ES2246043T3 - Cuerpo solido con superficie microestructurada. - Google Patents

Abstract

Cuerpo sólido de plástico, vidrio, cerámica o metal que presenta al menos parcialmente una superficie microestructurada con filas orientadas en una dirección preferencial de rebordes en forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal, caracterizado porque los rebordes presentan mínimos y máximos en altura (H) que se encuentran en el intervalo de 0 mm a 2 mm, y los mínimos y máximos se suceden unos a otros periódicamente con longitudes de onda en el intervalo de 0, 005 a 20 mm, y la distancia de las filas de rebordes contiguos entre sí asciende de 0, 002 mm a 5 mm, pudiendo ser las depresiones entre las filas planas, convexas o rematadas en punta, y los rebordes de forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal presentan un ángulo de cuña (a) en el intervalo de 20 a 60º.

Description

Cuerpo sólido con superficie microestructurada.

Campo de la invención

La invención se refiere a un cuerpo sólido de plástico, vidrio, cerámica o metal que presenta al menos parcialmente una superficie microestructurada con filas orientadas en una dirección preferencial de rebordes en forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal. La invención se refiere además a procedimientos para la fabricación del cuerpo sólido y a sus posibles usos.

Estado de la técnica

Los cuerpos sólidos fabricados de modos técnicos con superficies microestructuradas son conocidos por sí mismos, véase por ejemplo el documento US-B-6345791, y siguen el principio físico reductor de la fricción conocido en la naturaleza, entre otros, en la piel de tiburón. Se designan a continuación en parte de manera trivial también como "lijas". Con la estructuración adecuada, puede observarse en el desbordamiento turbulento con un gas o un líquido una reducción de la resistencia a la fricción o a la corriente.

El documento DE 3609541 A1 describe una resistencia a la corriente reducida mediante una superficie que presenta un esfuerzo cortante de pared reducido de un cuerpo sometido a desbordamiento turbulento con ranuras desarrolladas en la dirección de la corriente, que están separadas entre sí mediante estrías formadas cortantes. Las estrías no se disponen generalmente a este respecto en filas paralelas, sino respectivamente desplazadas entre sí.

El documento EP 0846617 A2 describe una superficie para una pared sometida a desbordamiento turbulento con una corriente que se presenta en la dirección principal de la corriente, con estrías dispuestas en la dirección de la corriente y espaciadas lateralmente en la dirección principal de la corriente, cuya altura asciende de 45 a 60% de la distancia de la estría. Las estrías son cuneiformes, formadas con un ángulo de cuña de 20 a 50º. Las depresiones entre las filas pueden ser planas o convexas.

Objetivo y solución

Las superficies descritas en el documento DE 3609541 A1 tienen la desventaja de que, debido a la disposición alternada de los elementos de estría, sólo pueden fabricarse de forma difícil o costosa, y además su acción reductora de la fricción es sólo reducida.

Las estructuras descritas en el documento EP 0846617 A2 garantizan un desbordamiento homogéneo de la superficie de relativamente baja fricción. Mediante una disposición regular de la microestructura, se forma sin embargo una capa límite comparativamente sólo delgada entre la superficie y el medio, fluido o gas que se desborda, que no es óptima para la consecución del esfuerzo cortante inductor de la fricción. Por ello, la corriente puede verse afectada ligeramente y, dado el caso, incluso detenerse.

A partir del estado de la técnica, deben perfeccionarse cuerpos sólidos con superficies microestructuradas para conseguir una reducción adicional de la resistencia a la fricción o a la corriente.

El objetivo se consigue mediante un cuerpo sólido de plástico, vidrio, cerámica o metal que presenta al menos parcialmente una superficie microestructurada con filas orientadas en una dirección preferencial de rebordes en forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal, caracterizado porque

los rebordes presentan mínimos y máximos en altura (H) que se encuentran en el intervalo de 0 mm a 2 mm, y

los mínimos y máximos se suceden unos a otros periódicamente con longitudes de onda en el intervalo de 0,005 a 20 mm, y

la distancia de las filas de rebordes contiguos entre sí asciende de 0,002 mm a 5 mm, pudiendo ser las depresiones entre las filas planas, convexas o rematadas en punta, y

los rebordes de forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal presentan un ángulo de cuña (\alpha) en el intervalo de 15 a 75º.

El cuerpo sólido según la invención tiene especialmente la ventaja de que en el desbordamiento con un gas o un fluido presenta una muy baja resistencia a la fricción o a la corriente. Esto se obtiene especialmente mediante una estructura superficial con filas de rebordes de forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal.

Al mismo tiempo que los rebordes presentan mínimos y máximos en altura (H), que se encuentran en el intervalo de 0 mm a 2 mm, y se obtiene que se sucedan los mínimos y máximos periódicos con longitudes de onda en el intervalo de 0,005 a 20 mm, se obtiene un desbordamiento algo heterogéneo en sí, que tampoco se detiene con distancias más largas. De esta manera, puede conseguirse en conjunto un mejor resultado según la invención en comparación con el estado de la técnica.

Figuras

La invención se ilustra mediante las siguientes figuras, pero no está limitada a éstas.

Fig 1a Representación esquemática de una sección de una placa de plástico extrudida desde arriba, con las filas paralelas fluctuantes sinusoidalmente a la altura de los rebordes de microestructuras cuneiformes con ángulos de cuña constantes (\alpha) de aproximadamente 60º y depresiones en punta. Las microestructuras fluctúan periódicamente en la amplitud de base de la sección transversal. La distancia de los planos de sección transversal A-A, B-B y C-C entre sí asciende respectivamente a media longitud de onda. El desarrollo de mínimos y máximos de las filas contiguas está desplazado media longitud de onda. La flecha muestra la dirección de extrusión.

Fig. 1b Planos de sección transversal A-A, B-B y C-C de la Figura 1a. Las secciones transversales A-A, B-B y C-C muestran los mínimos y máximos alternados de las alturas (H) de los rebordes desarrollados en filas paralelas, las depresiones en punta, así como la amplitud de base de la sección transversal fluc-
tuante.

Fig. 1c Rebordes con perfil trapezoidal simétrico (izquierda) y perfil cuneiforme simétrico (derecha) de altura (H), amplitud de base de la sección transversal (B) y ángulo de cuña (\alpha) dibujados en sección transversal.

Realización de la invención

La invención se refiere a un cuerpo sólido de plástico, vidrio, cerámica o metal que presenta al menos parcialmente una superficie microestructurada con filas orientadas en una dirección preferencial de rebordes en forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal.

Materiales

Se prefieren plásticos, especialmente duroplásticos y de forma especialmente preferida termoplásticos. En los termoplásticos, se prefieren plásticos amorfos.

Son plásticos adecuados, por ejemplo:

plástico de polimetacrilato de metilo, polimetacrilato de metilo modificado resistente a los impactos, plástico de policarbonato, plástico de poliestireno, plástico de estireno-acrilo-nitrilo, plástico de tereftalato de polietileno, plástico de tereftalato de polietileno modificado con glicol, plástico de policloruro de vinilo, plástico de poliolefina transparente, plástico de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) o mezclas (combinaciones) de distintos plásticos termoplásticos.

Se prefieren plásticos resistentes a la intemperie como plástico de polimetacrilato y/o plástico de polimetacrilato modificado resistente a los impactos, plástico de polifluoruro de vinilideno y/o una mezcla (combinación) de plástico de polimetacrilato y plástico de polifluoruro de vinilideno y/o plástico de policarbonato.

Para impedir el desgaste por el desbordamiento adjunto, son especialmente adecuados plásticos con altas durezas superficiales.

Son también adecuados polímeros cristales líquidos.

En los metales, han de citarse especialmente aluminio y titanio, así como aleaciones de estos metales y dado el caso también aleaciones de magnesio.

Estructuración de superficie

Los rebordes presentan mínimos en altura (H) que se encuentran en el intervalo de 0 mm a menos de 2 mm. Preferiblemente, los mínimos se encuentran en el intervalo de 0,001 a 1 mm, especialmente en el intervalo de 0,01 a 0,1 mm.

Los rebordes presentan máximos en altura (H) que se encuentran en el intervalo de más de 0 a 2 mm. Preferiblemente, los mínimos se encuentran en el intervalo de 0,001 a 1 mm, especialmente en el intervalo de 0,01 a 0,1 mm.

Por consiguiente, los máximos son siempre mayores que los mínimos. Preferiblemente, los máximos son al menos 0,001 mm, de forma especialmente preferida al menos 0,01 mm, mayores que los mínimos.

La altura de los rebordes se determina respecto a las depresiones. Las depresiones se encuentran en un plano de referencia respecto del que fluctúan las alturas de los rebordes. Teóricamente, también es posible que los rebordes se encuentren en un plano de referencia y que las depresiones fluctúen en profundidad, con lo que se producen igualmente las alturas fluctuantes de los rebordes. Los mínimos de 0 mm se encuentren en el plano de las depresiones. Sin embargo, se prefieren mínimos mayores de 0 mm.

Los mínimos y máximos se suceden periódicamente con longitudes de onda en el intervalo de 0,005 a 20 mm, preferiblemente de 0,05 a 5 mm. Se prefiere un desarrollo de longitud de onda sinusoidal.

La distancia de las filas de rebordes contiguas entre sí asciende de 0,002 mm a 5 mm, preferiblemente de 0,005 a 0,5 mm, especialmente de 0,02 a 0,2 mm, pudiendo ser las depresiones entre las filas planas, convexas o rematadas en punta. Preferiblemente, las filas de rebordes se desarrollan paralelamente entre sí en la dirección preferencial.

Los rebordes con forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal presentan un ángulo de cuña (\alpha, véase la Figura 1c)) en el intervalo de 15 a 75º, preferiblemente de 30 a 60º, especialmente de 30 a 45º. Las secciones transversales en forma trapezoidal o cuneiforme son preferiblemente simétricas, pero pueden ser dado el caso también ligera o fuertemente asimétricas. Sin embargo, esto último es problemático para la técnica de corrientes y difícilmente realizable en la técnica de fabricación. En este caso, el ángulo (\alpha') opuesto al ángulo (\alpha) es distinto de (\alpha), pero debería encontrarse igualmente en el intervalo dado para (\alpha). A condición de que no provoque perjuicios importantes al funcionamiento, es también posible usar formas de transición y ligeras modificaciones de los rebordes de forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal, así como mezclas de estas clases de formas, en una superficie.

Los rebordes pueden fluctuar además periódicamente en la amplitud de base de la sección transversal (B).

Los rebordes pueden desarrollarse directamente en su dirección preferencial, o desarrollarse también oscilando lateralmente en su dirección preferencial, preferiblemente de forma sinusoidal. En el desarrollo lateral de los rebordes que oscilan lateralmente en la dirección preferencial, las longitudes de onda de las oscilaciones laterales pueden ascender de 0,005 a 20 mm, preferiblemente de 0,001 a 10 mm, y especialmente de 0,01 a 1 mm.

El ángulo de cuña (\alpha) de los rebordes respecto a una fila es preferiblemente constante.

Las fluctuaciones periódicas de las alturas de filas contiguas de rebordes están preferiblemente alternadas, de forma especialmente preferida, desplazadas entre sí media longitud de onda, especialmente media longitud de sonda sinusoidal. Esto tiene la ventaja de que la formación de oscilaciones de resonancia y/u oscilaciones acústicas está claramente reducida.

A partir de la presente invención, es evidente para el experto que las estructuras superficiales aquí ilustradas pueden modificarse de estos u otros modos no citados explícitamente sin cambiar esencialmente su funcionamiento. Dichas modificaciones deben considerase incluidas en la invención.

Procedimiento de fabricación

La fabricación de cuerpos sólidos o las correspondientes piezas de moldeo es posible mediante el grabado de las microestructuras en procedimientos de conformación primaria, procedimientos de conformación, mecanizado por remoción o técnica de precipitación, por ejemplo, mediante procedimientos de estampado, mecanizado por arranque de virutas, fundición, fundición inyectada, irradiación rica en energía (por ejemplo, rayos láser), técnica de fotograbado, etc.

En los plásticos, se ofrecen procedimientos en los que se graba una mezcla polimerizable, por ejemplo, un jarabe de metacrilato de metilo y polimetacrilato de metilo que contiene un iniciador de la polimerización, sobre una forma maestra. Ésta puede ser, por ejemplo, una placa de vidrio con microestructura grabada negativamente.

En los termoplásticos, pueden llevarse, por ejemplo, placas o láminas extrudidas sobre cilindros de estampado, preferiblemente cilindros metálicos, en los que se proporciona una microestructura grabada negativamente.

Puede ser ventajosa la aplicación de un procedimiento de coextrusión, en el que la microestructura se estampa en una capa estampable fina, mientras que una capa de plástico colocada debajo adopta esencialmente una función de vehículo. El documento EP-A 659531 da a conocer un correspondiente procedimiento de coextrusión para estampar macroestructuras (lentes Fresnel), pero que en principio, tras adaptación en el marco de la rutina del experto, es también adecuado para microestructuras.

Usos

Los cuerpos sólidos según la invención pueden usarse como componentes con superficies reductoras de la fricción para la reducción de la fricción de corrientes de aire o agua en superficies de vehículos (de aire, agua o tierra) o como conducciones y depósitos para la reducción de la fricción de corrientes fluidas de fluidos de flujo rápido en conducciones y depósitos, para la reducción de la adherencia de contaminantes sobre superficies valiosas protegidas, como superficies antimicrobianas, como superficies refringentes y/o dispersoras de luz difusa y como superficies antirreflectantes.

Además de las propiedades ventajosas en la técnica de corrientes, pueden conseguirse también efectos ópticos, hápticos, adhesivos y/o termodinámicos técnicos y los que se exigen preferiblemente para plásticos semimanufacturados o piezas fabricadas de plástico en su superficie.

Efectos ventajosos

La invención se basa en la mejora de la geometría descrita bajo la medida de una reducción adicional de la fricción de corrientes de fluidos o gases, especialmente aire, en las superficies estructuradas según la invención, preferiblemente mediante un desarrollo de la altura sinusoidal y/o un desarrollo lateral sinusoidal de la estructura de las estrías o rebordes. De esta manera, se producen pequeños remolinos locales que permanecen en gran parte estacionarios y forman una capa límite mejorada para la corriente de fluido de paso, en la que los esfuerzos cortantes inductores de fricción pueden reducirse mejor y de esta manera se reduce el efecto de fricción de frenado del fluido o el gas sobre la superficie.

Debido a la irregularidad comparativamente mayor de la estructura frente a las geometrías conocidas, se reduce igualmente la formación de oscilaciones de resonancia dañinas de forma clara. En la carga de suciedad, las elevaciones locales (máximos de los rebordes sinusoidales) ofrecen puntos de ataque para abrasión o resistencia frente a la humectación completa de la superficie, con lo que se destruye una estructura adherente de la capa de suciedad y ésta se disgrega en granos de suciedad, que por su parte, debido a los laterales inclinados del reborde, pueden eliminarse fácilmente por lavado. De esta manera, se consigue un efecto autolimpiador.

En el equipamiento de la superficie con agentes de efecto biocida que pueden aplicarse, por ejemplo, por lacado, coextrusión o en la masa base, se potencia el efecto de los agentes en general mediante el aumento de la superficie, y se mejora frente a una estructura comparable.

Propiedades ópticas: La estructura según la invención reduce las reflexiones de la luz sobre la superficie. Además, mediante la refracción de la luz y la reemisión de radiación de la superficie, que puede fabricarse con un plástico transparente a translúcido y transparente o coloreado, se forman especialmente efectos decorativos de color y luz. La superficie estructurada ofrece una firmeza especialmente agradable, ya que las elevaciones de los rebordes pueden imprimirse localmente con más profundidad en piel, tejidos textiles, cuero, etc. que las estructuras planas sin elevaciones salientes locales.

La estructura según la invención puede grabarse a partir de plásticos amorfos, parcialmente cristalinos, reticulados y no reticulados, a partir de metales y vidrios de bajo punto de fusión sobre una superficie lisa en su mayor parte mediante producción de forma maestra, conformado o arranque de virutas o con irradiación rica en energía.

Claims (8)

1. Cuerpo sólido de plástico, vidrio, cerámica o metal que presenta al menos parcialmente una superficie microestructurada con filas orientadas en una dirección preferencial de rebordes en forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal,

caracterizado porque

los rebordes presentan mínimos y máximos en altura (H) que se encuentran en el intervalo de 0 mm a 2 mm, y

los mínimos y máximos se suceden unos a otros periódicamente con longitudes de onda en el intervalo de 0,005 a 20 mm, y

la distancia de las filas de rebordes contiguos entre sí asciende de 0,002 mm a 5 mm, pudiendo ser las depresiones entre las filas planas, convexas o rematadas en punta, y

los rebordes de forma trapezoidal o cuneiforme en sección transversal presentan un ángulo de cuña (\alpha) en el intervalo de 20 a 60º.

2. Cuerpo sólido según la reivindicación 1, caracterizado porque los rebordes fluctúan adicionalmente de forma periódica en la amplitud de base de la sección transversal (B).

3. Cuerpo sólido según la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque el ángulo de cuña (\alpha) de los rebordes respecto a una fila es constante.

4. Cuerpo sólido según una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los rebordes presentan un desarrollo oscilante lateralmente en la dirección preferencial, con longitudes de onda de las oscilaciones laterales de 0,005 a 20 mm.

5. Cuerpo sólido según una o varias de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las fluctuaciones de altura periódicas de los rebordes de filas contiguas están desplazadas de forma alterna entre sí.

6. Cuerpo sólido según la reivindicación 5, caracterizado porque las fluctuaciones de altura de los rebordes de filas contiguas están desplazadas respectivamente entre sí media longitud de onda.

7. Procedimiento para la fabricación de cuerpos sólidos según una o varias de las reivindicaciones 1 a 6, de modo conocido de por sí mediante el grabado de las microestructuras en procedimientos de conformación primaria, procedimientos de conformación, mecanizado por remoción o procedimientos de precipitación, especialmente mediante un procedimiento de estampado, mecanizado por arranque de virutas, fundición, fundición inyectada, irradiación rica en energía y/o técnica de fotograbado.

8. Uso de cuerpos sólidos según una o varias de las reivindicaciones 1 a 6 como componentes con superficies reductoras de la fricción para la reducción de la fricción de corrientes de aire o agua en superficies de vehículos (de aire, agua o tierra) o como conducciones y depósitos para la reducción de la fricción de corrientes fluidas con fluidos de flujo rápido en conducciones y depósitos, para la reducción de la adherencia de contaminantes sobre superficies valiosas protegidas, como superficies antimicrobianas, como superficies refringentes y/o dispersoras de luz difusa y como superficies antirreflectantes.