Wie muss die Oberfläche etwa eines Werkzeugs beschaffen sein, damit dessen Anhaftung auch auf einer rauen Bauteiloberfläche sicher ist? Die Lösung liegt in einer geschickten Kombination von harten und weichen Materialien, fanden Forscher jetzt heraus.
Das Modell im Großmaßstab zeigt das Prinzip und die Strukturen, bei denen weiche Materialien (gelb) auf härtere Materialien aufgebracht werden. Dadurch erhöht sich die Haftung auf rauen Oberflächen.
Iris Maurer
Körper, die sich etwa beim industriellen Handling berühren, üben eine Kontaktkraft aufeinander aus, die sie aneinander anhaften lässt. Diese ist normal zur Berührungsebene ausgerichtet, wenn die Oberflächen ideal glatt sind. Bei rauen Oberflächen tritt dagegen auch eine Tangentialkomponente der Kontaktkraft auf – die Haftung wird schlechter. Damit nun das Anhaften auch auf rauen Oberflächen verlässlich funktioniert, haben Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) mit Sitz in Saarbrücken jetzt eine neue Oberflächenstruktur entwickelt. Dazu kombinierten sie harte und weiche Materialien auf neue Weise und konnten feststellen, dass die gefundene Materialkombination deutlich besser auf rauen Oberflächen haftet, als Strukturen, die etwa nur aus einem weichen Material bestehen. Über ihre Entwicklung berichten die Forscher in der Fachzeitschrift "Applied Materials & Interfaces"; für die Publikation erhielt Co-Autor René Hensel den Adhesion Innovation Award der European Adhesion Conference (EURADH) und der Association of the European Adhesive & Sealant Industry (FEICA).
Leonardo da Vinci hat erstmals Reibungsverhalten experimentell untersucht und die wichtigsten Gesetzmäßigkeiten formuliert, "zum Beispiel, dass der Reibwiderstand proportional zum Gewicht und unabhängig von der Kontaktfläche ist", schreibt Springer-Autor Valentin L. Popov in "Kontaktmechanik und Reibung" (Seite 156). Im Weiteren erläutert er das Coulombsche Haftungs- bzw. Reibungsgesetz; dessen richtige Anwendung wiederum erklären die Springer-Autoren Dietmar Gross, Werner Hauger, Jörg Schröder und Wolfgang A. Wall in "Technische Mechanik 1" ab Seite 257.
Clevere Kombination von harten und weichen Materialien
Für ihre Untersuchungen entwickelten die INM-Forscher zwei Millimeter große Säulen als Modellsystem und brachten diese mit rauen Oberflächen in Kontakt. Dabei ist die gemessene Kraft, die benötigt wird, um die Säule wieder abzulösen, das Maß für die Haftung. "Wir verwendeten Säulen, die aus einem harten Material bestehen und deren Ende mit einem weichen Kunststoff überzogen ist. Für das Ablösen dieser Säule benötigten wir die fünffache Kraft im Vergleich zu einer Säule, die nur aus dem weichen Material besteht. Sie haftet also deutlich besser", sagt René Hensel, stellvertretender Leiter des INM-Programmbereichs Funktionelle Mikrostrukturen.
Zudem stellten die Forscher fest, dass die Haftung umso besser ist, je weicher und dünner der Überzug am Säulenende ist. Je weicher das Material sei, umso besser könne es sich der rauen Oberfläche anpassen, heißt es in einer Mitteilung des Instituts. Und dass die gemessene Haftung stärker sei, je dünner der Überzug ausgelegt werde, hänge mit der verzögerten Rissbildung im Kontakt zusammen. Auch die Form, wie die beiden unterschiedlich harten Materialien kombiniert werden, habe einen Einfluss auf das Haftvermögen: eine abgerundete Grenzfläche zwischen beiden sorge für eine bessere Haftung. Dabei verändere sich die Rissbildung ebenfalls. Zugleich, so Hensel, sei es wichtig, dass die Dicke des weichen Überzugs zur Größe der Rauigkeit passe. Die INM-Forscher erwarten von ihrer Materialentwicklung nicht nur einen Nutzen für industrielle Handling-Prozesse; besonders interessieren sie sich für eine bessere Haftung auf der Hautoberfläche. Im Fokus ihrer künftigen Forschung stehen sogenannte Wearables oder auch die Wundversorgung.