Funktionelle Mikrostrukturen

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Abb. Fibrilläre Haftstruktur © INM

Der Programmbereich Funktionelle Mikrostrukturen betreibt Pionierforschung zu neuartigen funktionsstrukturierten Oberflächen. Durch Mikro/Nanostrukturierung und gezielte Materialauswahl werden spezielle mechanische, optische, thermische und haptische Funktionalitäten erzeugt. Vorbild für die Gestalt der Strukturen und deren Funktionen sind u.a. Konzepte aus der belebten Natur, welche auf künstliche Systeme übertragen werden. Im Vordergrund stehen die Erforschung schaltbarer Haftung an verschiedenen Oberflächen mittels unserer patentierten Gecomer®- Strukturen und ihre Übertragung in Anwendungen. Diese reichen von technischen Greifsystemen über Schutzsysteme bis zu medizinischen Oberflächen. Numerische Simulationen begleiten die Prozessentwicklung und die mikromechanische Optimierung. Die Thematik wird in Zusammenarbeit mit dem InnovationsZentrum des INM betrieben und durch eingeworbene Großprojekte unterstützt (ERC Advanced Grant, Leibniz Transferprojekt, DFG Nachwuchsakademie, EU BioSmartTrainee project).

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    Adhäsion mikrostrukturierter Haftstrukturen auf rauen Oberflächen

    Das Adhäsionsvermögen von Haftstrukturen hängt maßgeblich von der Rauigkeit und Oberflächentextur der Materialien ab. Wir erforschen, wie sich die Adhäsion auf rauen Substraten mittels mikrostrukturierter Haftstrukturen beeinflussen sowie positiv steuern lässt, um diese für technische Anwendungen zu optimieren. Hierfür werden korrelative Zusammenhänge aus Strukturgeometrie, Rauigkeitskennwerten und Materialeigenschaften untersucht. Erstmals konnte für gezielt strukturierte Proben an rauen Substraten eine verbesserte Haftung im Vergleich zu Oberflächen nachgewiesen werden.

    Abb. 2 Roughness
    © INM
    Adhäsionsvermögen hierarchisch strukturierter Haftstrukturen

    Nach dem Vorbild des Geckos werden hierarchisch strukturierte Haftoberflächen als makroskopische und mikroskopische Modelle untersucht. Die Hierarchie wirkt sich sowohl auf das Knickverhalten (unter Druck) als auch auf das Adhäsionsverhalten aus. Hierarchische Strukturen zeigen verstärktes Knickverhalten und sind damit in Bezug auf Haftung konventionellen Strukturen nicht grundsätzlich überlegen. Gegenüber rauen Substraten können hierarchische Strukturen aufgrund ihrer geringeren Steifigkeit zu höheren Adhäsionswerten führen.

    Abb. 3 Hierarchy
    © INM
    Interaktion von Haftstrukturen mit weichen Substraten und Haut

    Wir erforschen Haftmechanismen von Funktionsstrukturen gegenüber nachgiebigen Substraten. Mit neuartigen Strukturdesigns werden die Einflüsse der mechanischen Nachgiebigkeit, der Viskoelastizität, der Feuchtigkeit und der Rauigkeit untersucht. Mit speziellen Strukturen und Materialien werden auch nutzbare Haftfestigkeiten gegenüber Haut erreicht. Die Realisierung solcher adhäsiver Mikrostrukturen für temporäre Fixierungen besitzt großes Potential im Bereich klinischer Anwendungen sowie für den Einsatz von tragbarer Sensorik zur Überwachung von Körperfunktionen.

    Abb. 4 Hautadhäsion
    © INM
    Untersuchungen von Biokompatibilität und Zytotoxizität für medizinische Anwendungen

    In enger Kooperation mit der medizinischen Fakultät der Universität des Saarlandes werden Haftstrukturen für den medizinischen Bereich entwickelt. Neben der Haftfestigkeit gegenüber Haut steht die Fragen der Biokompatibilität verschiedener Materialien sowie die Effekte von Oberflächenstrukturierungen auf das Zelladhäsions- und Migrationsverhalten im Vordergrund der Arbeiten. Ziel ist die Entwicklung eines physikalisch haftenden Implantats, das die Wundheilung unterstützt.

    Abb. 5
    © INM
    Konzepte für schaltbare Adhäsion

    Wir erforschen bioinspirierte Haftsysteme, deren Adhäsion durch einen externen Stimulus an- bzw. ausgeschaltet werden kann. Ein bereits in der praktischen Erprobung befindliches Prinzip basiert auf der mechanischen Aktuation mittels Euler-Knickung. Darüber hinaus werden temperaturschaltbare Oberflächentopographien, die den Formgedächtniseffekt nutzen, entwickelt. Weitere neuartige Konzepte stehen derzeit in der Erprobung.

    Abb. 6
    © INM
    Modellierung und numerische Simulation von Adhäsionsphänomenen

    Die Modellierung kontaktmechanischer Fragestellungen erlaubt einen komplementären Zugang zu den experimentellen Methoden. Anhand numerischer Methoden erforschen wir den Einfluss von Struktur- und Materialparametern von Haftstrukturen auf die Spannungsverteilung in der Kontaktgrenzfläche. Dabei stellt sich heraus, dass die Spannungssingularitäten, die das Haftverhalten kontrollieren, empfindlich auf geometrische Veränderungen reagieren. Durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen werden die Simulationen validiert und für die gezielte Optimierung unserer Technologie für bestimmte Anwendungsfelder eingesetzt.

    Abb. 7 Simulation
    © INM
    GECOMER® TECHNOLOGIE FÜR INDUSTRIELLE ANWENDUNGEN

    Die Gecomer®-Technologie ist das Resultat langjähriger Forschung am INM. Das neuartige Prinzip ist die Schaltbarkeit von Haftfunktionen durch gezielte Strukturierung. Es ermöglicht innovative Pick&Place Technologien mit hoher Energieeffizienz und nachgewiesener Vakuumtauglichkeit. Die patentierte Technologie ist Gegenstand zahlreicher Entwicklungsprojekte mit industriellen Partnern. Um die Performance der Gecomer®-Technologie weiterzuentwickeln, stehen mehrere Demonstratoren im kleinen und größeren Maßstab – bis zu Industrierobotern – zur Verfügung. Die Vermarktung erfolgt in Zusammenarbeit mit dem InnovationsZentrum INM .

    Forschungsprojekte
    • Micropatterned dry adhesvies with hierarchical structure, DFG SPP 1420, 2011-2015
    • Switchabel adhesvies for stiff and soft objects, ERC Advanced Grant „Switch2stick“, 2014-2019
    • Micropatterned adhesives for adhesion on skin, DFG, 2015-2017
    • BioSmartTrainee projekt „Training in Bio-Inspired Design of Smart Adhesive Materials“, EU Marie Sklodowska-Curie Actions, 2015-2018
    • Transfer of the gecko effect into industrial applications, Leibniz Association, 2016-2018

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