专利名称：具有显微构造表面的固体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种塑料、玻璃、陶瓷或金属制的固体，其至少部分地具有显微构造的表面，所述显微构造表面包括沿一优化方向定向排列的横截面为梯形或楔形的凸峰即毛刺。本发明还涉及制造这种固体的方法和可能的应用。
背景技术：
按机械方法制成的具有显微构造表面的固体本身是已知的，并且符合由天然物如鲨鱼皮等等所已知的减摩的物理原理。因此，它们有时也俗称“鲨鱼皮”。在合适的构造中，当气体或液体紊流流过时发现摩擦阻力或流动阻力降低了。
DE 36 09 541 A1介绍了通过使紊流流过的固体表面具有降低的壁剪应力来降低流动阻力，其中所述表面具有沿流动方向延伸的、由成锐边构成的凸条彼此分开的沟槽。其中各凸条不是完全成排平行地设置而是分别相互位错地设置。
EP 0 846 617 A2描述了一种表面，用于具有从一主流方向的流动的紊流流过的壁，其具有沿流动方向定位并横向于主流方向间隔开的凸条，其高度为凸条间距的45至60％。各凸条做成具有20至50°楔角的三角形的。各排之间的谷底可以是平坦的或弧形的。
发明内容
DE 36 09 541 A1中描述的表面的缺点是，其由于凸条元件的交替设置而使得制造困难或耗费很大，同时其减摩作用也是很低的。
EP 0 846 617 A2中描述的结构保证了表面的较低摩擦的均匀的过流。但由于显微结构的有规则的设置在表面与流过的介质液体或气体之间只形成较薄的边界层，其对于消除引起摩擦的剪应力不是最佳的。因此容易干扰和甚至可能中断流动。
从现有技术出发，应该进一步开发具有显微构造的表面的固体，以便进一步降低摩擦阻力或流动阻力。
该目的这样来达到，即，使塑料、玻璃、陶瓷或金属制的固体至少部分地具有包括沿一优化方向定向排列的横截面为梯形或楔形的凸峰的显微构造的表面，其特征在于，凸峰高度(H)具有最小值和最大值，其处在0mm至2mm的范围内，和最小值与最大值周期性地以0.005至20mm范围内的波长相互接连，和邻接的凸峰排的相互间距为0.002mm至5mm，其中各排之间的谷底可以是平坦的、弧形的或尖锐延伸的，以及横截面为梯形或楔形的凸峰具有在15°至75°范围内的楔角(α)。
按照本发明的固体特别具有优点，即，其在气体或液体流过时具有很小的摩擦阻力或流动阻力。这通过具有横截面为梯形或楔形的凸峰排列的表面结构来达到。
同时，由于凸峰高度(H)具有在0mm至2mm范围内的最小值和最大值，以及最小值与最大值周期性地以0.005至20mm范围内的波长相互接连，从而实现一种稍微不均匀的过流，其即使通过较长的距离也不会中断。因此按照本发明在总体上与现有技术相比可以得到进步的效果。
本发明通过各附图加以说明但不限于如此。
图1a从一挤塑的塑料板上面截取的剖面，其具有凸峰高度成正弦形波动的、平行排列的楔形显微结构，包括不变的约60°的楔角(α)和尖锐的谷底。该显微结构在横截面基面宽度内周期性地波动。横剖面A-A、B-B和C-C的相互间距分别为半个波长。邻接的各排的最小值分布和最大值分布位错半个波长。箭头表示挤出方向。
图1b图1a的横剖面A-A、B-B和C-C。横剖面A-A、B-B和C-C示出在平行的各排中分布的凸峰的高度(H)的交替的最大值和最小值、尖锐的谷底以及波动的横截面基面宽度。
图1c具有对称的梯形(左)和对称的楔形(右)的凸峰，标示出了高度(H)、横剖面基面宽度(B)和横剖面内的楔角(α)。
具体实施例方式
本发明涉及一种塑料、玻璃、陶瓷或金属制的固体，其至少部分地具有包括沿一优化方向定向排列的横截面为梯形或楔形的凸峰的显微构造的表面。
材料优选塑料，特别是热固性塑料并特别优选热塑性塑料。在热塑性塑料中优选无定形的(非晶形的)塑料。
合适的塑料例如是聚甲基丙烯酸甲酯类塑料、冲击韧性改良的聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯塑料、聚苯乙烯塑料、苯乙烯丙烯腈塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料、乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料、聚氯乙烯塑料、透明的聚烯烃塑料、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料或不同的热塑性塑料的混合物(共混料)。
优选耐气候的塑料，如聚甲基丙烯酸酯类塑料和/或冲击韧性改良的聚甲基丙烯酸酯塑料、聚偏二氯乙烯塑料和/或由聚甲基丙烯酸酯类塑料和聚偏二氯乙烯塑料和/或由聚碳酸酯塑料的混合物(共混料)。
为了防止因接触的过流产生磨损，具有高表面硬度的塑料是特别适用的。
液态晶体聚合物也是适用的。
在金属中特别是铝和钛以及这些金属的合金并且也可能采用镁合金。
表面结构凸峰高度(H)具有在0mm至小于2mm范围内的最小值。优选，最小值处于0.001至1mm范围内，特别是在0.01至0.1mm范围内。
凸峰高度(H)具有在从大于0mm至2mm范围内的最大值。优选，最大值处于0.001至1mm范围内，特别是在0.01至0.1mm范围内。
其中最大值总是大于最小值。优选最大值至少比最小值大0.001mm，特别优选至少大0.01mm。
凸峰高度相对于谷底测定。谷底位于一基准平面内，凸峰高度相对其波动。理论上也有可能，凸峰位于一基准平面内而谷底深度波动，借此同样引起凸峰高度的波动。0mm的最小值位于谷底的平面内。但优选最小值大于0mm。
最小值和最大值周期性地以0.005至20mm，优选以0.05至5mm的波长相互接连。优选为正弦形波变化。
邻接的各凸峰的排的相互间距为0.002mm至5mm，优选0.005至0.5mm，特别优选0.02至0.2mm，其中各排之间的谷底可以是平坦的、弧形的或尖锐延伸的。优选凸峰的各排沿优化方向相互平行地延伸。
横截面为梯形或楔形的凸峰的楔角(α，见图1c)在15至75°，优选在30至60°，特别在30至45°的范围内。梯形或楔形横截面优选是对称的，但在必要时也可以是轻微或强的不对称的。但后者在流动技术上是有问题的并且在制造技术上是较难实现的。在这种情况下在角度(α)的对面的角度(α′)与(α)不同，但也应该位于对(α)所述的范围内。只要由此不产生功能上的显著的损害，也有可能，采用从梯形或楔形横截面出发的过渡形式或略加改变，以及这类形状在表面上的混合。
凸峰还可以沿横截面基面宽度(B)周期性地波动。
凸峰可以沿其优化方向直线延伸或也可以沿优化方向侧面优选成正弦形波动地延伸。在沿优化方向侧面波动的凸峰侧面延伸的情况下，侧面波动的波长为0.005至20mm，优选0.001至10mm和特别是0.01至1mm。
凸峰的楔角(α)对于一排优选是不变的。
邻接各排的凸峰的周期性高度波动优选交替地、特别优选沿半个波长、特别是沿半个正弦形波长相互位错。其优点是，明显减小了所不期望的共振和/或声振动的产生。
根据本发明，本领域技术人员容易推知的是，本文所述的表面结构还可以以这种或那种未详细述及的方式略加改变，而并不会从根本上改变其功能。这样的改变应该视为包括在本发明之内。
制造方法固体或相应成形件的制造可以通过按原形成型方法(Urformverfahren)、变形成型方法、蚀刻加工或离析技术塑造显微结构而实现，例如借助于压印法、切削剥离加工、铸造、注塑成型、强能发射(例如激光束)和光蚀刻技术等。
对于塑料，适宜的方法是其中一聚合的混合物，例如包含聚甲基丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的糖浆，包括一聚合引发剂，在一原型(Urform)上塑造。这可以例如使一玻璃板具有负构成的显微结构。
对热塑性塑料，例如挤塑的板或薄片可以通过压印辊，优选金属辊进行，在其上形成负构成的显微结构。
有利的是可以采用共挤塑法(Coextrusions-Verfahren)，其中在一薄的可压印层内压入显微结构，而位于下面的塑料层基本上承担载体功能。EP-A 659 531公开了一种相应的共挤塑法，用以压入宏观结构(Fresnellinsen，即阶梯透镜)，其原则上也适用于显微结构，这样的适配属于本领域技术人员的能力范围。
应用本发明的固体可以用作为具有减摩表面的构件，以便降低气流或水流作用在飞机、船或车辆的表面上的摩擦，或用作为管道和容器，以便降低流体在管道和容器中快速流动时流体流产生的摩擦，以及减少污物在需保护的表面上的粘附，以及用作为抗微生物的表面、光折射折的和/或漫射的光控表面和抗反射的表面。
除有利的流动技术特性外，在技术上也可得到视觉的、触觉的、粘性的和/或热力学效应，并且优选用于塑料半成品或塑料成品在其表面上要求这些效应的情形。
有利的效果本发明在于改进所述的几何形状，以便进一步降低流动的液体或气体特别是空气在本发明构造的表面上的摩擦程度，这是通过沟槽或凸峰结构的优选的正弦形高度变化和/或正弦形侧面延伸的方式达到的。借此产生局部的小涡流，其在相当大程度上保持静态并且为流过的流体形成一改进的边界层，其中可以更好地降低引起摩擦的剪应力并从而减小流体或气体在表面上的制动的摩擦作用。
由于结构相对于已知的几何形状的较大的不规则性，同样明显地减小不利的共振的产生。对于污染覆层，局部的高点(正弦凸峰的最大值)提供着力点用以将其磨掉或防止其完全沾污表面，借此破坏污染层的连贯的结构并将其分成污染小岛，其本身由于陡的凸峰侧面容易被冲走。因此得到自动清洁效果。
在表面配置有抗生(biozid)作用的添加剂的情况下，其例如可以喷涂、共挤塑或掺入基料中，通过表面的增大，有利于添加剂的作用并相对于均匀的结构得到改进。
光学特性本发明的结构降低在表面上的光反射。并且通过从表面上的光折射和再辐射特别形成装饰的色彩效果和光效果，其可以由透明至半透明的和明亮的或染色的塑料制成。构造的表面提供一特别防滑的固定(保持)，因为与平坦的、没有局部突起的结构相比，凸峰的突起可以局部较深地压入皮层、纺织物和皮革等等中。
本发明的结构可以由无定形的、部分晶体的、交联的和非交联的塑料、金属或低熔的玻璃原形成型地、变形成型地制成，或通过在基本上平坦的表面上经切削剥离或强能发射加工出来。
权利要求
1.塑料、玻璃、陶瓷或金属制的固体，其至少部分地具有显微构造的表面，所述显微构造的表面包括沿一优化方向定向排列的横截面为梯形或楔形的凸峰，其特征在于凸峰高度(H)具有最小值和最大值，其处在0mm至2mm的范围内，和最小值和最大值周期性地以0.005至20mm范围内的波长相互接连，和邻接的凸峰的排的相互间距为0.002mm至5mm，其中各排之间的谷底可以是平坦的或尖锐延伸的，以及横截面为梯形或楔形的凸峰具有在20°至60°范围内的楔角(α)。
2.按照权利要求1所述的固体，其特征在于，凸峰还沿横截面基面宽度(B)周期性地波动。
3.按照权利要求1和2所述的固体，其特征在于，凸峰的楔角(α)对于一排是不变的。
4.按照权利要求1至3之一项或多项所述的固体，其特征在于，凸峰具有沿优化方向侧面波动的延伸，侧面波动的波长为0.005至20mm。
5.按照权利要求1至4之一项或多项所述的固体，其特征在于，邻接各排的凸峰的周期性高度波动相互交替地位错。
6.按照权利要求5所述的固体，其特征在于，邻接的各排的凸峰的高度波动分别以半个波长相互位错。
7.用于制造按照权利要求1至6之一项或多项所述固体的方法，按已知的方式通过按原形成型方法、变形成型方法、蚀刻加工或离析方法，特别是通过压印法、切削剥离加工、铸造、注塑成型、强能发射和/或光蚀刻技术来塑造其显微结构。
8.按照权利要求1至6之一项或多项所述的固体的应用，用作为具有减摩表面的构件，以便降低气流或水流作用在飞机、船或车辆的表面上的摩擦，或用作为管道和容器，以便降低在流体管道和容器中快速流动时流体流产生的摩擦，以及减少污物在需要保护的表面上的粘附，以及用作为抗微生物的表面、光折射的和/或漫射的光控表面和抗反射的表面。
全文摘要
本发明涉及一种塑料、玻璃、陶瓷或金属制的固体，其至少部分地具有包括沿一优化方向定向排列的横截面为梯形或楔形的凸峰的显微构造的表面，其特征在于，凸峰高度(H)具有最小值和最大值，其位于0mm至2mm的范围内，和最小值和最大值周期性地以0.005至20mm范围内的幅度相互接连，以及邻接的凸峰的排的相互间距为0.002mm至5mm，其中各排之间的谷底是平坦的或尖锐延伸的，并且横截面为梯形或楔形的凸峰具有在15°至75°范围内的楔角(α)。
文档编号B64C21/10GK1507544SQ03800224
公开日2004年6月23日 申请日期2003年4月1日 优先权日2002年4月17日
发明者克里斯托弗·克罗默, 克里斯托弗 克罗默, 汉斯·洛伦茨, 洛伦茨, 布兰德, 诺贝特·布兰德 申请人:罗姆两合公司