DE102020109939A1

DE102020109939A1 - Formkörper mit strukturierter Oberfläche zur gesteuerten Adhäsion

Info

Publication number: DE102020109939A1
Application number: DE102020109939.8A
Authority: DE
Inventors: Karsten Moh; Lena Barnefske; Eduard Arzt; Fabian Rundel
Original assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2021-10-14
Also published as: WO2021204840A1; US20230151247A1; EP4133021A1; CA3174343A1; JP2023521329A; JP7394497B2; KR20220153660A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Formkörper mit einer strukturierten Oberfläche, 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 Stirnfläche treten die Vorsprünge in Kontakt mit der Oberfläche des haftenden Objekts, wobei mindestens ein Vorsprung mindestens ein Strukturmerkmal umfasst, welches bei Belastung des Vorsprungs zu einer gerichteten Verformung des Vorsprungs unter Veränderung der Adhäsion führt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Formkörper mit strukturierter Oberfläche zur gesteuerten Adhäsion von Objekten oder an Oberflächen. Dabei kann die Adhäsion durch Strukturmerkmale der strukturierten Oberfläche gesteuert werden.
Stand der Technik
Die molekulare Haftung zwischen zwei Objekten kann durch faserartige Oberflächenstrukturen verstärkt bzw. gesteuert werden. Dieses Prinzip ist als Gecko-Effekt bekannt. Wird eine strukturierte Elastomer-Oberfläche mit einer bestimmten Andruckkraft gegen eine vergleichsweise flache Oberfläche gedrückt, können sich van der Waals Wechselwirkungen ausbilden. Auch die reversible Haftung, d.h. die Möglichkeit, Anhaftung und Ablösung gezielt zu schalten, ist aus der Natur bekannt. 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-/Objektoberfläche genutzt werden soll. Bei sogenannter Normalhaftung, also einer Haftkraft senkrecht zur Objektoberfläche, muss das Ablösen anders initiiert werden.
Ziel ist es, die effektive Kontaktfläche 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 ermöglichen.
Bekannt ist, dass bei Verwendung von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, z. B. > 3, zur Ablösung von einem Substrat die sogenannte Euler-Knickung verwendet werden kann. Es ist bekannt, dass die Verringerung der Kontaktfläche durch Knicken von Vorsprüngen unter Druckbelastung herbeigeführt werden kann. Bei ausreichender Druckbelastung führt eine elastische Instabilität zum Abknicken der Vorsprünge. Dies wird auch als Euler-Knickung bezeichnet. Die kritische Kraft beträgt: $F = {(n π / L)}^{2} E I$
Dabei ist E der Elastizitätsmodul, I das Flächenträgheitsmodell, L ist die Länge (Höhe) des Vorsprungs und n ist ein Vorfaktor in Abhängigkeit von der mechanischen Einspannung des Vorsprungs. Das Flächenträgheitsmoment bei einer zylindrischen Struktur beträgt I=nd⁴/64. Daraus ergibt sich folgender Zusammenhang: 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 Kontaktfläche mit der Oberfläche. Dies führt zur Reduktion der Adhäsion. Allerdings ist dafür ein Druck in Objektrichtung notwendig, um das Ablösen einzuleiten. Dies ist gerade bei empfindlichen Objekten problematisch.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Struktur bereitzustellen, welche, insbesondere bei Normalhaftung, eine einfache Ablösung ermöglicht.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindungen umfassen auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
Die Aufgabe wird durch einen Formkörper mit einer strukturierten 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 Stirnfläche treten die Vorsprünge in Kontakt mit der Oberfläche des haftenden Objekts, wobei mindestens ein Vorsprung mindestens ein Strukturmerkmal umfasst, welches bei Belastung des Vorsprungs zu einer gerichteten Verformung des Vorsprungs unter Veränderung der Adhäsion führt.
Die Belastung des Vorsprungs ist bevorzugt eine Belastung des Vorsprungs in Normalrichtung bezogen auf die Stirnfläche des Vorsprungs. Bevorzugt handelt es sich um eine Kompression des Vorsprungs entlang seines Stammes.
Es ist bekannt, dass es bei ausreichender Belastung eines Vorsprungs zur Knickung von Vorsprüngen kommt, welche zu einer Veränderung der Kontaktfläche, d.h. der Adhäsion führt. Die Vorrichtung lässt sich so reversibel zwischen einem adhäsiven Zustand in einen nicht-adhäsiven Zustand schalten. Die aufzuwendende Kraft hängt unter anderem vom effektiven komplexen Modul des Vorsprungs ab.
Gleichzeitig ist für eine gegebene Struktur die aufzuwendende Kraft nur durch Änderung des Materials oder der Struktur möglich. Eine flexible Anpassung an das zu greifende Objekt und oder an die zu kontaktierende Oberfläche ist nur schwer möglich.
Außerdem kommt es bei Belastung zu einer unkontrollierten Verformung der Vorsprünge, deren Richtung und Ausmaß nur schwer steuerbar ist. Dies führt auch dazu, dass es zu einer lateralen Verschiebung kommen kann oder das gehaltene Objekt in einen instabilen Zustand gerät und beispielsweise abrutscht.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass durch das Einfügen eines Strukturmerkmals der zum Schalten benötigte Druck in Normalrichtung einfach gesteuert und angepasst werden kann.
Bevorzugt ist der Elastizitätsmodul der Vorsprünge konstant, kann aber auch einen axialen oder lateralen Gradienten aufweisen.
Unter der senkrechten Höhe der Stirnfläche wird der Abstand der Stirnfläche zu der Oberfläche verstanden, auf der die Vorsprünge angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge der strukturierten Oberfläche der Erfindung säulenartig ausgebildet. Dies bedeutet, dass es sich um bevorzugt senkrecht zur Oberfläche ausgebildete Vorsprünge handelt, welche einen Stamm und eine Stirnfläche aufweisen, wobei der Stamm und die Stirnfläche einen beliebigen Querschnitt aufweisen können (beispielsweise kreisförmig, oval, rechteckig, quadratisch, rautenförmig, sechseckig, fünfeckig, etc.).
Bevorzugt sind die Vorsprünge so ausgebildet, dass die senkrechte Projektion der Stirnfläche auf die Grundfläche des Vorsprungs mit der Grundfläche eine Überlappungsfläche bildet, wobei die Überlappungsfläche und die Projektion der Überlappungsfläche auf die Stirnfläche einen Körper aufspannt, welcher vollständig innerhalb des Vorsprungs liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Überlappungsfläche mindestens 50 % der Grundfläche, bevorzugt mindestens 70 % der Grundfläche, besonders bevorzugt umfasst die Überlappungsfläche die gesamte Grundfläche. Die Vorsprünge sind daher bevorzugt nicht geneigt, können es aber sein. Die Vorsprünge sind bevorzugt senkrecht angeordnet, wobei das mindestens eine Strukturmerkmal nicht berücksichtigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stirnfläche parallel zur Grundfläche und zur Oberfläche ausgerichtet. Falls die Stirnflächen nicht parallel zur Oberfläche ausgerichtet sind und daher verschiedene senkrechte Höhen aufweisen, wird als senkrechte Höhe des Vorsprungs die mittlere senkrechte Höhe der Stirnfläche angesehen. Dabei werden eventuelle Strukturmerkmale, welche die Stirnfläche umfassen nicht berücksichtigt.
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 2 bis 15, bevorzugt von 2 bis 10, besonders bevorzugt zwischen 3 und 5 auf.
In einer Ausführungsform liegt das Aspektverhältnis bei bis zu 10, insbesondere bei bis zu 5.
Unter dem mittleren Durchmesser wird dabei der Durchmesser des Kreises verstanden, der die gleiche Fläche wie der entsprechende Querschnitt des Vorsprungs aufweist, gemittelt über die gesamte Höhe des Vorsprungs, wobei Strukturmerkmale nicht berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt das Verhältnis der senkrechten Höhe eines Vorsprungs zum Durchmesser bei einer bestimmten Höhe über die gesamte Höhe des Vorsprungs immer bei 2 bis 15, bevorzugt bei 2 bis 10, besonders bevorzugt zwischen 3 und 5. In einer Ausführungsform liegt dieses Aspektverhältnis bei bis zu 10, insbesondere bei bis zu 5. 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 Durchmesser aufweisen. Dabei werden Bereiche mit Strukturmerkmalen nicht berücksichtigt.
Die Vorsprünge können verbreiterte Stirnflächen aufweisen, sogenannte „mushroom“-Strukturen. Die verbreiterte Stirnfläche kann sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch sein und sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch auf dem Stamm angeordnet sein. Dadurch kann der Beginn der Ablösung der Struktur begünstigt werden, beispielsweise wenn die Verbreiterung bevorzugt nach einer Seite hin ausgerichtet ist.
Die Stirnflächen der Vorsprünge können selbst strukturiert sein, um ihre Oberfläche zu erhöhen. In diesem Fall wird als senkrechte Höhe der Vorsprünge die mittlere senkrechte Höhe der Stirnfläche angesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die senkrechte Höhe aller Vorsprünge in einem Bereich von 1 µm bis 10 mm, bevorzugt 1 µm bis 5 mm, insbesondere 1 µm bis 2 mm, bevorzugt in einem Bereich von 1 µm bis 1 mm. Dabei wird der Durchmesser entsprechend dem Aspektverhältnis gewählt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die senkrechte Höhe aller Vorsprünge in einem Bereich von 10 µm bis 1 mm, bevorzugt 10 µm bis 800 µm, besonders bevorzugt 50 µm bis 600 µm, ganz besonders bevorzugt 100 µm bis 500 µm. Dabei wird der Durchmesser entsprechend dem Aspektverhältnis gewählt.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Grundfläche eines Vorsprungs von der Fläche her einem Kreis mit einem Durchmesser zwischen 1 µm bis 5 mm, bevorzugt 1 µm und 2 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 1 µm und 500 µm, besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 200 µm. In einer Ausführungsform ist die Grundfläche eines Vorsprungs ein Kreis mit einem Durchmesser zwischen 1 µm und 500 µm, bevorzugt 10 µm und 200 µm.
Der mittlere Durchmesser der Stämme liegt bevorzugt zwischen 0,1 µm bis 5 mm, bevorzugt 0,1 µm und 2 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 1 µm und 500 µm, bevorzugt 5 µm bis 200 µm. Bevorzugt ist die Höhe und der mittlere Durchmesser entsprechend dem bevorzugten Aspektverhältnis angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist bei verbreiterten Stirnflächen die Oberfläche der Stirnfläche eines Vorsprungs mindestens 1,01 mal, bevorzugt mindestens 1,4 mal so groß wie die Fläche der Grundfläche eines Vorsprungs. Sie kann beispielsweise um den Faktor 1,01 bis 2 größer sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Stirnfläche zwischen 5% und 100% größer als die Grundfläche des Vorsprungs, besonders bevorzugt zwischen 5% und 20% der Grundfläche des Vorsprungs.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen zwei Vorsprüngen weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm. Bevorzugt ist ein Abstand von unter 500 µm, insbesondere von 10 µm bis 400 µm. Dabei bezeichnet der Abstand die minimale Strecke von dem Rand der Grundfläche des Vorsprungs zum Rand der Grundfläche des nächsten Vorsprungs.
Das mindestens eine Strukturmerkmal ist bevorzugt ein lokales Strukturmerkmal. Dies bedeutet, dass es bezogen auf eine Grundstruktur eines Vorsprungs immer nur einen abgrenzbaren Bereich des Vorsprungs betrifft. Bevorzugt betrifft das mindestens eine Strukturmerkmal bezogen auf die Höhe des Vorsprungs maximal 80 % der Höhe eines Vorsprungs. Das Strukturmerkmal führt dadurch zu einer lokalen mechanischen Schwächung oder Stärkung bei Belastung des Vorsprungs.
Bevorzugt ist das mindestens eine Strukturmerkmal eine Aussparung und/oder Auswölbung des Vorsprungs bezogen auf seine Grundform. Dabei ist eine Beugung des Vorsprungs die Kombination einer Aussparung mit einer Auswölbung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Strukturmerkmal ausgewählt aus Kerben, Schlitzen, Beugungen, Abschrägungen (Fasen), Vorsprüngen und/oder Auswölbungen.
Das mindestens eine Strukturmerkmal ist bevorzugt ausgewählt aus Aussparungen wie Kerben, Schlitzen oder Abschrägungen, oder Beugungen.
Die Vorsprünge können auch mehrere Strukturmerkmale oder mehrere unterschiedliche Strukturmerkmale aufweisen.
Das mindestens eine Strukturmerkmal führt zu einer gerichteten Verformung. Dafür ist es bevorzugt auf einer Seite des Vorsprungs angeordnet. Dadurch kann die Verformung zu dieser Seite hin oder weg gesteuert werden. Dadurch können kleinere Ungenauigkeiten bei der Ausrichtung des Formkörpers zur Oberfläche nicht zu einer Veränderung des Ablöseverhalten führen.
Bevorzugt führt das mindestens eine Strukturmerkmal dazu, dass es bei gleicher Belastung früher zu einer Verformung, insbesondere Knickung, des Vorsprungs kommt. Dadurch kann die zur Verformung notwendige Anpresskraft erniedrigt werden. Die Verformung führt im Gegenzug dazu, dass sich die Stärke der Adhäsion des Vorsprungs verringert, bis hin zur Verringerung der Kontaktfläche der Stirnfläche. Dadurch kann der Formkörper schon bei geringeren Belastungen in einen nicht-adhäsiven Zustand geschaltet werden. Dadurch kann der Formkörper einfacher abgelöst werden. Außerdem ist die zur Ablösung aufzuwendende Kraft geringer.
Ein Vorsprung kann auch mehrere insbesondere unterschiedliche Strukturmerkmale aufweisen. Diese können komplementär oder konstruktiv wirken. Zusammengenommen bestimmten die Strukturmerkmale insgesamt die resultierende Verformung des Vorsprungs. Sie wird durch die Summe der Wechselwirkungen vorbestimmt.
Die Verwendung von Strukturmerkmalen ermöglicht es, die adhäsiven Eigenschaften des Formkörpers auf einfache Weise anzupassen und zu verändern. Sie können insbesondere genau auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten werden. Da das Material nicht verändert werden muss, können mit einer Fertigungstechnik viele verschiedene Varianten hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Strukturmerkmal eine Aussparung, insbesondere mindestens eine Kerbe oder mindestens ein Schlitz, am Stamm des Vorsprungs.
In dieser Ausführungsform führt das mindestens eine Strukturmerkmal zu einer lokalen Schwächung des Vorsprungs. Das führt dazu, dass bei Belastung der Vorsprung bevorzugt entgegengesetzt zur Seite der Schwächung knickt. Bevorzugt ist mindestens ein Strukturmerkmal mittig angeordnet. Dies bedeutet bevorzugt, dass es sich in einer Höhe von 10 bis 90 % der senkrechten Höhe des Vorsprungs befindet. Im Falle einer Beugung liegt das Maximum der Beugung bevorzugt in einem Bereich von 40 % bis 60 % der Höhe des Vorsprungs. Der bevorzugte Bereich kann je nach Struktur der Schwächung unterschiedlich sein.
Die Aussparung weist bevorzugt eine maximale Tiefe von 50 % des Durchmessers des Vorsprungs auf der Höhe der Aussparung auf, bevorzugt von maximal 40 %. Dabei bezieht sich die Tiefe auf den innersten Punkt der Aussparung bezogen auf die Normale zur Außenfläche des Vorsprungs.
Die Aussparung weist bevorzugt eine maximale Ausdehnung von mindestens 10 % des Durchmessers des Vorsprungs auf der Höhe der Aussparung auf, wobei die Ausdehnung als Strecke auf der Oberfläche des Vorsprungs ohne Aussparung definiert wird.
Die Aussparung kann sehr unterschiedlich geformt sein. Bevorzugt handelt es sich um eine nach innen sich stetig verengende Aussparung. Das von der Aussparung umschlossene Volumen innerhalb des Vorsprungs kann im Falle einer Kerbe Teil einer geometrischen Form wie einer Kugel, eines Zylinders, bevorzugt eines Kreiszylinders, eines Ellipsoids, Kegels, einer Pyramide oder eines Würfels sein. Bevorzugt ist eine Form ohne Kanten, wie ein Teil einer Kugel, eines Zylinders oder eines Ovals. Besonders bevorzugt ist als Form der Teil eines Zylinders, oval oder kreisförmig, wobei die Fläche der Aussparung Teil der Mantelfläche des Zylinders ist. Bevorzugt ist die Achse des Zylinders senkrecht zum Vorsprung. Die Aussparung kann dann als längliche Vertiefung mit gerundeter Innenfläche beschrieben werden.
Im Fall eines Schlitzes kann das Volumen die Form eines Grats haben. Der Schlitz kann waagrecht sein, er kann aber auch geneigt sein. Der Öffnungswinkel des Schnitts ist bevorzugt 0° bis 70°, bevorzugt 0° bis 50°, besonders bevorzugt 10° bis 40°.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Strukturmerkmal eine Beugung. Dies bedeutet, dass der Stamm des Vorsprungs nicht senkrecht verläuft, sondern bevorzugt in einem Bereich von 20 % bis 80 % der Höhe des Vorsprungs, eine zunehmende und wieder abnehmende Verschiebung des Vorsprungs nach einer Seite hin aufweist. Dies führt zu einer lokalen Beugung entlang des Stamms des Vorsprungs. Dabei bleibt die Relation zwischen Stirnfläche und Grundfläche erhalten. Bevorzugt ändert sich die Form des Querschnitts des Vorsprungs im Bereich der Beugung nicht. Dies bedeutet, dass der Vorsprung entlang des Strukturmerkmals keinen variierenden Durchmesser aufweist, sondern der Vorsprung eine Beugung aufweist. Bei Beginn und Ende der Beugung ist die jeweilige Querschnittsfläche in Deckung mit der Grundfläche des Vorsprungs. Bevorzugt verringert sich im Verlauf der Beugung die Überlappung der jeweiligen Querschnittsfläche im Verhältnis zur Grundfläche auf bis zu 20 %, bevorzugt bis zu 30 %. Bevorzugt ist der Verlauf der Beugung entlang der Längsachse des Vorsprungs symmetrisch. Bevorzugt weist die Beugung einen stetigen Verlauf auf, dies bedeutet, dass sie keine Kanten oder Ecken entlang der Höhe des Vorsprungs aufweist. Die Beugung gibt die spätere Verformung vor und führt so zu einer gerichteten Verformung. Die Biegung ist daher bevorzugt nur zu einer Seite hin.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens ein Strukturmerkmal Teile der Stirnfläche des Vorsprungs.
Bevorzugt umfasst die Stirnfläche des Vorsprungs mindestens 30 % der Fläche der Stirnfläche ohne Strukturmerkmal. Dadurch ist sichergestellt, dass noch ausreichend Fläche für die Adhäsion zur Verfügung steht. Bevorzugt ist ein Bereich von mindestens 40 % bis 80 %. Die Aussparung umfasst dabei mindestens einen Teil des Rands der Stirnfläche. Bevorzugt ist die verbleibende Stirnfläche eine durchgehende Fläche.
Das Strukturmerkmal ist in diesem Fall bevorzugt eine Aussparung. Dies bedeutet, dass der Vorsprung auf einer Seite keine Stirnfläche aufweist, welche ohne Belastung die Oberfläche kontaktiert. Bei Belastung erfolgt dann die Verformung bevorzugt in Richtung dieser Seite.
Die Oberfläche der Aussparung kann in diesem Fall unterschiedlich geformt sein. Bevorzugt weist die Aussparung in diesem Fall eine ebene Oberfläche auf, welche eine gemeinsame, gerade Kante mit der Stirnfläche aufweist. Bei Belastung ist es möglich, dass durch die Verformung die Oberfläche der Aussparung die Oberfläche kontaktiert. Dadurch kann zwischen diesen beiden Oberflächen des Vorsprungs geschaltet werden.
Der Winkel zwischen der Oberfläche der Aussparung und der Stirnfläche liegt dabei bevorzugt zwischen 10° und 70°.
Bei dieser Ausführungsform kann die Stirnfläche direkt beeinflusst werden. Somit können auch die Adhäsionskraft und die Belastung, ab der eine Verformung auftritt, über einen sehr großen Bereich gesteuert werden. Auch tritt die Verformung deutlich früher auf, da im Gegensatz zu Strukturmerkmalen am Stamm die Kontaktfläche der Vorsprünge geringer ist.
Im Unterschied zu Aussparungen am Stamm führt die Aussparung umfassend die Stirnfläche zu einer Verformung in Richtung der Aussparung. Bei Aussparungen am Stamm führt die Verformung zu einer Knickung entgegengesetzt zur Aussparung. Bevorzugt sind Vorsprünge, welche unabhängig von ihrer Art an Strukturmerkmalen unter den gewählten Bedingungen eine eindeutige Verformungsrichtung aufweisen.
Der Elastizitätsmodul des Vorsprungs beträgt bevorzugt 50 kPa bis 1 GPa, bevorzugt 500 kPa bis 20 MPa, besonders bevorzugt 1 MPa bis 10 MPa. Der Elastizitätsmodul eines Vorsprungs ist bevorzugt konstant. Ein Vorsprung kann aber auch unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul umfassen. So ist es beispielsweise möglich den Bereich umfassend die Stirnfläche aus einem besonders weichem Material zu bilden.
Die Elastizität der Vorsprünge kann auch über die Härte des verwendeten Materials, bevorzugt ein Elastomer, definiert werden. Bevorzugt ist eine Härte von Shore-A 20 bis Shore-A 100, bevorzugt Shore-A 40 bis Shore-A 80, für das Material der Vorsprünge.
Die Vorsprünge können aus vielen unterschiedlichen Materialien bestehen, bevorzugt sind 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, Polymethacrylate als Homo- und Copolymere (PMMA, AMMA Acrylnitril/Methylmethacrylat), Polyurethan(meth)acrylate, Silikone, Silikonharze, Kautschuk, wie R-Kautschuk (NR Naturkautschuk, IR Poly-Isopren-Kautschuk, BR Butadienkautschuk, SBR StyrolButadien-Kautschuk, CR Chloropropen-Kautschuk, NBR NitrilKautschuk), M-Kautschuk (EPM Ethen-Propen-Kautschuk, EPDM Ethylen-Propylen-Kautschuk), ungesättigte Polyesterharze, Formaldehydharze, Vinylesterharze, Polyethylene als Homo- oder Copolymere, sowie Mischungen und Copolymere der vorgenannten Materialien. Bevorzugt sind auch Elastomere, welche zur Verwendung im Bereich Verpackung, Pharma und Lebensmittel von der EU (gemäß EU-VO Nr. 10/2011 vom 14.01.2011, veröffentlicht am 15.01.2011) oder FDA zugelassen sind oder silikonfreie UV-härtbare Harze aus der PVD und CVD-Verfahrenstechnik. Dabei steht Polyurethan(meth)acrylate für Polyurethanmethacrylate, Polyurethanacrylate, sowie Mischungen und/oder Copolymere davon.

Bevorzugt sind epoxy- und/oder silikonbasierte Elastomere, Polyurethan(meth)acrylate, Polyurethane, Silikone, Silikonharze (wie UV-härtbares PDMS), Polyurethan(meth)acrylate oder Kautschuk (wie EPM, EPDM).
Bevorzugt sind die Vorsprünge mit Ausnahme der Strukturmerkmale massiv ausgeführt.
Der Formkörper umfasst eine Vielzahl von Vorsprüngen. Bevorzugt sind sie regelmäßig angeordnet. Bevorzugt weisen alle Vorsprünge des Formkörpers mindestens ein Strukturmerkmal auf.
Abhängig von der erforderlichen Kontaktfläche weist der Formkörper 3 bis 50 Vorsprünge auf, insbesondere 3 bis 20 Vorsprünge. Es ist auch möglich, dass mehrere Formkörper mit Gruppen von Vorsprüngen zu einer gemeinsamen Adhäsionsvorrichtung kombiniert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strukturmerkmale der Vorsprünge so angeordnet, dass die Verformung in mindestens einer Richtung zu keiner lateralen Verschiebung führt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass sich die relativen Verformungen der Vorsprünge in diese Richtung gegeneinander aufheben. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Strukturmerkmale an den einzelnen Vorsprüngen so angeordnet sind, dass die lateralen Kräfte durch die Verformung der Vorsprünge sich gegenseitig aufheben. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Verformungsrichtung, d.h. die Richtungen des Knickens der Vorsprünge, auf einen Punkt, eine gemeinsame Symmetrieebene oder Drehachse hin oder weg zeigen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Vorsprünge konzentrisch angeordnet sind und die Knickrichtung jeweils radial zu diesem Kreis ist. Die Aussparungen an den jeweiligen Vorsprüngen sind dann so angeordnet, dass die Verformung zum Knicken nach außen führt, oder zu einem Knicken der Vorsprünge nach innen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur reversiblen Adhäsion eines erfindungsgemäßen Formkörpers an einer Oberfläche.
Es ist auch möglich, dass mehrere der erfindungsgemäßen Formkörper parallel verwendet werden, um ein Objekt oder mehrere Objekte zu greifen.
Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
Dazu 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 in Richtung der Oberfläche belastet (Normalbelastung).
Durch diese Bewegung kommt es zu einer Verformung 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. Aufgrund der Strukturmerkmale ist, insbesondere als Aussparungen, kann die Kraft zur Verformung passend zum Objekt eingestellt werden, ohne dass das Material verändert werden muss.
Gerade bei sehr kleinen und empfindlichen Bauteilen, wie Mikrochips, integrierte Schaltkreise, Displays oder Touchscreens, bietet der erfindungsgemäße Formkörper Möglichkeiten zur selektiven Adhäsion und Ablösung ohne große Belastung des Objekts. Auch sind mit diesem Verfahren Objekte adressierbar, welche über eine herkömmliche Saugvorrichtung nicht ohne weitere Maßnahmen aufgenommen werden können.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:

1 Mikroskopische Aufnahmen (links) und dreidimensionale Darstellungen (rechts) der Strukturen A1 und A2;
2 Mikroskopische Aufnahmen (links) und dreidimensionale Darstellungen (rechts) der Strukturen A3, A4 und A5;
3 Mikroskopische Aufnahmen (links) und dreidimensionale Darstellungen der Strukturen A6 und A7;
4 Mikroskopische Aufnahmen (links) und dreidimensionale Darstellungen von Strukturen 2x3-Anordnung der Vorsprünge;
5 Schematische Darstellungen der Referenzstrukturen A, B, C, D, E;
6 Schematische Darstellungen und Querschnitte verschiedener Strukturen mit einer Kerbe (Kerbe A bis Kerbe E) ;
7 Schematische Darstellungen und Querschnitte verschiedener Strukturen mit einem Schlitz oder mehreren Schlitzen (Schlitz A bis Schlitz E);
8 Schematische Darstellungen verschiedener Strukturen mit einer Ecke und einer Kerbe, sowie einem Querschnitt durch die Eckenstruktur (Ecke A bis Ecke E);
9 Dreidimensionale Darstellung und Querschnitt durch eine Struktur mit Krümmung (S-Form);
10 Schematische Darstellung von Strukturen mit 6 Säulen, Strukturen: Referenz F, Kerbe F, Ecke F und S-Struktur F;
11 Schematische Darstellung der Parameter der Ecken;
12 Schematische Darstellung der Strukturen Ecke G, Ecke H, Ecke I, Ecke J, Ecke K und Ecke L;
13 Aufnahmen von Strukturen unter Eulerknickung;
14 Messung der Haftkraft (F_H) bei einer Kompression von 25% in Abhängigkeit einer Fehlorientierung in x-Richtung für verschiedene Proben;
15 Adhäsionsmessungen unterschiedlicher Proben a) 250 mN Kraftmesssensor, Geschwindigkeit: 100 µm/s; Referenz B und A1; b) 2 N Kraftmesssensor, Geschwindigkeit 5 µm/s; keine Haltezeit bei Kontakt mit dem Substrat; Kompressionskraft 500 µN;
16 Kraft-Weg-Diagramm für Struktur A2 (a) und A1 (b) gemessen mit 2N Kraftmesssensor, Geschwindigkeit 10 µm/s;
17 Messung der Anpresskraft in Abhängigkeit der Strecke für Referenz A, Kerbe A, Kerbe B, 250 mN Kraftmesssensor; Geschwindigkeit 100 µm/s;
18 Prozentuale Abnahme der Adhäsionskraft verschiedener Strukturen (Referenz A und Schlitzstrukturen) bei einer Kompression von 15 % (250 mN Kraftmesssensor, Geschwindigkeit 10 µm/s);
19 Haftkraftverlauf in Abhängigkeit von der Kompression für die Struktur Referenz F;
20 Messreihe für die Struktur Referenz F für Haftkraft (F_H), Anpresskraft (F_p) und normierte Kontaktfläche am Übergang von Anfahren und Abziehen (A/A₀) , 250 mN Kraftmesssensor, Anfahr- und Abfahrgeschwindigkeit 10 µm/s, keine Haltezeiten bei Kontakt, Pausezeit zwischen jeder Messung 3 Minuten;
21 Messreihe wie 20 für die Struktur Kerbe F;
22 Messreihe wie 20 für die Struktur Ecke F;
23 Messreihe wie 20 für die S-Struktur F;
24 Kraft-Weg-Diagramme für die Strukturen a) Referenz F, b) Kerbe F für Kompressionen von 10 %, 25 % und 45 %;
25 Kraft-Weg-Diagramme für die Strukturen a) Ecke F, b) S-Struktur F für Kompressionen von 10 %, 25 % und 45 %;
26 Einfluss der Geschwindigkeit beim Ablösen auf die Haftkraft für Kompressionen von 10 %, 25 % und 45 % a) Referenz F, b) Kerbe F. 250 mN Kraftmesssensor, Anfahrgeschwindigkeit 10 µm/s, Ablösegeschwindigkeit 5 µm/s - 500 µm/s;
27 Einfluss der Geschwindigkeit beim Ablösen auf die Haftkraft für Kompressionen von 10 %, 25 % und 45 % a) Ecke F, b) S-Struktur F, 250 mN Kraftmesssensor, Anfahrgeschwindigkeit 10 µm/s, Ablösegeschwindigkeit 5 µm/s - 500 µm/s;
28 Messreihe zur Abhängigkeit des Eckwinkels nach Tabelle 9 auf die Haftkraft (jeweils erste Säule: Haftkraft im Anwendungsbereich; jeweils zweite Säule: max. Kompressionskraft; jeweils dritte Säule: Abschälkompression);
29 Messreihe zur Abhängigkeit des Eckenmaßes nach Tabelle 9 auf die Haftkraft (jeweils erste Säule: Haftkraft im Anwendungsbereich; jeweils zweite Säule: max. Kompressionskraft; jeweils dritte Säule: Abschälkompression);

Herstellung
Die Strukturen wurden in drei Schritten hergestellt. Zunächst wurden die Positivstrukturen mittels einer 2-Photonen-Polymerisation (2PP) hergestellt, danach erfolgte eine Abformung dieser Struktur mittels eines Elastomers (vorzugsweise Silikon) zu einer Negativform und schließlich wurde aus dieser die Positivstruktur aus einem weiteren Elastomer (Polyurethan oder Silikon) abgeformt.
2-Photonen-Polymerisation (2PP)
Die Oberfläche der Substrate wurde 3 Minuten im Plasmaofen aktiviert. Danach wurde eine Silanisierung mit dem Reagenz 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate (MPTS) durchgeführt, indem einige Tropfen des Reagenz auf das Substrat gegeben wurden. Nach 60 Minuten wurde das Reagenz mit Ethanol abgewaschen und das Substrat getrocknet.
Die Strukturen wurden mit dem Photonic Professional GT oder GT2 (PPGT oder PPGT2) der Firma Nanoscribe geschrieben. Es wurde mit dem Objektiven 10x (NA 0.3), 25x (NA 0,8) und 63x (NA 1.4) der Firma Zeiss geschrieben. Es wurden die Fotolacke IP-S, IP-Dip, IP-Q, IP-G 780 der Firma Nanoscribe verwendet. Als Substrate wurden mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtetes Glas, Quarzglas(25 x 25 x 0.7) mm oder Borosilicatglas verwendet. Die Schreibparameter wurden so angepasst, dass die Strukturen ohne Fehlstellen und möglichst exakt wiedergegeben werden können.
Beispielsweise wurde mit einem 25x (NA 0,8) Objektiv mit 26 mW Laserleistung und einer Schreibgeschwindigkeit von 100 000 µm/s auf ITO beschichtetes Glas mit IP-S geschrieben. Die Strukturen wurden als Festkörper („solid“)geschrieben, da die Stabilität für die Abformung benötigt wird, um Kollabieren der Strukturen zu vermeiden.
Die mittels 2PP hergestellten Strukturen wurden in dem Lösungsmittel Propylenglycolmonomethyletheracetat (1-Methoxy-2-propylacetat, MPA) entwickelt bis sich der unpolymerisierte Fotolack gelöst hat. Anschließend wurde das Lösungsmittel MPA gegen Isopropanol ausgetauscht. Im Lösungsmittel Isopropanol verbleibend wurde die geschriebene Struktur für 5 Minuten mit einer UV-Lampe unter Stickstoff-Atmosphäre nach-polymerisiert. Anschließend wurde die Struktur vorsichtig aus dem Isopropanol genommen und abgespült.
Herstellung einer Negativform
Zunächst wurde die Oberfläche der geschriebenen Struktur eine Minute im Plasmaofen aktiviert. Anschließend wurden einige Tropfen des Reagenz (3,3,3-Trifluoropropyl)trimethoxysilan auf die Struktur und das Substrat gegeben, nach 45 Minuten wurde es mit Ethanol abgewaschen und die Struktur getrocknet.
Das Substrat wurde mit einem Silikonelastomer, beispielsweise mit Köraform A40 (Firma CHT Bezema) oder Elastosil® M4601(Firma Wacker abgeformt.
Herstellung der Positivstrukturen
Die Abformung kann entweder direkt auf ein geeignetes Substrat (z. B. einen Metallstift, mit dem die Struktur gehandhabt werden soll) abgeformt werden und haftet durch das Aushärten hieran oder erst nach der Aushärtung auf eine Halterung geklebt werden. Verwendete Materialien waren u. a. Polyurethan (PU) PMC-780 (Firma Smooth-On) mit einer Shore A Härte von 80, PMC-770 (Firma Smooth-On) mit einer Shore A Härte von 70 oder Silikone wie Sylgard 184 (Dow), Silopren® LSR 7060 (Momentive) oder KER-4690 (Shin-Etsu). Eine geringe Menge des Materials wurde vorsichtig auf die entsprechende Form gegeben. Anschließend wurde die Form unter Vakuum vollständig gefüllt entsprechend abgedeckt. Die abgeformten Strukturen wurden mikroskopisch charakterisiert.
Hergestellte Strukturen
Es wurden Strukturen mit unterschiedlichen Merkmalen zur Beeinflussung der Vorsprünge hergestellt, insbesondere mit Kerben, Schlitzen, Beugungen, aber auch die Modifikation der Stirnfläche (Kontaktfläche) mit Ecken für einen gezielten Kontaktflächenwechsel. Eine Übersicht über die hergestellten Strukturen mit den entsprechenden Maßen ist im Folgenden angegeben.
Tabelle 1 zeigt die Ausmaße der verschiedenen Strukturen von Typ A1 bis A7. In den 1, 2 und 3 sind mikroskopische Aufnahmen und dreidimensionale Darstellungen der verschiedenen Strukturen dargestellt.
In Tabelle 2 sind die jeweiligen Merkmale der einzelnen Struktur angegeben.
Tabelle 3 zeigt die Maße und Merkmale der Strukturen aus 4.
Tabelle 4 zeigt die Merkmale der hergestellten Referenzstrukturen aus 5.
Tabelle 5 zeigt verschiedene Strukturen mit Kerben. Schematische Darstellungen und der Querschnitt der jeweiligen Struktur zeigt 6. Eine typische Form einer Kerbe ist eine Halbkugel mit einem Radius von 14,4 µm (20 % des Säulendurchmessers), 28,8 µm (40 % des Säulenradius) oder ein ovaler Kerbenradius. Typische Positionen der Kerbe sind mittig, nahe der Kontaktfläche (Stirnfläche) oder nahe des Backing Layers, bevorzugt mittig, da dort das Einknicken stattfindet.
Tabelle 6 zeigt verschiedene Strukturen mit Schlitzen. Schematische Darstellung und der Querschnitt der jeweiligen Struktur zeigt 7. Der typische Schnittwinkel ist 30°. Die Positionen des Schlitzes sind mittig, nahe der Kontaktfläche (Stirnfläche), nahe des Backing Layers, auf beide Seiten der Säule. Es können üblicherweise 1 bis 3 Schlitze sein. Sie können innen und/oder außen angeordnet sein.
Tabelle 7 und 8 zeigen Strukturen, welche eine Ecke an der Stirnfläche aufweisen, sowie als weiteres Strukturmerkmal eine Kerbe aufweisen. Der in der 8 gezeigte Querschnitt zeigt einen Querschnitt durch den oberen Bereich mit der Ecke. Ein typischer Eckenwinkel ist 45°. Ein typisches Eckenmaß liegt bei 35 % bezogen auf den Durchmesser der Stirnfläche ohne Ecke (35 µm bei einem Durchmesser von 100 µm).
9 zeigt eine hergestellte Struktur vom S-Typ. Ein typischer Radius der Beugung beträgt ca. 134 µm, was fast der halben Säulenhöhe entspricht. Die Angaben im Querschnitt entsprechen Millimetern.
10 zeigt Strukturen mit jeweils 6 Säulen. Der Kreisdurchmesser, auf welchem die Mittelpunkte der äußeren Säulen liegen, beträgt jeweils 300 µm. Die Maße zeigt Tabelle 8.
11 zeigt die Definition der Parameter der unterschiedlichen Ecken (Parameter in Tabelle 9) für Strukturen auf der Basis von Ecke F.
12 zeigt die Parameter und schematische Darstellungen der Strukturen Ecke G bis L (Parameter in Tabelle 9)
Tabelle 10 zeigt das Knickverhalten unterschiedlicher Strukturen. Die Referenzstrukturen A bis D knicken immer nach außen oder global. Die Ergebnisse zeigen, dass die Merkmale der Strukturen das Knickverhalten, insbesondere die Knickrichtung (z. B. innen oder außen, bzw. zentrisch nach innen oder außen), beeinflussen. Nur wenn die Schlitze sehr nah an der Kontaktfläche sind (Schlitz D), knickt die Struktur nicht nach außen. Bei den Strukturen mit mehreren unterschiedlichen Merkmalen (Ecke innen, Kerbe innen) dominiert im Fall der Strukturen A bis C die Ecke das Knickverhalten. Erst bei der Kerbe mit größerem Durchmesser (D) oder ovaler Kerbe (E) dominiert die Kerbe das Knickverhalten. Dies zeigt, dass der Radius der Kerbe ihren Einfluss bestimmt. Mit Schlitzen in der Nähe der Kontaktfläche könnte die Anpassungsfähigkeit der Strukturen an unregelmäßige Oberflächen erhöht werden.
13 zeigt Aufnahmen verschiedener Strukturen beim Knicken. Die Referenzstruktur A knickt unvorhersehbar. Die Richtung wird durch Einflussfaktoren wie Ausrichtung der Strukturen zum Substrat und Qualität der Struktur bestimmt. Die Kerbstruktur A knickt gezielt nach außen bezogen auf den Mittelpunkt der Struktur. Dies reduziert die Kontaktfläche der Stirnfläche, die zur Adhäsion zur Verfügung steht. Die Kerbstruktur B mit dem größeren Kerbradius knickt noch stärker. Dies reduziert die Kontaktfläche noch stärker. Die Adhäsion wird noch stärker geschwächt. Die S-Struktur A1 knickt entsprechend der vordefinierten Form nach außen.
Das Knickverhalten der Kerbstrukturen mit versetzen Caps (innen oder außen) wird immer von der Kerbe dominiert.
Auch die 2x3-Strukturen knicken entsprechen ihrer Anordnung der Kerben selektiv nach außen.
Für die Strukturen F wurde der Einfluss einer Verkippung in x-Richtung auf die Haftkraft und die Knickverhalten gemessen. Für alle Strukturen nimmt die Haftkraft mit bis zu einem Verkippungswinkel von 3° ab. Die Struktur Referenz F knickt entsprechend der Verkippungsrichtung global in eine Richtung. Die anderen Strukturen (Kerbe F, Ecke F und S-Struktur F) knicken immer zentrisch nach außen. Die Abnahme der Haftkraft ist bei der Kerbstruktur geringer als bei den anderen Strukturen (14; Haftkraft (F_H), Kompressionskraft (F_P)).
15 zeigt den Einfluss der Krümmung der S-Struktur A1 auf die Adhäsionskraft (15 a) und b)). Bei gleicher Kontaktfläche werden mit den gebogenen Strukturen (A1) bei vergleichbarer Anpresskraft geringere Adhäsionskräfte gemessen. Dies ist für das Ablösen leichter Bauteile von Vorteil.
Aus 16 ist ersichtlich, dass die Struktur A2 einem veränderten Kraft-Weg-Verlauf im Vergleich zu der Struktur A1 aufweist. Bei der Struktur A1 kommt es zu keinem Kraftabfall (Abfall der Anpresskraft) durch Abknicken der Säulen.
Für die Strukturen aus 4 wurden ähnliche Ergebnisse gemessen. Die Adhäsionskraft ist auch nach 10 Zyklen noch konstant. Außerdem steigt mit steigender Ablösegeschwindigkeit auch die Adhäsionskraft, sofern noch kein Knicken in den Strukturen erzielt wurde.
17 zeigt den Einfluss des Kerbradius auf die Anpresskraft. Mit zunehmenden Kerbradius knicken die Säulen früher ein und die maximale Anpresskraft verringert sich. Dies ist für automatische Prozesse von Vorteil, die dadurch weniger präzise an sensible Bauteile heranfahren müssen.
18 zeigt die Reduktion der Adhäsionskraft bei 15 % Kompression (optisches Knicken, aber kein Kontaktflächenverlust). So kann die Adhäsionskraft bei einer Anpresskraft von 5 mN um 20-50% herabgesetzt werden, bei Referenz A nur um ca. 15 % ( 18). Die Adhäsionskraft nimmt um 30-40% mit zunehmender Ablösegeschwindigkeit (5-100 µm/s) zu. Im nicht geknickten Zustand hat die Haltezeit (0-10 Sekunden) keinen Einfluss auf die Adhäsionskraft. Bei 15 % Kompression hat die Haltezeit (0- 10 Sekunden) ebenfalls keinen Einfluss auf die Adhäsionskraft.
19 zeigt einen typischen Haftkraftverlauf in Abhängigkeit mit der Kompression. Es zeigt sich mit zunehmender Kompression ein oberes Plateau, ein Kraftabfall, ein unteres Plateau und ein erneuter Kraftabfall. Besonders bevorzugt sind Strukturen mit einer Kompression von 25% für eine reduzierte Haftkraft. Dies erlaubt die Ablösung auch bei empfindlichen Objekten. Das erste Plateau ist ein Effekt des Knickens. Bei dem zweiten Plateau werden die Säulen stark viskoelastisch verformt, so dass beim Abfahren die Kontaktfläche nicht mehr vollständig in Kontakt gebracht werden kann und dadurch die Haftkraft reduziert wird.
20 zeigt eine Messreihe zur Bestimmung der Haftkräfte bei unterschiedlichen Anpresskräften (2,5 % Kompression bis 45 % Kompression) für Struktur Referenz F. Für jede Kompression wurde eine neue Messung durchgeführt und hierfür die Haftkraft F_H, die Anpresskraft F_P und die Kontaktfläche am Übergang von Anfahren und Abziehen ausgewertet. Dabei steht F_H,pt für die Haftkraft bei einer Kompression von 25%; F_H,max für die maximale Haftkraft; _K für eine Kompression.
Optisches Knicken tritt ein bei z₁ ≈ 7,5 % und Reduktion der Kontaktfläche durch Abschälen der Struktur tritt ein bei z₂ ≈ 18,75 %. Die maximal mögliche Kompressionskraft beträgt F_P,max « 33,3 mN und wird bei einer Kompression von K(F_P,max) ≈ 19,25 % erreicht. Die maximale Haftkraft beträgt F_H,max ≈13,3 mN und wird bei einer Kompression von K (F_H,max) ≈12,5 % erreicht. Die Kontaktfläche nimmt durch das Knicken und Abschälen um maximal 77,6 % (A_min ≈22,4 %) ab. Prozentual kann die Haftkraft durch das Knicken auf F_H,min = 44% bezogen auf die maximale Haftkraft herabgesetzt werden.
21 zeigt eine Messreihe zur Bestimmung der Haftkräfte bei unterschiedlichen Anpresskräften (2,5 % Kompression bis 45 % Kompression) für die Struktur Kerbe F. Für jede Kompression wurde eine neue Messung durchgeführt und hierfür die Haftkraft F_H, die Anpresskraft F_P und die Kontaktfläche am Übergang von Anfahren und Abziehen ausgewertet.
Optisches Knicken tritt bei z₁ ≈ 9,25 % ein. Abschälbeginn tritt bei z₂ ≈18,5 % ein. Die maximale Kompressionskraft beträgt F_P,max ≈27,6 mN und wird bei einer Kompression von K(F_P,max) « 19,0 % erreicht. Die maximale Haftkraft beträgt F_H,max ≈10,8 mN und wird bei einer Kompression von K(F_H,max) ≈6,25 % erreicht. Die Kontaktfläche nimmt durch das Knicken und Abschälen um maximal 81,7 % ab (A_min ≈18,3 %). Prozentual kann die Haftkraft durch das Knicken auf F_H,min ≈45,8 % bezogen auf die maximale Haftkraft herabgesetzt werden.
Im Vergleich zur Referenzstruktur wurde kein früheres Knicken beobachtet. Es wurden reduzierte Kompressionskräfte und reduzierte Haftkräfte gemessen.
22 zeigt eine Messreihe zur Bestimmung der Haftkräfte bei unterschiedlichen Anpresskräften (2,5 % Kompression bis 45 % Kompression) für die Struktur Ecke F. Für jede Kompression wurde eine neue Messung durchgeführt und hierfür die Haftkraft F_H, die Anpresskraft F_P und die Kontaktfläche am Übergang von Anfahren und Abziehen ausgewertet.
Optisches Knicken tritt bei z₁ ≈ 4,75 % ein. Abschälbeginn tritt ein bei z₂ ≈12,5 %. Die maximale Kompressionskraft beträgt F_p,_max ≈21,9 mN und tritt ein bei einer Kompression von K (F_P,_max) ≈ 15,75 %. Die maximale Haftkraft beträgt F_H,max ≈6, 1 mN und tritt bei einer Kompression von K(F_H,max) ≈11,75 % ein. Prozentual kann durch das Knicken die Haftkraft auf F_H,min ≈54,2 % herabgesetzt werden. Die Kontaktflächen wechseln in einem Kompressionsbereich von z_KFW,A ≈13,0 % bis z_KFW,Q ≈22,5 %. Die Kontaktfläche nimmt um maximal 48,1 % ab (A_min ≈ 51,9 %) ab.
Die Struktur knickt früh. Kompressionskraft im Anwendungsbereich ist um ca. 35 % reduziert. Die Haftkraft im Anwendungsbereich ist um ca. 50 % reduziert.
23 zeigt eine Messreihe zur Bestimmung der Haftkräfte bei unterschiedlichen Anpresskräften (2,5 % Kompression bis 45 % Kompression) für S-Struktur F. Für jede Kompression wurde eine neue Messung durchgeführt und hierfür die Haftkraft F_H, die Anpresskraft F_P und die Kontaktfläche am Übergang von Anfahren und Abziehen ausgewertet.
Optisches Knicken tritt bereits bei einer Kompression von K(z₁) ≈ 3,75 % ein. Abschälbeginn tritt bei einer Kompression von K(z₂) ≈10,5% ein. Die maximale Kompressionskraft beträgt F_P,max ≈ 14,3 mN und tritt bei einer Kompression von K(F_P,max) ≈ 22,5 % auf. Die maximale Adhäsionskraft beträgt F_H,max ≈8,8 mN und wird bei einer Kompression von K(F_H,max) ≈10,0 % erreicht. Die Kontaktfläche nimmt um max. 81% (A_min ≈ 19,0 %) ab. Prozentual kann die Haftkraft auf F_H,min ≈4,5 % der maximalen Haftkraft herabgesetzt werden.
Im Vergleich zur Referenzstruktur knickt die Struktur früh. Die Kompressionskraft ist im Anwendungsbereich um ca. 55 % reduziert. Die Haftkraft im Anwendungsbereich ist um ca. 40 % reduziert.
Die 24 und 25 zeigen Kraft-Weg-Diagramme verschiedener Strukturen.
Die 26 und 27 zeigen die Abhängigkeit der Haftkraft von der Ablösegeschwindigkeit.
28 zeigt eine Messreihe, bei der der Eckwinkel einer Struktur von 15° bis 60° variiert wurde. Das Eckenmaß wurde konstant gehalten (Tabelle 9). Große Eckenwinkel sind am vorteilhaftesten, da das Knicken hier bei den geringsten Kompressionen einsetzt, die maximale Kompressionskraft am geringsten ist und die Haftkraft am stärksten abfällt. Die beste Struktur aus dieser Messreihe, die Struktur I, zeigt aber keine enorme Verbesserung im Vergleich zur Struktur F.

29 zeigt eine Messreihe, bei der das Eckenmaß einer Struktur von 25 µm bis 55 µm variiert wurde. Der Eckenwinkel wurde konstant gehalten (Tabelle 9). Eckenmaße im Bereich von 35-45 % des Pillardurchmessers sind am vorteilhaftesten, da das Knicken hier bei den geringsten Kompressionen einsetzt, die maximale Kompressionskraft am geringsten ist und die Haftkraft am stärksten abfällt. Die beste Struktur aus dieser Messreihe, die Struktur K, zeigt auch nochmals eine Verbesserung im Vergleich zur Struktur F. Tabelle 1

Typ	A1 (1)	A2 (1)	A3 (2)	A4 (2)	A5 (2)	A6 3)	A7 (3)
Durchmesser Backing Layer 1 [µm]	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000
Dicke Backing Layer 1 [µm]	100	100	100	100	100	100	100
Durchmesser Backing Layer 2 [µm]	300	300	300	300	300	300	300
Dicke Backing Layer 2 [µm]	50	50	50	50	50	50	50
Höhe der Säule [µm]	288	288	288	288	288	288	288
Durchmesser Säule [µm]	72	72	72	72	72	72	72
Durchmesser Caps [µm]	90	90	90	90	90	90	90

Tabelle 2

Typ	A1 (1)	A2 (1)	A3 (2)	A4 (2)	A5 (2)	A6 3)	A7 (3)
Merkmal	Ausbuchtung auf halber Höhe der Säule	Kerbung auf halber Höhe nach innen ausgerichtet; Caps nach außen versetzt	Kerbung auf halber Höhe innen; Caps nach innen versetzt	Kerbung auf halber Höhe; Caps nach außen versetzt	Kerbung auf halber Höhe; Caps nach innen versetzt	Kerbung auf halber Höhe; Caps nach außen versetzt	Kerbung auf halber Höhe; Caps nach außen versetzt

Tabelle 3

Typ	2x3 mit Kerben (4)	2x3 ohne Kerben (4)
Durchmesser runder Backing Layer [µm]	1000	1000
Dicke runder Backing Layer 1 [µm]	100	100
Länge rechteckiger Backing Layer [µm]	320	320
Breite rechteckiger Backing Layer [µm]	570	570
Dicke rechteckiger Backing Layer [µm]	50	50
Höhe der Säule	307,2	307,2
Durchmesser Säule	76,8	76,8
Durchmesser Caps	96	96
Merkmal	Kerbung auf halber Höhe mit einem Durchmesser von 15,36 µm	-

Tabelle 4

Referenzstruktur	A (5)	B (5)	C (5)	D (5)	E (5)
Struktur	3 Säulen	5 Säulen	3 Säulen	5 Säulen	3 Säulen
Durchmesser Backing Layer 1 [µm]	1000	1000	1000	1000	1000
Dicke Backing Layer 1 [µm]	100	100	100	100	100
Durchmesser Backing Layer 2 [µm]	300	300	300	300	300
Dicke Backing Layer 2 [µm]	50	50	50	50	50
Höhe der Säule [µm]	288	288	288	288	288
Durchmesser Säule [µm]	72	72	72	72	72
Durchmesser Caps [µm]	90	90	-	-	-
Merkmal	-	-	-	-	Mit Ecke 45°

Tabelle 5

Kerbe (Kerbstruktur)	A (6)	B (6)	C (6)	D (6)	E (6)
Maße nach Referenzstruktur	A	A	A	A	A
Kerbe	Durchmesser 14,4 µm	Ovale Kerbe	Durchmesser 28,8 µm	Durchmesser 14,4 µm	Durchmesser 14,4 µm
Kerbenposition	Mittig	Mittig	Mittig	Nahe Kontaktfläche	Nahe Backing Layer

Tabelle 6

Schlitz	A (7)	B (7)	C (7)	D (7)	E (7)
Maße nach Referenzstruktur	A	A	A	A	A
Anzahl der Schlitze	2	3	1	1	1
Schlitzöffnungswinkel	30°	30°	30°	30°	30°
Schlitzposition	Mittig, innen	Mittig, innen	Mittig innen	Nahe Kontaktfläche, innen	Nahe Kontaktfläche, innen und außen

Tabelle 7

Ecke innen, Kerbe innen	A (8)	B (8)	C (8)	D (8)	E (8)
Maße nach Kerbstruktur	A	D	E	B	C
Eckenwinkel	45°	45°	45°	45°	45°

Tabelle 8

Typ	Referenz F (10)	Kerbe F (10)	S-Struktur F (10)	Ecke F (10)
Säulen	6	6	6	6
Durchmesser Backing Layer 1 [µm]	1000	1000	1000	1000
Dicke Backing Layer 1 [µm]	100	100	100	100
Durchmesser Backing Layer 2 [µm]	500	500	500	500
Dicke Backing Layer 2 [µm]	50	50	50	50
Höhe der Säule [µm]	400	400	400	400
Durchmesser Säule [µm]	100	100	100	100
Durchmesser Caps [µm]	-	-	-	-
Merkmal	-	Kerbe am oberen 1/3 nahe Kontaktfläche; Kerbradius: 15 µm	S-Form	Eckenwinkel 45°

Tabelle 9

	Ecke F	Ecke G	Ecke H	Ecke I	Ecke J	Ecke K	Ecke L
e [µm]	35	35	35	35	25	45	55
φ [°]	45	15	30	60	45	45	45

Tabelle 10

Struktur	Referenz A	Referenz B	Referenz C	Referenz D	Referenz E
Verhalten	Außen oder global	Außen oder global	Außen oder global	Außen oder global	Knickt nach innen
Struktur	Kerbe A	Kerbe B	Kerbe C	Kerbe D	Kerbe E
Verhalten	Außen	Außen	Außen	Außen	Außen
Struktur	Schlitz A	Schlitz B	Schlitz C	Schlitz D	Schlitz E
Verhalten	Außen	Außen	Außen	Innen	Außen
Struktur	Ecke innen, Kerbe innen A	Ecke innen, Kerbe innen B	Ecke innen, Kerbe innen C	Ecke innen, Kerbe innen D	Ecke innen, Kerbe innen E
Verhalten	Innen	Innen	Innen	Außen	Außen

Claims

Formkörper mit einer strukturierten Oberfläche, welche eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vorsprüngen umfasst, die mindestens jeweils einen Stamm aufweisen und eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche umfassen, und mindestens ein Vorsprung mindestens ein Strukturmerkmal umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmerkmal bei Belastung des Vorsprungs zu einer gerichteten Verformung führt.
Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strukturmerkmal eine Aussparung und/oder Auswölbung des Vorsprungs bezogen auf seine Grundform ist.
Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strukturmerkmal auf einer Seite des Vorsprungs angeordnet ist.
Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strukturmerkmal eine Aussparung ist.
Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strukturmerkmal Teile der Stirnfläche des Vorsprungs umfasst.
Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strukturmerkmal eine Beugung ist.
Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturmerkmale an den einzelnen Vorsprüngen so angeordnet sind, dass die lateralen Kräfte der Verformung sich gegenseitig aufheben.
Verwendung eines Formkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur gesteuerten Adhäsion.