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 L _m in der Mitte, bis zur der höchsten Höhe L _a 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 _! >E ₂ . 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.

Bezugs _Z eichen 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