EP3731689A1 - Struktur mit verbesserter haftung - Google Patents

Struktur mit verbesserter haftung

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Publication number
EP3731689A1
EP3731689A1 EP18826297.6A EP18826297A EP3731689A1 EP 3731689 A1 EP3731689 A1 EP 3731689A1 EP 18826297 A EP18826297 A EP 18826297A EP 3731689 A1 EP3731689 A1 EP 3731689A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
backing layer
projections
thickness
layer
mold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18826297.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eduard Arzt
René HENSEL
Karsten Moh
Verena Nicola KÜMPER
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innocise GmbH filed Critical Innocise GmbH
Publication of EP3731689A1 publication Critical patent/EP3731689A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C09J9/00—Adhesives characterised by their physical nature or the effects produced, e.g. glue sticks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C39/00—Shaping by casting, i.e. introducing the moulding material into a mould or between confining surfaces without significant moulding pressure; Apparatus therefor
    • B29C39/02—Shaping by casting, i.e. introducing the moulding material into a mould or between confining surfaces without significant moulding pressure; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C39/10—Shaping by casting, i.e. introducing the moulding material into a mould or between confining surfaces without significant moulding pressure; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles incorporating preformed parts or layers, e.g. casting around inserts or for coating articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C39/00—Shaping by casting, i.e. introducing the moulding material into a mould or between confining surfaces without significant moulding pressure; Apparatus therefor
    • B29C39/02—Shaping by casting, i.e. introducing the moulding material into a mould or between confining surfaces without significant moulding pressure; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C39/026—Shaping by casting, i.e. introducing the moulding material into a mould or between confining surfaces without significant moulding pressure; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles characterised by the shape of the surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C2045/0094—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor injection moulding of small-sized articles, e.g. microarticles, ultra thin articles
    • 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 structure with improved adhesion to surfaces, in particular with improved force distribution.
  • 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.
  • Verwen tion of columnar adhesive structures ie structures which consist of a plurality of columnar projections, de ren faces form the contact surface for adhesion to a top surface
  • a detachment is usually triggers that by external influences the contact surface for Surface is reduced.
  • the strength of the adhesion and also the type of detachment can be controlled by the structure of the dry-adhesive structure on the upper surface. This allows in contrast to normal adhesive joints a much higher control of the adhesion forces.
  • the object of the invention is to provide a structure which has improved adhesion and in particular a verbes serte force distribution.
  • the invention is characterized by a structure comprising a back layer, a plurality of protrusions on this backing layer, each protrusion having an end face, wherein all end faces span a common surface and the stiffness of the back layer varies towards at least one edge of the structure decreases.
  • the stiffness of the backing layer decreases toward all edges of the structure.
  • An edge of a structure is understood to mean the end of the arrangement of protrusions on the backing layer.
  • the backing layer preferably has a gradient of stiffness in the direction of the edges parallel to the adhesive surface.
  • the change in stiffness can be achieved in different ways.
  • This change is achieved in that the thickness of the back layer decreases towards at least one edge of the structure.
  • the end faces of the projections span a common surface, it is achieved by varying the thickness of the backing layer that the projections in the center of the structure are shorter, while the length of the projections increases towards the edge, the end faces of the projections still being suitable are to contact flat surfaces, since the end faces span a common surface.
  • the thickness of the backing layer decreases in the direction of at least one edge of the structure, preferably in the direction of at least two edges, in particular towards all edges. This can be achieved for example by a curved shape of the backing layer.
  • the structure in the middle has a constant thickness of the backing layer, and they only towards the edge, z. B. in the last quarter, measured on the diameter of the structure, the thickness of the backing layer decreases.
  • the thickness decreases toward the edge, it is understood that the thickness decreases at least in the area at the edge. This means that in any case at the edge of the structure, the thickness of the backing layer decreases steadily.
  • the resulting structure indicates the edges compared to the middle of the backing layer longer before cracks.
  • the structure is also suitable for adhesion to flat surfaces, and yet has an improved distribution of force.
  • the detachment first begins at the edge and then proceeds inward. As a result, a controlled detachment with improved local precision he goes.
  • the change in rigidity is achieved by modifying the modulus of elasticity of the backing layer accordingly. This can be done by a gradient within the material. This is preferably achieved in that the backing layer has at least two regions with different modulus of elasticity.
  • the backing layer is constructed in particular on the expansion from the individual areas so that a difference in the adhesive force of the structure is achieved.
  • these areas are formed as layers, in particular as layers whose perpendicular right thickness varies.
  • the rigidity of the backing layer at a certain point depends on the ratio of the different layers.
  • the thickness of the respective layers, the stiffness of the backing layer controlled who the.
  • the vertical portion of regions with a high modulus of elasticity decreases, so that the stiffness decreases. This means that the thickness of the layers changes accordingly.
  • the use of multiple layers has the advantage that the length of the projections can remain constant, which facilitates the manufacture and stability of the structures.
  • the backing layer can be made more easily multilayered, which facilitates the adjustment of rigidity for different applications.
  • the backing layer comprises 2, 3 or 4 layers with different modulus of elasticity, preferably 2 layers with different modulus of elasticity.
  • the layers do not have to extend over the entire surface of the backing layer. Preferably, the layers extend over the entire surface of the structure
  • the outermost layer can also be fixedly connected to a carrier or be part of a carrier of the structure according to the invention. Importantly, it has an impact on the adhesion of the structure.
  • the backing layer has a first layer on which the projections are arranged. Un ter of this layer, a second layer is arranged. Both layers have a common interface. If the modulus of elasticity of the first layer is greater than that of the second layer, the thickness of the second layer preferably decreases in the direction of at least one edge, while the thickness of the first layer th layer increases. This can be achieved, for example, by virtue of the fact that the boundary surface of the two layers is curved in the direction of the projections, ie is convex. If the modulus of elasticity of the first layer is higher, it is the other way around, ie the interface is correspondingly concave-shaped and the thickness of the second layer increases accordingly.
  • Parabolic, hemispherical shaped to cup-shaped or wan nenförmig is described by a straight polynomial (polynomial function with even exponents).
  • the thickness of the backing layer is constant with respect to all layers.
  • the modulus of elasticity of the first layer corresponds to the elastic modulus of the jumps before.
  • the elastic modulus of the back layer is preferably 50 kPa to 3 GPa.
  • the modulus of elasticity is preferably 50 kPa to 5 GPa, in particular 100 kPa to 1 GPa, particularly preferably 500 kPa to 100 MPa.
  • the modulus of elasticity of at least one layer is 50 kPa to 3 GPa.
  • the modulus of elasticity is preferably 50 kPa to 5 GPa, in particular 100 kPa to 1 GPa, particularly preferably 500 kPa to 100 MPa.
  • the modulus of elasticity of at least one layer is preferably 50 kPa to 20 MPa, preferably 100 kPa to 10 MPa.
  • the modulus of elasticity of the at least one high elastic modulus layer is independently thereof at least 1 MPa, more preferably 1 MPa to 3 GPa, preferably 2 MPa to 1 GPa.
  • the ratio of the moduli of elasticity of the layer with the lowest modulus of elasticity and the layer with the highest modulus of elasticity is preferably greater than 1: 2, preferably greater than 1: 100, in particular greater than 1: 500, most preferably greater than 1: 1000, in particular over 1: 1500. Such high differences have a particularly advantageous effect.
  • the thickness of the backing layer can be selected according to the application. Depending on the height of the projections, the maximum thickness may be up to 5 cm, preferably up to 3 cm. It can also be less than 1 cm, for example less than 5 mm.
  • the thickness is chosen so that ei ne corresponding improvement in the adhesive force is achieved even with variation of the thickness.
  • Be preferred is a variation of the thickness by up to 50%, starting from the maximum thickness, preferably by up to 30%, in particular by at least 5%.
  • the thickness is selected so that an improvement in the adhesive force is achieved.
  • the thickness of at least two layers for changing the stiffness preferably varies by at least 2% based on the maximum thickness of the backing layer, preferably by at least 5%, preferably by at least 30%.
  • the thickness of a layer can be at 0, if it is not present in this area. In the layer with the lowest modulus of elasticity is given to before that their minimum thickness (d) relative to the senkrech th height of the projections (L) is less than 1, preferably if it is the layer on which the projections are arranged.
  • pillars projections
  • pillars projections
  • end face pointing away from the surface. With this face, the projections come into contact with the surface to which they are to adhere.
  • the projections of each structure of the invention are columnar removablebil det. This means that it is preferably formed perpendicular to the surface projections having a stem and an end face, wherein the stem and the end face may have any cross-section (for example, circular, oval, rectangular, square, rhombic, hexagonal , pentagonal, etc.).
  • 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 a body span, which lies completely within the projection ,
  • the overlap area 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 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, so-called “mushroom” structures.
  • the stem of the projection has an aspect ratio of height to diameter of 0.5 to 100, preferably 1 to 10, particularly preferably 1 to 5, based on its mean diameter.
  • 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 end faces span a common surface.
  • the end faces can be part of a continuous area, for example a plane. It can also be a curved surface.
  • the end faces of the projections may themselves be structured to increase their surface area. In this case, 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 1 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 100 ym.
  • the base is a circle having a diameter between 0.3 ym and 2 mm, preferably 1 ym and 100 ym.
  • 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 100 .mu.m.
  • the height and the median diameter are adjusted according to the preferred aspect ratio.
  • the surface of the end face of a projection is at least 1.01 times, preferably at least 1.5 times as large as the area of the base of a projection. It may be greater by a factor of 1.01 to 20 or, for example, be 1.05 to 2 times larger in example. In a further embodiment, 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 elastic modulus of the protrusions is preferably 50 kPa to 3 GPa.
  • the modulus of elasticity is preferably 50 kPa to 5 GPa, in particular 100 kPa to 1 GPa, particularly preferably 500 kPa to 100 MPa.
  • the materials of the projections and the backing layer can be chosen according to the requirements of the skilled person.
  • the protrusions may comprise, for example, 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 homo- and copolymers (PMMA, AMMA Acrylonitrile / 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, formaldehyde resins, vinyl ester
  • polyurethane (meth) acrylates for 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, polyuretanes, silicones, silicone resins (such as UV-curable PDMS), polyurethane (meth) acrylates or rubber (such as EPM, EPDM).
  • the backing layer is preferably also from one of the vorste existing materials, more preferably from the same mate rial as the projections.
  • the higher modulus layers may also be made of other materials such as plastics, metals, ceramics, preferably plastics such as thermosets or thermoplastics such as polystyrene, acrylonitrile-butadiene-styrene, polylactides, polyvinyl alcohol, polyamides such as polyamide PA 66). Preference is given to plastics which can be applied by injection molding or 3D printing.
  • the structures according to the invention are preferably prepared in Gussver.
  • the invention also relates to a process for producing a structure according to the invention.
  • a mold is provided which has a negative structure of the structure comprising protrusions and a thickness-varying backing layer.
  • the mold is filled in accordance with a curable precursor for the material of the backing layer and the projections. Thereafter, the precursor is cured depending on the material used, which can be done physically and / or chemically. For example, by heating or irradiation, for example with UV).
  • the structure is removed from the mold and optionally subjected to further processing steps Be.
  • the invention also relates to a method for producing a structure according to the invention, in which the backing layer comprises at least two regions.
  • a mold is provided which comprises a negative structure of the structure comprising protrusions and the backing layer.
  • another body is be provided, which corresponds in its dimensions to a range of forth delivering back layer. This body may be arranged on a support or be part of it.
  • a hardenable precursor is poured into the mold.
  • the further body is introduced into the mold so that it forms the later backing layer together with the precursor. It is possible that the body partially deformed and / or displaces the precursor, for example if it has a curved structure.
  • the pre-stage and the body form the backing layer after hardening.
  • the body Since the body is pressed into the preliminary stage, it can also be called Inlet.
  • the body is of a material having a higher modulus of elasticity than the material in the mold after curing.
  • the precursor is cured. Thereby, the projections and the first area are formed. Thereafter, the structure is removed from the mold.
  • the backing layer is formed by the cast structure and the additional body. The further body forms the second area of the backing layer.
  • the further body may already include several areas with un ferent modulus of elasticity.
  • the other body can be made in various ways who the. For example, it is possible to set it up via 3D printing.
  • the shape of the individual regions of the backing layer can be determined in a simple manner.
  • the production of the projections and the final structure can be carried out in one step.
  • geometries can be obtained which are not possible by means of sequential casting methods.
  • the further body is preferably concave and has in its center the highest thickness.
  • the structure of the invention provides opportunities for precise handling without heavy load on the object.
  • the adhesion with adhesive structures with lower expansion can be worked.
  • the area required for adhesion is significantly lower.
  • the invention therefore also relates to the use of the inventions to the invention structure for dry adhesion, in particular for Handling or attachment of objects via dry-adhesive adhesion.
  • area information always includes all - not mentioned - intermediate values and all imaginable subintervals.
  • FIG. 1 Schematic representation of an embodiment of the invention
  • FIG. 2 Schematic representation of an embodiment of the invention
  • FIG. 3 Schematic representation of an embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an embodiment of the invention with a curved backing layer
  • Fig. 5 shows a schematic representation of an embodiment of the invention with a multilayer backing layer
  • FIG. 6 measurement of the adhesion force of different structures
  • Figure 7 shows a structure according to the invention in cross-section.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of an embodiment of the invention with a multilayer backing layer
  • FIG. 11 Schematic representation of an embodiment of the invention He with multilayer backing layer.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a erfindungsge MAESSEN structure.
  • a backing layer 100 On a backing layer 100, a plurality of projections 110 are arranged, which each have end faces 120. The surface of the back layer without the projections is convexly curved in this embodiment.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a erfindungsge MAESSEN structure.
  • a backing layer 100 On a backing layer 100, a plurality of projections 110 are arranged, which each have end faces 120.
  • the surface of the backing layer without the protrusions is roof-shaped or conically shaped in this embodiment. It is also possible that the thickness of the backing layer decreases only in one dimension. In this case, the surface of the backing layer is gabled without protrusions.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a erfindungsge MAESSEN structure.
  • a backing layer 100 On a backing layer 100, a plurality of projections 110 are arranged, which each have end faces 120.
  • the thickness of the back layer in the middle of the structure is constant and only decreases towards the edges.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a erfindungsge MAESSEN structure with a curved backing layer 130 on the jumps before 110 are arranged.
  • the faces of the projections 120 are at the same height and so span a plane. Therefore, over the width of the structure D, the height of the projections varies from the lowest height L m in the middle to the highest height L a at the edge of the structure.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a erfindungsge MAESSEN structure with a multilayer structure of the back layer.
  • the backing layer has a first region 140 with a modulus of elasticity E2. In this area, the jumps before 110 are arranged.
  • the backing layer still has a second region 150 with a modulus of elasticity Ei. E ! > E 2 . Both regions 140, 150 are formed as layers and are arranged on each other. Its interface 160 is concave in the direction of the projections.
  • the first region has a minimum thickness of d at the center of the structure. There is also the thickness of the second area is the largest.
  • the thickness of the first region increases while the thickness of the second region decreases. If the interface is concavely curved in all directions, for such a body, the stiffness increases towards all edges.
  • the second region extends over the entire width D of the structure. The ratio of the minimum thickness d to the height of the projections is preferably less than 1.
  • Fig. 6 shows the measurement of the adhesion force of various
  • Fig. 7 shows a structure with projections on a back layer.
  • the structure was cut in half, so that the cross section can be seen.
  • the projections have egg NEN circular diameter and are periodically arranged regularly. They are arranged on a backing layer which comprises two regions, which in turn are formed as layers. It can be clearly seen that the thickness of the first area is the lowest with the protrusions in the middle. The second area forms a layer below the first area.
  • the concave curved surface is clearly visible.
  • the height of the backing layer is known throughout the structure. Only the thickness of the two layers varies.
  • Fig. 8 shows schematically the preparation of an inventive Shen structure with varying thickness of the backing layer (backing layer).
  • An appropriate mold is provided (left).
  • the pre-polymer for the material is filled and closed the mold with a lid (middle Dar position).
  • the mold is completely filled.
  • the pre-polymer is cured, for example, crosslinked. After demolding from the mold (right) the fiction, contemporary structure is obtained.
  • Fig. 9 shows schematically the preparation of an inventive Shen structure with multilayer backing layer.
  • the pre-polymer is filled (left).
  • the pre-polymer is the precursor for the material of the protrusions and the first region of the backing layer.
  • an inlet is provided on a carrier. This inlet can be produced, for example, via 3D printing. It is arranged on a support which can also form the cover of the casting mold. As much prepolymer is introduced into the mold that the mold is completely filled after insertion of the inlay (middle illustration) into the mold. Thereafter, the pre-polymer is cured and the structure demolded (right). In this way, a structure having a multilayer back layer is obtained.
  • FIG. 10 shows an embodiment of the invention with a more layered backing layer comprising a first region 170 and a second region 180.
  • the projections 110 are arranged with end faces 120.
  • the change in rigidity is achieved by having the thickness of the first region 170 lowest in the center and steadily increasing linearly toward the edge. Accordingly, the thickness of the second region 180 decreases.
  • the interface is in this case depending on the three-dimensional structure of the structure roof-shaped or conical.
  • FIG. 11 shows an embodiment of the invention with a more layered backing layer comprising a first region 190 and a second region 200.
  • the projections 110 are arranged with end faces 120.
  • the change in rigidity is achieved by having the thickness of the first region 190 in the middle lowest, remaining constant, and then steadily increasing linearly towards the edge. Accordingly, the thickness of the second region 200 decreases.
  • the border Area is in this case dependent on the three-dimensional structure of the structure roof-shaped with truncated gable or similar to a truncated cone.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

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

Description

Struktur mit verbesserter Haftung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Struktur mit verbesserter Adhäsion an Oberflächen, insbesondere mit verbesserter Kraftverteilung.
Stand der Technik
Die molekulare Haftung zwischen zwei Objekten kann durch 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. Bei der Verwen dung von säulenförmigen Haftstrukturen, d.h. Strukturen, welche aus einer Vielzahl von säulenförmigen Vorsprüngen bestehen, de ren Stirnflächen die Kontaktfläche zur Anhaftung an eine Ober fläche bilden, wird eine Ablösung in der Regel dadurch ausge löst, dass durch äußere Einflüsse die Kontaktfläche zur Ober fläche verringert wird. Die Stärke der Haftung und auch die Art der Ablösung kann dabei durch die Struktur der trockenadhäsiven Struktur auf der Ober fläche gesteuert werden. Dies erlaubt im Gegensatz zu normalen Klebeverbindungen eine deutlich höhere Steuerung der Adhäsions kräfte .
Gerade für Anwendungen, bei denen Objekte auf bestimmten Ober flächen reversibel befestigt werden müssen, können solche
Strukturen Vorteile bringen.
Ein Problem solcher Strukturen ist, dass sich beim Abheben ei nes Objekts die Zugkräfte in der Struktur lateral ungleichmäßig über die einzelnen Vorsprünge verteilen. Ursache dafür sind Ab weichungen von einer uniformen Kraftverteilung (equal load Sha ring) aufgrund elastischer Wechselwirkungen in der Rückschicht (Backing Layer) , an der alle Vorsprünge befestigt sind, oder aufgrund nicht-paralleler Ausrichtung der Struktur gegenüber der kontaktierten Oberfläche (Substrat) . Dadurch wird die Haf tung gegenüber dem theoretisch zu erwartenden Wert wesentlich herabgesetzt .
Diese ungleiche Kraftverteilung tritt vor allem auf, wenn die Strukturen durch eine elastische oder viskoelastische Rück schicht verbunden sind und wird zudem verstärkt, wenn die Ober fläche des Objekts konvex in Richtung der Haftstrukturen ge krümmt ist. Der Grund ist die mechanische Kopplung der Struktu ren über die verformbare Rückschicht. Diese Kopplung ist unter schiedlich stark ausgeprägt für Strukturen am Rand und für Strukturen innerhalb des Arrays : Aufgrund einer geringeren An zahl an benachbarten Strukturen werden die Haftstrukturen am äußeren Rand mehr belastet als die Strukturen innerhalb des Ar- rays . Aufgrund der ungleichen Belastung erfolgt ein Ablö sen/Versagen der Haftstrukturen vom Rand aus. Wie stark sich diese inhomogene Verteilung auf die Effizienz bzw. Tragfähig keit der gesamten Haftstruktur ausprägt, hängt von der Anzahl der Strukturen die in einem Array beansprucht werden ab. Allge mein gilt, dass die Effizienz eines Haftstrukturarrays mit zu nehmender Anzahl an zur Haftung beteiligter Strukturen abnimmt. D.h. große Arrays sind ineffizienter als kleine. Die tatsächli che Effizienz kann mittels numerischer Methoden ermittelt wer den .
Eine wissenschaftliche Analyse des Problems wurde von Bacca, Booth, Turner und McMeeking (Bacca et al . Journal of the Me- chanics and Physics of Solids 2016, 96,428-444, Load sharing in bioinspired fibrillär adhesives with backing layer interactions and interfacial misalignment) publiziert. Die Autoren betonen, dass eine uniforme Kraftverteilung durch Einstellen der Elasti zität der einzelnen Fasern, entweder über die Modulation des Elastizitätsmoduls oder der Höhe der Vorsprünge, erreicht wer den kann. Dabei muss allerdings ein Verklumpen der Vorsprünge vermieden werden.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Struktur bereitzustellen, welche eine verbesserte Haftung und insbesondere eine verbes serte Kraftverteilung aufweist.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindungen umfassen auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinati onen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird durch eine Struktur umfassend eine Rück schicht, eine Vielzahl von Vorsprüngen an dieser Rückschicht, wobei jeder Vorsprung eine Stirnfläche aufweist, wobei alle Stirnflächen eine gemeinsame Fläche aufspannen und die Steifig keit der Rückschicht in Richtung mindestens eines Rands der Struktur hin variiert, bevorzugt abnimmt.
Bevorzugt ist eine Abnahme der Steifigkeit zum Rand um bis zu 50 %, bezogen auf die höchste Steifigkeit, bevorzugt um bis zu 30 %, insbesondere eine Änderung der Steifigkeit um mindestens
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Durch die Variation der Steifigkeit der Rückschicht wird er reicht, dass sich die Kopplung zwischen den Vorsprüngen über die Rückschicht zum Rand hin verändert. Dadurch wird die Anhaf tung der Struktur deutlich verbessert.
In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die Steifigkeit der Rückschicht in Richtung zu allen Rändern der Struktur hin ab. Unter einem Rand einer Struktur wird das Ende der Anordnung von Vorsprüngen auf der Rückschicht verstanden. Die Rückschicht weist bevorzugt einen Gradienten der Steifigkeit in Richtung der Ränder parallel zur Haftfläche auf.
Die Veränderung der Steifigkeit kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Veränderung dadurch erreicht, dass die Dicke der Rück schicht sich in Richtung mindestens eines Rands der Struktur hin abnimmt.
Da die Stirnflächen der Vorsprünge eine gemeinsame Fläche auf spannen, wird durch die Variation der Dicke der Rückschicht er reicht, dass die Vorsprünge in der Mitte der Struktur kürzer sind, während die Länge der Vorsprünge zum Rand hin zunimmt, wobei die Stirnflächen der Vorsprünge noch geeignet sind, ebene Flächen zu kontaktieren, da die Stirnflächen eine gemeinsame Fläche aufspannen.
Die Dicke der Rückschicht nimmt in Richtung mindestens eines Rand der Struktur ab, bevorzugt in Richtung von mindestens zwei Rändern, insbesondere zu allen Rändern hin. Dies kann bei spielsweise durch eine gewölbte Form der Rückschicht erreicht werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Struktur in der Mitte eine konstante Dicke der Rückschicht aufweist, und sie erst zum Rand hin, z. B. in dem letzten Viertel, gemessen am Durchmesser der Struktur, die Dicke der Rückschicht abnimmt.
Durch diese Modifizierung der Rückschicht wird auch erreicht, dass größere Objekte nicht durch große, schwer herzustellende Haftstrukturarrays , sondern alternativ durch eine Vielzahl von kleineren Haftstrukturarrays gegriffen und abgelöst werden kön nen und dabei die Randeffekte an den kleineren Arrays die Haft kraft kaum herabsetzen.
Wenn die Dicke zum Rand hin abnimmt, ist darunter zu verstehen, dass die Dicke mindestens im Bereich am Rand abnimmt. Dies be deutet, dass in jedem Fall am Rand der Struktur die Dicke der Rückschicht stetig abnimmt. Die resultierende Struktur weist an den Rändern im Vergleich zur Mitte der Rückschicht längere Vor sprünge auf.
Durch diese Struktur wird erreicht, dass die Struktur auch zur Adhäsion an flachen Oberflächen geeignet ist, und dennoch eine verbesserte Kraftverteilung aufweist.
Außerdem wird bei der gewollten Ablösung zum Zweck des Platzie- rens von Objekten erreicht, dass die Ablösung zuerst am Rand beginnt und dann nach innen fortschreitet . Dadurch wird eine kontrollierte Ablösung mit verbesserter örtlicher Präzision er reicht .
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Ände rung der Steifigkeit dadurch erreicht, dass sich der Elastizi tätsmodul der Rückschicht entsprechend verändert. Dies kann durch einen Gradienten innerhalb des Materials geschehen. Be vorzugt wird dies dadurch erreicht, dass die Rückschicht min destens zwei Bereiche mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul aufweist. Die Rückschicht ist dabei insbesondere auf die Aus dehnung der einzelnen Bereiche so aufgebaut, dass ein Unter schied in der Haftkraft der Struktur erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Bereiche als Schichten ausgebildet, insbesondere als Schichten, deren senk rechte Dicke variiert. Dadurch ist die Steifigkeit der Rück schicht an einem bestimmten Punkt abhängig von dem Verhältnis der unterschiedlichen Schichten. Durch die Dicke der jeweiligen Schichten kann die Steifigkeit der Rückschicht gesteuert wer den . In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt zum Rand hin der senkrechte Anteil an Bereichen mit hohem Elastizitätsmodul ab, so dass die Steifigkeit sinkt. Dies bedeutet, dass die Dicke der Schichten sich entsprechend verändert.
Die Verwendung von mehreren Schichten hat den Vorteil, dass die Länge der Vorsprünge konstant bleiben kann, was die Herstellung und Stabilität der Strukturen erleichtert. Gleichzeitig kann die Rückschicht einfacher mehrschichtig hergestellt werden, was die Anpassung der Steifigkeit für unterschiedliche Anwendungen erleichtert .
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Rückschicht 2, 3 oder 4 Schichten mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul, bevorzugt 2 Schichten mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul.
Die Schichten müssen sich nicht über die gesamte Fläche der Rückschicht erstrecken. Bevorzugt erstrecken sich die Schichten über die gesamte Fläche der Struktur
Die äußerste Schicht kann auch fest mit einem Träger verbunden sein oder ein Teil eines Trägers der erfindungsgemäßen Struktur sein. Wichtig ist, dass sie einen Einfluss auf die Adhäsions kraft der Struktur aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Rückschicht eine erste Schicht auf, auf der die Vorsprünge angeordnet sind. Un ter dieser Schicht ist eine zweite Schicht angeordnet. Beide Schichten weisen eine gemeinsame Grenzfläche auf. Wenn der Elastizitätsmodul der ersten Schicht größer ist, als der zwei ten Schicht, nimmt bevorzugt die Dicke der zweiten Schicht in Richtung mindestens eines Rands ab, während die Dicke der ers- ten Schicht zunimmt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Grenzfläche der beiden Schichten in Richtung der Vorsprünge gewölbt, d.h. konvex ist. Ist der Elastizitäts modul der ersten Schicht höher, ist es anders herum, d.h. die Grenzfläche ist entsprechend konkav geformt und die Dicke der zweiten Schicht nimmt entsprechend zu.
Bevorzugt ist eine konvexe Grenzfläche. Bevorzugt ist die
Grenzfläche parabolisch, halbkugel-förmig bis napf- bzw. wan nenförmig geformt. Insbesondere bevorzugt wird die Krümmung der Grenzfläche durch ein gerades Polynom (Polynomfunktion mit ge raden Exponenten) beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Di cke der Rückschicht bezogen auf alle Schichten konstant.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht der Elastizi tätsmodul der ersten Schicht dem Elastizitätsmodul der Vor sprünge .
Der Elastizitätsmodul der Rückschicht beträgt bevorzugt 50 kPa bis 3 GPa. Bevorzugt liegt der Elastizitätsmodul bei 50 kPa bis 5 GPa, insbesondere bei 100 kPa bis 1 GPa, besonders bevorzugt bei 500 kPa bis 100 MPa.
Im Falle von mehreren Schichten liegt der Elastizitätsmodul mindestens einer Schicht bei 50 kPa bis 3 GPa. Bevorzugt liegt der Elastizitätsmodul bei 50 kPa bis 5 GPa, insbesondere bei 100 kPa bis 1 GPa, besonders bevorzugt bei 500 kPa bis 100 MPa. Bevorzugt liegt der Elastizitätsmodul mindestens einer Schicht bei 50 kPa bis 20 MPa, bevorzugt 100 kPa bis 10 MPa. Der Elastizitätsmodul der mindestens einen Schicht mit hohem Elastizitätsmodul liegt davon unabhängig bei mindestens 1 MPa, insbesondere 1 MPa bis 3 GPa, bevorzugt 2 MPa bis 1 GPa.
Das Verhältnis der Elastizitätsmodule der Schicht mit dem nied rigsten Elastizitätsmodul und der Schicht mit dem höchsten Elastizitätsmodul liegt bevorzugt bei über 1:2, bevorzugt bei über 1:100, insbesondere bei über 1:500, ganz besonders bevor zugt bei über 1:1000, insbesondere über 1:1500. Solche hohen Unterschiede wirken sich besonders vorteilhaft aus.
Die Dicke der Rückschicht kann entsprechend der Anwendung ge wählt werden. Abhängig von der Höhe der Vorsprünge kann die ma ximale Dicke bei bis zu 5 cm liegen, bevorzugt bis zu 3 cm. Sie kann auch bei unter ein 1 cm liegen, beispielsweise unter 5 mm.
Die Dicke ist so gewählt, dass auch bei Variation der Dicke ei ne entsprechende Verbesserung der Haftkraft erreicht wird. Be vorzugt ist eine Variation der Dicke um bis zu 50 % ausgehend von der maximalen Dicke, bevorzugt um bis zu 30 %, insbesondere um mindestens 5 %.
Im Falle von mehreren Schichten ist die Dicke so gewählt, dass auch eine Verbesserung der Haftkraft erreicht wird. Im Falle von mehreren Schichten variiert die Dicke mindestens von zwei Schichten zur Veränderung der Steifigkeit bevorzugt um mindes tens 2 % bezogen auf die maximale Dicke der Rückschicht, bevor zugt um mindestens 5 %, bevorzugt um mindestens 30 %.
Dabei kann die Dicke einer Schicht bei 0 liegen, wenn sie in diesem Bereich nicht vorhanden ist. Bei der Schicht mit dem geringsten Elastizitätsmodul ist bevor zugt, dass ihre minimale Dicke (d) im Verhältnis zur senkrech ten Höhe der Vorsprünge (L) kleiner als 1 ist, bevorzugt wenn sie die Schicht ist auf welcher die Vorsprünge angeordnet sind.
Bevorzugt handelt es sich um Strukturen, welche eine Vielzahl von Vorsprüngen (Pillars) umfassen, die mindestens jeweils ei nen Stamm aufweisen und eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche umfassen. Mit dieser Stirnfläche treten die Vor sprünge in Kontakt mit der Oberfläche, an welche sie anhaften sollen .
Unter der senkrechten Höhe der Stirnfläche wird der Abstand der Stirnfläche zu der Oberfläche verstanden, auf der die Vorsprün ge angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge jeder Struktur der Erfindung säulenartig ausgebil det. Dies bedeutet, dass es sich um bevorzugt senkrecht zur Oberfläche ausgebildete Vorsprünge handelt, welche einen Stamm und eine Stirnfläche aufweisen, wobei der Stamm und die Stirn fläche einen beliebigen Querschnitt aufweisen können (bei spielsweise kreisförmig, oval, rechteckig, quadratisch, rauten förmig, 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 aufspannen, 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.
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, sogenannte „mushroom"-Strukturen .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Stamm des Vorsprungs bezogen auf seinen mittleren Durchmesser ein Aspektverhältnis von Höhe zu Durchmesser von 0,5 bis 100, bevorzugt von 1 bis 10, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 auf .
Unter dem mittleren Durchmesser wird dabei der Durchmesser des Kreises verstanden, der die gleiche Fläche wie der entsprechen de Querschnitt des Vorsprungs aufweist, gemittelt über die ge samte Höhe des Vorsprungs.
Die Stirnflächen spannen eine gemeinsame Fläche auf. Darunter wird verstanden, dass die Stirnflächen Teil einer stetigen Flä che sein können, beispielsweise einer Ebene. Es kann sich auch um eine gekrümmte Fläche handeln. Die Stirnflächen der Vorsprünge können selbst strukturiert sein, um ihre Oberfläche zu erhöhen. In diesem Fall wird als senkrechte Höhe der Vorsprünge die mittlere senkrechte Höhe der Stirnfläche angesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die senkrechte Höhe aller Vorsprünge in einem Bereich von 1 ym bis 10 mm, bevorzugt 1 ym bis 5 mm, insbesondere 1 ym bis 2 mm, bevorzugt in einem Bereich von 1 ym bis 1 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 100 ym. In einer Ausführungsform ist die Grundfläche ein Kreis mit einem Durchmesser zwischen 0,3 ym und 2 mm, bevorzugt 1 ym und 100 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 100 ym. Bevorzugt ist die Höhe und der mittlere Durchmesser entsprechend dem bevorzugten Aspektver hältnis angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist bei verbreiterten Stirnflächen die Oberfläche der Stirnfläche eines Vorsprungs mindestens 1,01 mal, bevorzugt mindestens 1,5 mal so groß wie die Fläche der Grundfläche eines Vorsprungs. Sie kann bei spielsweise um den Faktor 1,01 bis 20 größer sein oder bei spielsweise 1,05 bis 2 mal größer sein. In einer weiteren Ausführungsform ist die Stirnfläche zwischen 5% und 100% größer als die Grundfläche, besonders bevorzugt zwischen 10% und 50% der Grundfläche.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand zwi schen zwei Vorsprüngen weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm.
Die Vorsprünge sind bevorzugt regelmäßig periodisch angeordnet.
Der Elastizitätsmodul der Vorsprünge beträgt bevorzugt 50 kPa bis 3 GPa. Bevorzugt liegt der Elastizitätsmodul bei 50 kPa bis 5 GPa, insbesondere bei 100 kPa bis 1 GPa, besonders bevorzugt bei 500 kPa bis 100 MPa.
Die Materialien der Vorsprünge und der Rückschicht können ent sprechend den Anforderungen vom Fachmann frei gewählt werden. Die Vorsprünge können beispielsweise folgende Materialien um fassen : 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 Mischungen 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, Polyuretane, Silikone, Silikonharze (wie UV-härtbares PDMS) , Polyurethan (meth) acrylate oder Kaut schuk (wie EPM, EPDM) .
Die Rückschicht ist bevorzugt ebenfalls aus einem der vorste henden Materialien, besonders bevorzugt aus dem gleichen Mate rial wie die Vorsprünge.
Im Falle von mehreren Bereichen ist mindestens ein Bereich aus den vorstehend genannten Materialien. Die Schichten mit höherem Elastizitätsmodul können auch aus anderen Materialien bestehen, wie Kunststoffen, Metallen, Keramik, bevorzugt aus Kunststoffen wie Duroplasten oder Thermoplaste, wie Polystyrol, Acrylnitril- Butadien-Styrol , Polylactide, Polyvinylalkohol, Polyamide, wie Polyamid PA 66) . Bevorzugt sind Kunststoffe, welche sich durch Spitzguss oder 3D-Druck aufbringen lassen.
Die erfindungsgemäßen Strukturen werden bevorzugt in Gussver fahren hergestellt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Struktur. Dazu wird eine Form bereitgestellt, welche eine Negativstruktur der Struktur umfassend Vorsprünge und ein in der Dicke variierende Rückschicht umfasst. Die Form wird entsprechend mit einer härtbare Vorstufe für das Material der Rückschicht und die Vorsprünge eingefüllt. Danach wird die Vorstufe abhängig vom verwendeten Material gehärtet, das kann physikalisch und/oder chemisch geschehen. Beispielsweise durch Erhitzen oder Bestrahlung, beispielsweise mit UV) . Die Struktur wird aus der Form entfernt und gegebenenfalls noch weiteren Be arbeitungsschritten unterworfen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Struktur, bei der die Rückschicht mindestens zwei Bereiche umfasst. Dazu wird eine Form bereitgestellt, wel che eine Negativstruktur der Struktur umfassend Vorsprünge und der Rückschicht umfasst. Außerdem wird ein weiterer Körper be reitgestellt, welcher in seinen Ausmaßen einem Bereich der her zustellenden Rückschicht entspricht. Dieser Körper kann auf ei nem Träger angeordnet sein oder Teil davon sein.
Im nächsten Schritt wird eine härtbare Vorstufe in die Form eingefüllt. In einem nächsten Schritt wird der weitere Körper so in die Form eingeführt, dass er zusammen mit der Vorstufe die spätere Rückschicht bildet. Dabei ist es möglich, dass der Körper die Vorstufe teilweise verformt und/oder verdrängt, bei spielsweise wenn er eine gewölbte Struktur aufweist. Die Vor stufe und der Körper bilden nach der Härtung die Rückschicht.
Da der Körper in die Vorstufe hineingedrückt wird, kann er auch als Inlet bezeichnet werden. Bevorzugt ist der Körper aus einem Material mit einem höheren Elastizitätsmodul als das Material in der Gussform nach der Härtung.
Danach wird die Vorstufe gehärtet. Dadurch werden die Vorsprün ge und der erste Bereich gebildet. Danach wird die Struktur aus der Gussform entformt. Die Rück schicht wird durch die gegossene Struktur und den weiteren Kör per gebildet. Der weitere Körper bildet den zweiten Bereich der Rückschicht .
Der weitere Körper kann auch bereits mehrere Bereiche mit un terschiedlichem Elastizitätsmodul umfassen.
Der weitere Körper kann auf verschiedene Weise hergestellt wer den. Es ist beispielsweise möglich, ihn über 3D-Druck herzu stellen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Form der einzelnen Bereiche der Rückschicht auf einfache Art und Weise festgelegt werden. Insbesondere kann das Herstellen der Vor sprünge und der endgültigen Struktur in einem Schritt durchge führt werden. Durch die vorherige Herstellung des weiteren Kör pers können Geometrien erhalten werden, welche durch sequenzi elle Gussverfahren nicht möglich sind.
Der weitere Körper ist bevorzugt konkav gewölbt und weist in seiner Mitte die höchste Dicke auf.
Gerade bei sehr kleinen und empfindlichen Bauteilen, wie Mikro chips, integrierte Schaltkreise, Displays oder Touchscreens, bietet die erfindungsgemäße Struktur Möglichkeiten zur präzisen Handhabung ohne große Belastung des Objekts. So kann durch Ver besserung der Adhäsion mit Haftstrukturen mit geringerer Aus dehnung gearbeitet werden. Die zur Adhäsion benötigte Fläche ist deutlich geringer.
Die Erfindung betrifft daher auch die Verwendung der erfin dungsgemäßen Struktur zur Trockenadhäsion, insbesondere zur Handhabung oder Befestigung von Objekten über trockenadhäsive Haftung .
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 einer Ausführungsform der Er findung;
Fig . 2 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Er findung;
Fig . 3 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Er findung;
Fig. 4 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Er findung mit gewölbter Rückschicht;
Fig . 5 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Er findung mit mehrschichtiger Rückschicht;
Fig . 6 Messung der Adhäsionskraft verschiedener Strukturen; Fig. 7 Abbildung einer erfindungsgemäßen Struktur im Quer schnitt;
Fig. 8 Schematische Darstellung der Herstellung einer erfin dungsgemäßen Struktur; Fig. 9 Schematische Darstellung der Herstellung einer erfin dungsgemäßen Struktur;
Fig. 10 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Er findung mit mehrschichtiger Rückschicht;
Fig. 11 Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Er findung mit mehrschichtiger Rückschicht.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsge mäßen Struktur. Auf einer Rückschicht 100 ist eine Vielzahl von Vorsprüngen 110 angeordnet, welche jeweils Stirnflächen 120 aufweisen. Die Oberfläche der Rückschicht ohne die Vorsprünge ist bei dieser Ausführungsform konvex gewölbt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsge mäßen Struktur. Auf einer Rückschicht 100 ist eine Vielzahl von Vorsprüngen 110 angeordnet, welche jeweils Stirnflächen 120 aufweisen. Die Oberfläche der Rückschicht ohne die Vorsprünge ist bei dieser Ausführungsform dachförmig oder kegelförmig ge formt. Es ist auch möglich, dass die Dicke der Rückschicht nur in einer Dimension abnimmt. In diesem Fall ist die Oberfläche der Rückschicht ohne Vorsprünge giebelartig geformt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsge mäßen Struktur. Auf einer Rückschicht 100 ist eine Vielzahl von Vorsprüngen 110 angeordnet, welche jeweils Stirnflächen 120 aufweisen. In dieser Ausführungsform ist die Dicke der Rück schicht in der Mitte der Struktur konstant und nimmt erst zu den Rändern hin ab.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsge mäßen Struktur mit einer gewölbten Rückschicht 130 auf dem Vor sprünge 110 angeordnet sind. Die Stirnflächen der Vorsprünge 120 sind auf der gleichen Höhe und spannen so eine Ebene auf. Über die Breite der Struktur D variiert daher die Höhe der Vor sprünge von der geringsten Höhe Lm in der Mitte, bis zur der höchsten Höhe La am Rand der Struktur.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsge mäßen Struktur mit einem mehrschichtigen Aufbau der Rück schicht. Die Rückschicht weist einen ersten Bereich 140 mit ei nem Elastizitätsmodul E2 auf. Auf diesem Bereich sind die Vor sprünge 110 angeordnet. Die Rückschicht weist noch einen zwei ten Bereich 150 mit einem Elastizitätsmodul Ei auf. Dabei gilt E!>E2. Beide Bereiche 140, 150 sind als Schichten ausgebildet und sind auf einander angeordnet. Ihre Grenzfläche 160 ist in Richtung der Vorsprünge konkav gewölbt. Dadurch weist der erste Bereich eine minimale Dicke von d in der Mitte der Struktur auf. Dort ist auch die Dicke des zweiten Bereichs am größten.
Zu den beiden Rändern hin nimmt die Dicke des ersten Bereichs zu, während die Dicke des zweiten Bereichs abnimmt. Wenn die Grenzfläche in allen Richtung konkav gewölbt ist, nimmt für ei nen solchen Körper die Steifigkeit zu allen Rändern hin zu. Der zweite Bereich erstreckt sich dabei über die gesamte Breite D der Struktur. Das Verhältnis der minimalen Dicke d zur Höhe der Vorsprünge ist bevorzugt kleiner 1.
Fig. 6 zeigt die Messung der Adhäsionskraft verschiedener
Strukturen auf einer Glasoberfläche. Die Proben wurden nach Kontaktierung mit der Oberfläche bis zum Erreichen einer Vor last senkrecht auf die Oberfläche zubewegt („Andrücken") und dann bis zur vollständigen Ablösung wieder von der Oberfläche wegbewegt (Weg in mm, „Abziehen") . Dabei wurden die auf die Struktur und die Oberfläche wirkenden Kräfte in Bewegungsrich tung gemessen. Die dabei nötige Abziehkraft ist die Kraft, die zur vollständigen Ablösung benötigt wird. Die Messung zeigt deutlich, dass zum Ablösen einer Struktur mit zwei Schichten wie in Fig. 7 gezeigt (Probe mit Inlet) eine deutlich höhere Kraft nötig ist, als für eine mit den gleichen Ausmaßen herge stellten Probe ohne mehrschichtige Rückschicht (Probe on In let) .
Fig. 7 zeigt eine Struktur mit Vorsprüngen auf einer Rück schicht. Die Struktur wurde in der Hälfte durchgeschnitten, so dass der Querschnitt zu erkennen ist. Die Vorsprünge haben ei nen kreisförmigen Durchmesser und sind periodisch regelmäßig angeordnet. Sie sind auf einer Rückschicht angeordnet, welche zwei Bereich umfasst, welche wiederum als Schichten ausgebildet sind. Es ist deutlich erkennbar, dass die Dicke des ersten Be reichs mit den Vorsprüngen in der Mitte am geringsten ist. Der zweite Bereich bildet eine Schicht unter dem ersten Bereich.
Die konkav gewölbte Grenzfläche ist deutlich zu erkennen. Die Höhe der Rückschicht ist über die gesamte Struktur bekannt. Nur die Dicke der beiden Schichten variiert.
Fig. 8 zeigt schematisch die Herstellung einer erfindungsgemä ßen Struktur mit variierender Dicke der Rückschicht (Backing Layer) . Es wird eine entsprechende Gießform bereitgestellt (links) . In diese wird das Prä-Polymer für das Material einge füllt und die Form mit einem Deckel verschlossen (mittlere Dar stellung) . Die Form wird dabei vollständig gefüllt. Im nächsten Schritt wird das Prä-Polymer gehärtet, beispielsweise vernetzt. Nach Entformung aus der Gießform (rechts) wird die erfindungs gemäße Struktur erhalten.
Fig. 9 zeigt schematisch die Herstellung einer erfindungsgemä ßen Struktur mit mehrschichtiger Rückschicht. Dabei wird eine Gießform für die gesamte Struktur bereitgestellt. In diese Form wird das Prä-Polymer eingefüllt (links) . Das Prä-Polymer ist die Vorstufe für das Material der Vorsprünge und dem ersten Be reich der Rückschicht. Außerdem wird ein Inlet auf einem Träger bereitgestellt. Dieses Inlet kann beispielsweise über 3D-Druck hergestellt werden. Es ist auf einem Träger angeordnet, welcher auch den Deckel der Gießform bilden kann. Es wird so viel Prä- Polymer in die Form eingefüllt, dass die Form nach Einführen des Inlets (mittlere Darstellung) in die Form vollständig ge füllt ist. Danach wird das Prä-Polymer gehärtet und die Struk tur entformt (rechts) . Auf diese Weise wird eine Struktur mit einer mehrschichtigen Rückschicht erhalten.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit mehr schichtiger Rückschicht umfassend einen ersten Bereich 170 und einen zweiten Bereich 180. Auf dem ersten Bereich sind die Vor sprünge 110 mit Stirnflächen 120 angeordnet. Die Änderung der Steifigkeit wird dadurch erreicht, dass die Dicke des ersten Bereichs 170 in der Mitte am geringsten ist und zum Rand hin stetig linear zunimmt. Entsprechend nimmt die Dicke des zweiten Bereichs 180 ab. Die Grenzfläche ist in diesem Fall abhängig von der dreidimensionalen Ausbildung der Struktur dachförmig oder kegelförmig.
Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit mehr schichtiger Rückschicht umfassend einen ersten Bereich 190 und einen zweiten Bereich 200. Auf dem ersten Bereich sind die Vor sprünge 110 mit Stirnflächen 120 angeordnet. Die Änderung der Steifigkeit wird dadurch erreicht, dass die Dicke des ersten Bereichs 190 in der Mitte am geringsten ist, erst konstant bleibt und dann zum Rand hin stetig linear zunimmt. Entspre chend nimmt die Dicke des zweiten Bereichs 200 ab. Die Grenz- fläche ist in diesem Fall abhängig von der dreidimensionalen Ausbildung der Struktur dachförmig mit abgeschnittenem Giebel oder ähnlich eines abgeschnittenen Kegels.
BezugsZeichen Rückschicht
Vorsprung
Stirnfläche
Rückschicht
erster Bereich der Rückschicht
zweiter Bereich der Rückschicht (Inlet) Grenzfläche
erster Bereich der Rückschicht
zweiter Bereich der Rückschicht (Inlet) erster Bereich der Rückschicht
zweiter Bereich der Rückschicht

Claims

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