ratio of less than 10 can be detached particularly easily. So these projections can be deformed by a shearing load parallel to the adhesive surface. The projections are deformed depending on their bending stiffness (E * I). This also reduces the adhesive force and removes the structure. It does not depend on the Scherfes activity of the adhesive bond, but the deformation of the
  • Structures leads to a reduction in the adhesion force. Structures which are easily bent can easily be removed by this mechanism.
  • the shear stress caused by any movement parallel to the surface who the. This can be a linear motion or a rotation.
  • the advantage of shear release is that pressure does not have to be applied perpendicular to the adhesive surface, such as by Euler buckling.
  • the protrusions of the structured surface of the invention are columnar trained like. This means that it is preferably formed perpendicular to the surface protrusions, wel che have a trunk and an end face, wherein the stem and the end face Kings have any cross section NEN (for example, circular, oval, rectangular, square, diamond-shaped, hexagonal, pentagonal, etc.).
  • NEN cross section
  • the projections are formed so that the perpendicular right projection of the end face on the base of the jump ahead with the base surface forms an overlap surface, where at the overlap surface and the projection of the overlap surface on the end face spans a body which lies completely within the projection ,
  • the overlap surface comprises at least 50% of the base area, preferably at least 70% of the base area, particularly preferably the overlapping area comprises the entire base area.
  • the projections are therefore preferably not inclined, but it can be.
  • the end face is paral lel aligned with the base surface and the surface. If the faces are not aligned parallel to the surface and therefore have different vertical heights, the vertical height of the face is considered to be the vertical height of the face.
  • the end face of the projections is larger than the base surface.
  • the stem of the projection based on its average diameter, an aspect ratio of height to diameter of 1 to 10, preferably be from 1 to 5, more preferably between 1 and 3. In one embodiment, the aspect ratio is up to 5, in particular up to 3.
  • Such structures can not be solved without high load for the object on the Euler buckling from.
  • the average diameter is understood to be the diameter of the circle which has the same area as the corresponding cross section of the projection, averaged over the entire height of the projection.
  • the Ver ratio of the vertical height of a projection to the diameter at a certain height over the entire height of the projection is always from 1 to 10, preferably from 1 to 5, more preferably between 1 and 3. In one embodiment this aspect ratio up to 5, in particular up to 3. This also applies to the minimum diameter of the projections. This is relevant if the projections have a minimum and a maximum diameter, for example, in the case of an oval base.
  • the projections may have widened end faces, so-called “mushroom” structures.
  • the end faces of the projections may themselves be structured to increase their surface area.
  • the average vertical height of the end face is considered as the vertical height of the projections.
  • the vertical height of all projections in a range of 1 ym to 10 mm, preferably 1 ym to 5 mm, in particular 1 ym to 2 mm, preferably in a range of 1 ym to 2 mm.
  • the base area of the surface corresponds to a circle with a diameter between 0.1 ym to 5 mm, preferably 0.1 ym and 2 mm, in particular before given to 1 ym and 500 ym, more preferably between 1 ym and 450 yards.
  • the base area is a circle having a diameter between 0.3 .mu.m and 2 mm, preferably 1 .mu.m and 450 .mu.m, preferably 10 to 450 .mu.m.
  • the average diameter of the strains is preferably between 0.1 .mu.m to 5 mm, preferably 0.1 .mu.m and 2 mm, in particular preferably between 1 .mu.m and 450 .mu.m, preferably 10 .mu.m to 450 .mu.m.
  • the height and the median diameter are adjusted according to the preferred aspect ratio.
  • structures according to the invention have a diameter of 300 to 500 ym, with a vertical height of 600 ym to 2.5 mm, wherein the aspect ratio does not exceed 10, preferably 5.
  • structures according to the invention have a diameter of 10 to 100 ym, with a vertical height of 20 ym to 500 ym, wherein the aspect ratio does not exceed 7, preferably 5.
  • these may be structures having a diameter of 300 ym to 500 ym and a height of 700 ym to 1500 ym, for example a diameter of 400 ym at a height of 800 ym or 1200 ym.
  • these may be structures with a diameter of 10 ym to 100 ym and a height of 10 ym to 100 ym, wherein the aspect ratio of 7, preferably 5 is not exceeded.
  • These are, for example, structures with a diameter of 10 ym to 60 ym and a height of 30 ym to 60 ym, preferably 15 ym to 50 ym diameter at a height of 40 ym to 50 ym. Just such small projections with low aspect ratio can be steep in a simple way ago.
  • the surface of the end face of a projection is at least 1.01 times, preferably at least 1.4 times as large as the area of the base of a projection. It may be greater by a factor of 1.01 to 20, for example.
  • the end face is between 5% and 100% larger than the base area, particularly preferably between 10% and 50% of the base area.
  • the distance between two projections is less than 2 mm, in particular less than 1 mm.
  • the projections are preferably arranged periodically periodically.
  • the modulus of elasticity of all regions of the projection is preferably 50 kPa to 3 GPa.
  • the modulus of elasticity of soft regions ie in particular the region comprising the end face, is 50 kPa to 20 MPa, preferably 100 kPa to 10 MPa.
  • the Young's modulus of the high modulus ranges is independently 1 MPa to 3 GPa, preferably 2 MPa to 1 GPa. Preference is for all softer and harder areas, the elastic moduli in the above ranges.
  • the modulus of elasticity of the regions of the projection decreases towards the end face.
  • the elasticity of the projections can also on the hardness of the material used, preferably an elastomer defined who the.
  • the projections may be made of many different materials, preferably elastomers, more preferably ther moplastic elastomers. For higher moduli of elasticity also thermosets can be used.
  • the protrusions may therefore comprise the following materials: epoxy- and / or silicone-based elastomers, thermoplastic elastomers (TPE), polyurethanes, epoxy resins, acrylate systems, methacrylate systems, polyacrylates as homo- and copolymers, polymethacrylates as homopolymers and copolymers (PMMA, AMMA acryl nitrile / methyl methacrylate), polyurethane (meth) acrylates, silicones, silicone resins, rubber such as R rubber (NR natural rubber, IR poly-isoprene rubber, BR butadiene rubber, SBR styrene-butadiene rubber, CR chloroprene rubber, NBR nitrile - Rubber) M rubber (EPM ethene-propene rubber, EPDM ethylene-propylene rubber), unsaturated polyester resins, Formalde hyd resins, vinyl ester resins, polyethylenes as homo- or Copoly mers, and mixtures
  • polyurethane (meth) acrylates are polyurethane methacrylates, polyurethane acrylates, and mixtures and / or copolymers thereof.
  • epoxy- and / or silicone-based elastomers Preference is given to epoxy- and / or silicone-based elastomers, polyurethane (meth) acrylates, polyurethanes, silicones, silicone resins (such as UV-curable PDMS), polyurethane (meth) acrylates, rubber (such as EPM, EPDM).
  • the textured surface may also have protrusions capable of shear adhesion. This can assist the adhesion when the molding is rotated with the object adhering to it in space, so that additional forces, eg.
  • the invention also relates to an arrangement comprising at least two of the shaped bodies according to the invention, which are arranged so that they can kontak animals side by side kontak a common surface, and which are also individually at least lateally slidable to the common surface.
  • the invention also relates to a process for the reversible adhesion of a shaped body according to the invention or an arrangement of shaped bodies on a surface.
  • the molding is at least la teral shifted relative to the surface. It may be necessary to fix for the surface, or the object with the water surface, so that it can come to a relative movement of the molding BeWe.
  • the relative lateral displacement may be linear, i. the shaped body is laterally displaced in one direction.
  • the relative lateral displacement can also be circular.
  • the molded body is rotated relative to the surface GE. This rotation makes the load on the object smoother.
  • the molded article can be used again for contacting a surface and thus for dry-adhesive adhesion.
  • a surface is contacted with the end faces of an assembly comprising at least two shaped bodies according to the invention.
  • the contact is chosen so that the shaped body bind with approximately the same adhesive force to the surface.
  • the moldings do not have to contact the surface directly next to each other. They can also be arranged at different points of the surface.
  • the object does not or only slightly fixed who the. Also, this method is particularly suitable for sensitive objects. Also, the forces acting on the object are only small. For example, in the case of two moldings both can be moved in opposite directions.
  • the movement of the molding or the molding of an order further components have, for example vertically away from the surface or a rotating movement, for example, a simultaneous running rotating movement with one or more axis of rotation (n) parallel to the surface.
  • the rotation is preferably carried out so that it does not come to a compression of protrusions.
  • the moldings can be moved in a game on a circular path.
  • moldings of an arrangement can also be rotated or pushed ver.
  • the detachment movement and also the shape and elasticity of the jumps depends on the adhesive force to be achieved and on the sensitivity of the surface and the object.
  • the method according to the invention with the molding according to the invention offers possibilities for selective adhesion and detachment without great stress on the object. Also, with this procedural ren objects are addressed, which device via a conventional suction can not be taken without further action.
  • area information always includes all - not mentioned - intermediate values and all imaginable subintervals.
  • FIG. 1 Schematic representation of a form of the invention body
  • FIG. 2 Schematic representation of the adhesion to a Oberflä surface
  • FIG. 3 Schematic representation of the detachment
  • Fig. 4 Schematic representation of an embodiment of the invention
  • FIG. 5 Schematic representation of an embodiment of the invention
  • Figure 1 shows a schematic representation of a erfindungsge MAESSEN molding 100.
  • the molded body 100 has on the upper surface 130 a plurality of projections 110, which end surfaces 120 have.
  • FIG. 2 shows how a shaped body 100 according to the invention is contacted with the surface 140 of an object 150 (top).
  • the object 150 is now bonded to the shaped body 100.
  • FIG. 3 shows the sequence of an embodiment of the detachment of an object 150 from the shaped body 100.
  • the shaped body 100 is moved laterally relative to the object 150 (arrow, top).
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the invention.
  • the molded body 200 which is structured according to the invention, is thereby rotated relative to the object 250. This also leads to a shear stress and detachment via bending of the projections.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the invention.
  • the object 250 is contacted by a plurality of shaped bodies 202 and 204, which are structured in accordance with the invention. These shaped bodies 202 and 204 are moved relative to the surface of the object 250. The movement is chosen so that the resulting moment, which is transmitted to the object, is as low as possible. In the example, both moldings are moved in the opposite direction. This leads to detachment via bending of the projections.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Formkörper mit einer strukturierten Oberfläche zur reversiblen Adhäsion an Oberflächen umfassend Vorsprünge mit einem Aspektverhältnis von bis zu 10. Diese Struktur lässt sich durch laterale Bewegung einfach von der Oberfläche ablösen.

Description

Formkörper mit strukturierter Oberfläche zur reversiblen Adhä sion
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Formkörper mit strukturierter Oberfläche zur reversiblen Adhäsion von Objekten oder an Ober flächen sowie Verfahren zur Ablösung solcher Strukturen. Der Formkörper kann auf einfache Weise wieder von den Objekten oder Oberflächen abgelöst werden.
Stand der Technik
Die molekulare Haftung zwischen zwei Objekten kann durch faser artige Oberflächenstrukturen verstärkt bzw. gesteuert werden. Dieses Prinzip ist als Gecko-Effekt bekannt. Wird eine struktu rierte Elastomer-Oberfläche mit einer bestimmten Andruckkraft gegen eine vergleichsweise flache Oberfläche gedrückt, können sich van der Waals Wechselwirkungen ausbilden. Auch die rever sible Haftung, d.h. die Möglichkeit, Anhaftung und Ablösung ge zielt zu schalten, ist aus der Natur bekannt. Während jedoch der Gecko die Ablösung durch ein Abschälen 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-/Obj ektoberflache genutzt wer den soll. Bei sogenannter Normalhaftung, also einer Haftkraft senkrecht zur Objektoberfläche, muss das Ablösen anders initi iert werden.
Ziel ist es, die effektive Kontaktflache zwischen den
Haftstrukturen und der Objektoberfläche gezielt zu variieren, um zwischen Haftung (große Kontaktfläche) und Ablösung (geringe Kontaktfläche) zu schalten und so das selektive Ablösen zu er möglichen .
Bekannt ist, dass bei Verwendung von Strukturen mit hohem As pektverhältnis, z. B. > 3, zur Ablösung von einem Substrat die sogenannte Euler-Knickung verwendet werden kann. Es ist be kannt, dass die Verringerung der Kontaktfläche durch Knicken von Vorsprüngen unter Druckbelastung herbeigeführt werden kann. Bei ausreichender Druckbelastung führt eine elastische Instabi lität zum Abknicken der Vorsprünge. Dies wird auch als Euler- Knickung bezeichnet. Die kritische Kraft beträgt:
F = C r /L)2El
Dabei ist E der Elastizitätsmodul, I das Flächenträgheitsmo dell, L ist die Länge (Höhe) des Vorsprungs und n ist ein Vor faktor in Abhängigkeit von der mechanischen Einspannung des Vorsprungs. Das Flächenträgheitsmoment bei einer zylindrischen Struktur beträgt /= nd4/6 . Daraus ergibt sich folgender Zusam menhang: Vorsprünge mit großer Höhe, geringem Durchmesser oder geringem Elastizitätsmodul knicken bei geringeren Kräften als Vorsprünge mit kurzer Länge, großem Durchmesser oder hohem Elastizitätsmodul. Dabei kommt es durch zusätzlichen Druck in Richtung des Objekts zur Verknickung der Struktur und damit zur Verringerung der Kontaktflache mit der Oberfläche. Nachteilig ist dabei, dass die Strukturen ein hohes Aspektverhältnis auf weisen müssen. Daher sind sie schwierig herzustellen und neigen zur Instabilität. Außerdem ist abhängig vom Objekt ein Druck in Objektrichtung zum Ablösen bei empfindlichen Objekten nachtei lig .
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Struktur bereitzustellen, welche, insbesondere bei Normalhaftung, eine einfache selektive Ablösung ermöglicht, sowie ein Verfahren zur Ablösung solcher Strukturen .
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 Kombinati onen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
Die Aufgabe wird durch einen Formkörper mit einer strukturier ten Oberfläche gelöst, wobei die Oberfläche eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vorsprüngen (Pillars) umfasst, die mindestens jeweils einen Stamm aufweisen und eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche umfassen. Mit dieser Stirn fläche treten die Vorsprünge in Kontakt mit der Oberfläche des haftenden Objekts. Bevorzugt ist der Elastizitätsmodul der Vorsprünge konstant, kann aber auch einen axialen oder lateralen Gradienten aufwei sen .
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass Vorsprünge mit ei nem Aspektverhältnis von unter 10 besonders leicht abgelöst werden können. So können diese Vorsprünge durch eine Scherbe lastung parallel zur Haftfläche deformiert werden. Die Vor sprünge werden abhängig von ihrer Biegesteifigkeit (E*I) ver formt. Dadurch wird ebenfalls die Adhäsionskraft verringert und die Struktur abgelöst. Dabei kommt es nicht auf die Scherfes tigkeit der Haftverbindung an, sondern die Verformung der
Strukturen führt zur Verringerung der Adhäsionskraft. Struktu ren, welche sich leicht verbiegen lassen, sind durch diesen Me chanismus leicht ablösbar. Die Scherbelastung kann durch eine beliebige Bewegung parallel zur Oberfläche hervorgerufen wer den. Dies 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 mittels der Euler-Knickung.
So ist es bei diesen Strukturen möglich, sie durch Verschieben der strukturierten Oberfläche parallel zur Oberfläche des Ob jekts zu verbiegen, so dass die Stirnflächen sich von der Ober fläche ablösen und die Haftung reduziert wird.
Unter der senkrechten Höhe der Stirnfläche wird der Abstand der Stirnfläche zu der Oberfläche verstanden, auf der die Vorsprün ge angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge der strukturierten Oberfläche der Erfindung säulen- artig ausgebildet. Dies bedeutet, dass es sich um bevorzugt senkrecht zur Oberfläche ausgebildete Vorsprünge handelt, wel che einen Stamm und eine Stirnfläche aufweisen, wobei der Stamm und die Stirnfläche einen beliebigen Querschnitt aufweisen kön nen (beispielsweise kreisförmig, oval, rechteckig, quadratisch, rautenförmig, sechseckig, fünfeckig, etc.).
Bevorzugt sind die Vorsprünge so ausgebildet, dass die senk rechte Projektion der Stirnfläche auf die Grundfläche des Vor sprungs mit der Grundfläche eine Überlappungsfläche bildet, wo bei die Überlappungsfläche und die Projektion der Überlappungs fläche auf die Stirnfläche einen Körper aufspannt, welcher vollständig innerhalb des Vorsprungs liegt. In einer bevorzug ten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Überlappungsflä che mindestens 50 % der Grundfläche, bevorzugt mindestens 70 % der Grundfläche, besonders bevorzugt umfasst die Überlappungs fläche die gesamte Grundfläche. Die Vorsprünge sind daher be vorzugt nicht geneigt, können es aber sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stirnfläche paral lel 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 1 bis 10, be vorzugt von 1 bis 5, besonders bevorzugt zwischen 1 und 3 auf. In einer Ausführungsform liegt das Aspektverhältnis bei bis zu 5, insbesondere bei bis zu 3. Solche Strukturen können nicht ohne hohe Belastung für das Objekt über die Euler-Knickung ab gelöst werden.
Unter dem mittleren Durchmesser wird dabei der Durchmesser des Kreises verstanden, der die gleiche Fläche wie der entsprechen de Querschnitt des Vorsprungs aufweist, gemittelt über die ge samte Höhe des Vorsprungs.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt das Ver hältnis der senkrechte Höhe eines Vorsprungs zum Durchmesser bei einer bestimmten Höhe über die gesamte Höhe des Vorsprungs immer bei 1 bis 10, bevorzugt bei 1 bis 5, besonders bevorzugt zwischen 1 und 3. In einer Ausführungsform liegt dieses Aspekt verhältnis bei bis zu 5, insbesondere bei bis zu 3. Bevorzugt gilt dies auch für den minimalen Durchmesser der Vorsprünge. Dies ist dann relevant, wenn die Vorsprünge beispielsweise bei ovaler Grundfläche einen minimalen und einen maximalen Durch messer aufweisen.
Die Vorsprünge können verbreiterte Stirnflächen aufweisen, so genannte „mushroom"-Strukturen .
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 ym bis 10 mm, bevorzugt 1 ym bis 5 mm, insbesondere 1 ym bis 2 mm, bevorzugt in einem Bereich von 1 ym bis 2 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Grundfläche von der Fläche her einem Kreis mit einem Durchmesser zwischen 0,1 ym bis 5 mm, bevorzugt 0,1 ym und 2 mm, insbesondere bevor zugt zwischen 1 ym und 500 ym, besonders bevorzugt zwischen 1 ym und 450 ym. In einer Ausführungsform ist die Grundfläche ein Kreis mit einem Durchmesser zwischen 0,3 ym und 2 mm, bevorzugt 1 ym und 450 ym, bevorzugt 10 bis 450 ym.
Der mittlere Durchmesser der Stämme liegt bevorzugt zwischen 0,1 ym bis 5 mm, bevorzugt 0,1 ym und 2 mm, insbesondere bevor zugt zwischen 1 ym und 450 ym, bevorzugt 10 ym bis 450 ym. Be vorzugt ist die Höhe und der mittlere Durchmesser entsprechend dem bevorzugten Aspektverhältnis angepasst.
Beispielsweise weisen erfindungsgemäße Strukturen einen Durch messer von 300 bis 500 ym auf, bei einer senkrechten Höhe von 600 ym bis 2,5 mm, wobei das Aspektverhältnis 10, bevorzugt 5, nicht überschreitet.
Beispielsweise weisen erfindungsgemäße Strukturen einen Durch messer von 10 bis 100 ym auf, bei einer senkrechten Höhe von 20 ym bis 500 ym, wobei das Aspektverhältnis 7, bevorzugt 5, nicht überschreitet .
In einer Ausführungsform können dies beispielsweise Strukturen mit einem Durchmesser von 300 ym bis 500 ym und einer Höhe von 700 ym bis 1500 ym, beispielsweise ein Durchmesser von 400 ym bei einer Höhe von 800 ym oder 1200 ym. In einer anderen Ausführungsform können dies Strukturen mit ei nem Durchmesser von 10 ym bis 100 ym und eine Höhe von 10 ym bis 100 ym sein, wobei das Aspektverhältnis von 7, bevorzugt 5 nicht überschritten wird. Dies sind beispielsweise Strukturen mit einem Durchmesser von 10 ym bis 60 ym und einer Höhe von 30 ym bis 60 ym, bevorzugt 15 ym bis 50 ym Durchmesser bei einer Höhe von 40 ym bis 50 ym. Gerade solche kleinen Vorsprünge mit geringem Aspektverhältnis lassen sich auf einfache Weise her steilen .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist bei verbreiterten Stirnflächen die Oberfläche der Stirnfläche eines Vorsprungs mindestens 1,01 mal, bevorzugt mindestens 1,4 mal so groß wie die Fläche der Grundfläche eines Vorsprungs. Sie kann bei spielsweise um den Faktor 1,01 bis 20 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 zwi schen zwei Vorsprüngen weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm.
Die Vorsprünge sind bevorzugt regelmäßig periodisch angeordnet.
Der Elastizitätsmodul aller Bereiche des Vorsprungs beträgt be vorzugt 50 kPa bis 3 GPa. Bevorzugt liegt der Elastizitätsmodul von weichen Bereichen, d. h. insbesondere des Bereich umfassend die Stirnfläche, bei 50 kPa bis 20 MPa, bevorzugt 100 kPa bis 10 MPa. Bevorzugt liegt davon unabhängig der Elastizitätsmodul der Bereiche mit hohem Elastizitätsmodul bei 1 MPa bis 3 GPa, bevorzugt 2 MPa bis 1 GPa. Bevorzugt liegen für alle weicheren und härteren Bereiche die Elastizitätsmodule in den vorstehend angegebenen Bereichen. Bevorzugt nimmt der Elastizitätsmodul der Bereiche des Vorsprungs zur Stirnfläche hin ab.
Die Elastizität der Vorsprünge kann auch über die Härte des verwendeten Materials, bevorzugt ein Elastomer, definiert wer den. Bevorzugt ist eine Härte von Shore-A 20 bis Shore-A 80, bevorzugt Shore-A 30 bis Shore-A 70, für das Material der Vor sprünge .
Die Vorsprünge können aus vielen unterschiedlichen Materialien bestehen, bevorzugt sind Elastomere, besonders bevorzugt ther moplastische Elastomere. Für höhere Elastizitätsmodule können auch Duroplaste verwendet werden.
Die Vorsprünge können daher folgende Materialien umfassen: epoxy- und/oder silikonbasierte Elastomere, thermoplastische Elastomere (TPE) , Polyurethane, Epoxidharze, Acrylatsysteme, Methacrylatsysteme, Polyacrylate als Homo- und Copolymere, Po- lymethacrylate als Homo- und Copolymere (PMMA, AMMA Acryl- nitril/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 Ethyl- en-Propylen-Kautschuk) , Ungesättigte Polyesterharze, Formalde hydharze, Vinylesterharze, Polyethylene als Homo- oder Copoly mere, sowie Mischung und Copolymere der vorgenannten Materia lien. 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 Po lyurethan (meth) acrylate für Polyurethanmethacrylate, Po- lyurethanacrylate, sowie Mischungen und/oder Copolymere davon.
Bevorzugt sind epoxy- und/oder silikonbasierte Elastomere, Po lyurethan (meth) acrylate, Polyurethane, Silikone, Silikonharze (wie UV-härtbares PDMS) , Polyurethan (meth) acrylate, Kautschuk (wie EPM, EPDM) .
Die strukturierte Oberfläche kann außerdem noch Vorsprünge auf weisen, welche zur Scherhaftung fähig sind. Dies kann die Haf tung unterstützen, wenn der Formkörper mit dem an ihm haftenden Objekt im Raum gedreht werden, so dass zusätzliche Kräfte, z.
B. Gravitationskräfte, auftreten, welche die Haftkraft des er findungsgemäßen Formkörpers beeinträchtigen könnten.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung umfassend mindestens zwei der erfindungsgemäßen Formkörper, welche so angeordnet sind, dass sie nebeneinander eine gemeinsame Oberfläche kontak tieren können, und welche außerdem individuell mindestens late ral zur gemeinsamen Oberfläche verschiebbar sind.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur reversiblen Adhäsion eines erfindungsgemäßen Formkörpers oder einer Anord nung von Formkörpern an einer Oberfläche.
Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrie ben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angege benen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen. Dazu werden Stirnflächen der Vorsprünge des erfindungsgemäßen Formkörpers mit der Oberfläche kontaktiert, so dass sich eine adhäsive Bindung zwischen Formkörper und Oberfläche ausbildet.
Zur Ablösung des Formkörpers wird der Formkörper mindestens la teral relativ zur Oberfläche verschoben. Es kann erforderlich sein, dafür die Oberfläche, beziehungsweise das Objekt mit die ser Oberfläche, zu fixieren, damit es zu einer relativen Bewe gung des Formkörpers kommen kann.
Durch diese Bewegung kommt es zu einer Biegung der Vorsprünge, was zur mindestens teilweisen Ablösung der Stirnflächen führt. Dies reduziert die zur Adhäsion beitragende Kontaktfläche und verringert die Haftkraft bis hin zur vollständigen Ablösung.
Die relative, laterale Verschiebung kann linear sein, d.h. der Formkörper wird in einer Richtung lateral verschoben.
Die relative, laterale Verschiebung kann auch kreisförmig er folgen. Dazu wird der Formkörper relativ zur Oberfläche ge dreht. Durch diese Rotation ist die Belastung des Objekts gleichmäßiger .
Aufgrund der Elastizität der Vorsprünge kann der Formkörper da nach erneut zur Kontaktierung einer Oberfläche und damit zur trockenadhäsiven Haftung verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Oberfläche mit den Stirnflächen einer Anordnung umfassend min destens zwei erfindungsgemäße Formkörper kontaktiert. Bevorzugt ist die Kontaktierung so gewählt, dass die Formkörper ungefähr mit gleicher Haftkraft an die Oberfläche binden. Die Formkörper müssen die Oberfläche nicht direkt nebeneinander kontaktieren. Sie können auch an verschiedenen Stellen der Oberfläche angeordnet sein.
Zur Ablösung ist es nun möglich, die einzelnen Formkörper der Anordnung jeweils relativ zur Oberfläche mindestens lateral zu bewegen. Dies erfolgt bevorzugt derart, dass das laterale, vek toriell auf die Oberfläche und damit auf das Objekt einwirkende Moment der Formkörper minimal, idealerweise gleich 0 ist.
Dadurch muss das Objekt nicht oder nur geringfügig fixiert wer den. Auch ist dieses Verfahren besonders für empfindliche Ob jekte geeignet. Auch sind die auf das Objekt wirkenden Kräfte nur gering. Bei zwei Formkörpern können beide beispielsweise in entgegengesetzte Richtungen bewegt werden.
Es ist auch möglich, dass zusätzlich zu der lateralen Komponen te die Bewegung des Formkörpers oder der Formkörper einer An ordnung weitere Komponenten aufweisen, beispielsweise senkrecht weg von der Oberfläche oder eine drehende Bewegung, zum Bei spiel eine gleichzeitig ausgeführte drehende Bewegung mit einer oder mehreren Drehachse (n) parallel zur Oberfläche. Dabei wird die Drehung bevorzugt so ausgeführt, dass es nicht zu einer Stauchung von Vorsprüngen kommt. Die Formkörper können bei spielweise auf einer kreisförmigen Bahn bewegt werden.
Durch die Drehung kann erreicht werden, dass sich die Stirnflä chen bestimmter Vorsprünge zuerst von der Oberfläche ablösen.
Bei einer Anordnung von Formkörpern müssen nicht alle Formkör per gleich bewegt werden.
Ebenso können Formkörper einer Anordnung auch rotiert oder ver schoben werden. Die Ablösebewegung und auch die Form und Elastizität der Vor sprünge hängt von der zu erreichenden Haftkraft und von der Empfindlichkeit der Oberfläche und des Objekts ab.
Gerade bei sehr kleinen und empfindlichen Bauteilen, wie Mikro chips, integrierte Schaltkreise, Displays oder Touchscreens, bietet das erfindungsgemäße Verfahren mit dem erfindungsgemäßen Formkörper Möglichkeiten zur selektiven Adhäsion und Ablösung ohne große Belastung des Objekts. Auch sind mit diesem Verfah ren Objekte adressierbar, welche über eine herkömmliche Saug vorrichtung nicht ohne weitere Maßnahmen aufgenommen werden können .
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfol genden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweili gen 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 darge stellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeich nen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
Fig. 1 Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Form körpers ;
Fig. 2 Schematische Darstellung der Adhäsion an eine Oberflä che ;
Fig. 3 Schematische Darstellung der Ablösung; Fig. 4 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Er findung;
Fig. 5 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Er findung;
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsge mäßen Formkörpers 100. Der Formkörper 100 weist auf der Ober fläche 130 eine Vielzahl von Vorsprüngen 110 auf, welche Stirn flächen 120 aufweisen.
Figur 2 zeigt, wie ein erfindungsgemäßer Formkörper 100 mit der Oberfläche 140 eines Objekts 150 kontaktiert wird (oben) . Dabei treten die Stirnflächen 120 der Vorsprünge 110 mit der Oberflä che 140 in Kontakt und haften aneinander. Das Objekt 150 ist nun an den Formkörper 100 gebunden.
Figur 3 zeigt den Ablauf einer Ausführungsform des Ablösens ei nes Objekts 150 vom Formkörper 100. Dazu wird der Formkörper 100 relativ zum Objekt 150 lateral bewegt (Pfeil, oben) .
Dadurch kommt es zu Spannung (en) in den Vorsprüngen 110 und zu einer Biegung der Vorsprünge 110. Dies führt zu einer partiel len Ablösung der Stirnflächen 120 von der Oberfläche 140 des Objekts 150. Dadurch reduziert sich die in Kontakt stehende Fläche der Stirnflächen 120 und die Haftkraft, mit der das Ob jekt 150 an den Formkörper 100 gebunden ist, wird reduziert, gegebenenfalls bis das Objekt 150 sich vollständig gelöst hat.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Der Formkörper 200, welcher gemäß der Erfindung strukturiert ist, wird dabei relativ zum Objekt 250 gedreht. Auch dadurch kommt es zu einer Scherbelastung und zur Ablösung über Biegung der Vorsprünge . Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei wird das Objekt 250 von mehreren Formkörpern 202 und 204, wel che gemäß der Erfindung strukturiert sind, kontaktiert. Diese Formkörper 202 und 204 werden relativ zur Oberfläche des Ob- jekts 250 bewegt. Die Bewegung ist dabei so gewählt, dass das resultierende Moment, welche auf das Objekt übertragen wird, möglichst gering ist. Im Beispiel werden beide Formkörper in entgegengesetzte Richtung bewegt. Dadurch kommt es zur Ablösung über Biegung der Vorsprünge.
BezugsZeichen Formkörper
Vorsprung
Stirnfläche
Oberfläche / Backinglayer / Rückschicht Oberfläche zur Adhäsion
Objekt
Formkörper
Formkörper
Formkörper
Objekt

Claims

Patentansprüche
1. Formkörper (100) mit einer strukturierten Oberfläche, welche eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vor sprüngen (110) umfasst, die mindestens jeweils einen Stamm auf weisen und eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche
(120) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (110) ein Aspektverhältnis von senkrechter Höhe und mittlerem Durchmesser von bis zu 10 aufweisen.
2. Anordnung umfassend mindestens zwei der erfindungsgemäßen Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese so angeordnet sind, dass sie nebeneinander eine gemeinsame
Oberfläche kontaktieren, und welche außerdem individuell min destens lateral zur gemeinsamen Oberfläche bewegbar sind.
3. Verfahren zur reversiblen Adhäsion eines Formkörpers nach Anspruch 1 oder einer Anordnung von Formkörpern nach Anspruch 2 an einer Oberfläche, umfassend folgende Schritte
a) Kontaktieren der Stirnflächen mit der Oberfläche, so dass sich eine adhäsive Bindung ausbildet.
b) Bewegen der Formkörper oder mindestens eines Formkörpers der Anordnung mindestens lateral relativ zur Oberfläche, so dass sich die Kontaktfläche zwischen Stirnflächen und Oberflä che durch Biegung der Vorsprünge verringert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Formkörper so bewegt werden, dass das durch das laterale Bewegen auf die Oberfläche einwirkende Moment minimal ist.
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