Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kapillaren Transport von Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Verwendung einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
Eine Kapillare ist ein Hohlraum, in dem bei darin enthaltener Flüssigkeit Oberflächeneffekte gegenüber Viskositäts- und Trägheitseffekten dominieren können. Unter Ausnutzung dieser Besonderheit werden Kapillaren in verschiedenen Prozessen eingesetzt, um Flüssigkeiten zu verarbeiten, zu untersuchen oder auch gezielt zu transportieren. Anwendung finden Kapillaren auch in Kapillarpumpen für autonome Mikrofluidik-Systeme (
Kapillaren können geschlossen oder teiloffen ausgeführt sein. In einer geschlossenen Kapillare ist die Transportrichtung der Flüssigkeit durch die Ausrichtung der Kapillare festgelegt. Die Transportwirkung ist eine Folge der Oberflächenspannung der in der Kapillare befindlichen Flüssigkeit und der sich zwischen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche der Kapillare ergebenden Grenzflächenspannung. Des Weiteren spielt auch die Oberflächenreibung eine Rolle. Die Flüssigkeit steigt in einer Kapillare so lange, bis die Kapillarkraft gleich der entgegenwirkenden Schwerkraft der Flüssigkeit ist. Dabei ist die Steighöhe von den Eigenschaften der Kapillare (z. B. Materialparameter, Kapillarquerschnitt) sowie der Flüssigkeit (z. B. Kontaktwinkel, Oberflächenspannung) abhängig. Mathematische Modelle für geschlossene Kapillare mit rundem Querschnitt basieren in der Regel auf der Lukas-Washburn-Gleichung oder deren Modifikationen. Für geschlossene Kapillaren mit rechteckigem Querschnitt wird ein hydraulischer Radius eingeführt. Für Kapillaren, deren runder Querschnitt abschnittsweise variiert, hat Young (2004) den kapillaren Flüssigkeitstransport über die Lukas-Washburn-Gleichung modelliert.
Als teiloffene Kapillare werden z. B. solche in Form von Hohlräumen zwischen zwei parallelen Platten beschrieben. Des Weiteren gibt es auch rinnenförmige Kapillare, deren Querschnitt z. B. v-förmig oder u-förmig ist.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
Aus der
A. Buguin (Ratchet-like topological structures for the control of microdrops;
Aus der
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In der Mikrofluidik werden nicht-kapillare Oberflächenstrukturen eingesetzt, um die Strömungsgeschwindigkeit im Randbereich zu drosseln und dadurch eine homogenere Strömung in breiten Kapillaren zu erzeugen. Dergleichen ist in
Des Weiteren beschäftigt sich
Der vorgenannte Stand der Technik betrifft im Wesentlichen ungerichtetes Spreiten oder den gerichteten Transport einzelner Flüssigkeitstropfen. Es handelt sich somit um den Transport sehr geringer Flüssigkeitsmengen auf in der Regel kurzen Transportstrecken. Es ist bislang jedoch noch nicht möglich, Flüssigkeiten auf Oberflächen bzw. in Materialien mit Kapillareigenschaften sowohl kapillar als auch, von einer beliebigen Stelle aus, ausschließlich oder zumindest überwiegend in eine Richtung zu transportieren. In teiloffenen Kapillar-Systemen sind in der Mikrofluidik diesbezügliche Ansätze vorhanden, jedoch aufgrund des kleinen Größenspektrums nur sehr eingeschränkt einsetzbar und auch anfällig für Verschleiß.
Die
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Aus der
Der hier betroffenen Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit der der kapillare Flüssigkeitstransport schneller und richtungsdiskriminierter gestaltet werden kann. Des Weiteren sollen Verwendungen der Vorrichtung sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen werden.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird das technische Problem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 18.
In Bezug auf eine Verwendung wird das technische Problem mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ergibt sich aus Anspruch 20.
In Bezug auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das technische Problem jeweils durch die Merkmale der Ansprüche 21 bis 24 gelöst.
Der passive, das heißt ohne äußere Kraftzufuhr, gerichtete Flüssigkeitstransport in der Kapillare basiert gemäß Anspruch 1 darauf, dass mindestens zwei der Kapillaren in Transportrichtung der Flüssigkeit über mindestens einen kapillaren Durchtrittskanal miteinander verbunden sind. Ein die Kapillaren verbindender Durchtrittskanal stellt eine funktionale Verbindung dar, die derart gestaltet ist, dass ein evtl. auftretendes lokales Stoppen der zu transportierenden Flüssigkeit in der einen Kapillare durch über den Durchtrittskanal erfolgender Flüssigkeitszufuhr aus der anderen Kapillare überwunden wird. Vorzugsweise sind die Kapillaren über eine Mehrzahl von Durchtrittskanälen, d.h. über mindestens zwei, weiter vorzugsweise mindestens drei, weiter vorzugsweise mindestens 5, weiter vorzugsweise mindestens zehn Durchtrittskanäle, miteinander verbunden.
Der Durchtrittskanal, der ebenfalls kapillarer Natur ist, sorgt für die Ausbildung einer weiteren Flüssigkeitsfront, die sich mit der gestoppten Flüssigkeitsfront verbindet und auf diese Weise eine neue gesamte Flüssigkeitsfront erzeugt, welche sich zumindest für eine bestimmte Strecke passiv gerichtet weiterbewegt. Flüssigkeitsfronten werden im Folgenden auch als Menisken bezeichnet.
Da die Kapillaren über die Durchtrittskanäle, die sich im Querschnitt ändern können, miteinander verbunden sind, also ein kommunizierendes System sind, bildet das Gesamtgebilde aus Kapillaren und Durchtrittskanälen eine gemeinsame Kapillarstruktur, zu denen die Kapillaren gemäß der Anspruchsdefinition als Unterstruktur gehören. Als Durchtrittskanäle im Sinne der Erfindung werden die Bereiche der Kapillarstruktur verstanden, in denen sich ein zusätzlicher Meniskus bildet, um Flüssigkeit von einer zur anderen Kapillare zu transportieren. Der Durchtrittskanal endet jeweils dort, wo eine Vereinigung mit einem Meniskus der versorgten Kapillare stattfindet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass die mindestens zwei Kapillaren jeweils mehrere in Transportrichtung gesehen aufeinander folgende, für den passiven gerichteten kapillaren Transport eingerichtete Transportabschnitte aufweisen. Die Transportabschnitte enden jeweils in einer Stopp-Stelle, welche geeignet ist, den ungestörten passiven gerichteten Flüssigkeitstransport zu unterbrechen. Die Durchtrittskanäle weisen jeweils einen Kanalaustritt nahe der Stopp-Stelle insbesondere in Transportrichtung hinter der Stopp-Stelle und an der Stopp-Stelle angrenzend auf, so dass eine Vereinigung des Meniskus des Durchtrittskanals mit dem der zu versorgenden Kapillare erreicht wird. Der Meniskus der Kapillare kann auch bereits vor der Stopp-Stelle in der Vorwärtsbewegung anhalten. Ist der Abstand zur Stopp-Stelle hinreichend gering, kann gleichwohl eine Vereinigung der Menisken erfolgen.
Wird die Struktur aus Kapillaren und Durchtrittskanal aufeinanderfolgend wiederholt, kann über eine entsprechende Strecke ein Flüssigkeitstransport erreicht werden. Dabei versorgen sich die miteinander über die Durchtrittskanäle verbundenen Kapillaren abwechselnd gegenseitig mit der für die Überwindung einer Stopp-Stelle für den kapillaren Weitertransport erforderlichen Flüssigkeit. Die Stopp-Stelle kann z.B. eine Kante in einer Wandstruktur der Kapillare sein.
Der gerichtete Transport bedeutet, dass es für den Transport mindestens eine Vorzugsrichtung gibt. So kann das Kapillarsystem z.B. den Transport in eine Vorwärtsrichtung bewirken, einen hierzu entgegengesetzten Rückwärtstransport aber vollständig unterbinden. Der gerichtete Transport umfasst aber auch eine Variante bei der zusätzlich zum Vorwärtstransport auch ein rückwärts gerichteter Transport stattfinden kann, der aber gegenüber dem Vorwärtstransport verlangsamt ist. Der in unterschiedlichen Richtungen erfolgende asymmetrische Transport ist insbesondere dann möglich, wenn das Kapillarsystem von einer Flüssigkeitsquelle, z.B. einem aufliegenden Tropfen, gespeist wird.
Der gerichtete Transport umfasst zudem mehrdimensionale Systeme, bei denen sich der Flüssigkeitstransport verzweigen kann, also mehr als zwei Kapillaren gegeben sind, die sich zweidimensional oder dreidimensional in unterschiedliche Richtungen erstrecken und der Flüssigkeitstransport in Vorzugsrichtungen schneller erfolgt und in anderen Richtungen der Kapillarverläufe verlangsamt durchgeführt oder unterbunden wird.
Der gerichtete Transport umfasst des Weiteren Varianten, bei denen hintere Menisken in einer Vorzugsrichtung nachgezogen werden.
Der Ablauf ist z.B. wie folgt für zwei über Durchtrittskanäle miteinander verbundene Kapillaren. In der ersten Kapillare bildet die Flüssigkeit einen ersten Meniskus aus, der aufgrund kapillarer Kräfte fortschreitet, bis er im Bereich einer ersten Stopp-Stelle zum Stillstand kommt. In Fließrichtung hinter der Stopp-Stelle wird der folgende Transportabschnitt über mindestens einen der Durchtrittskanäle, in der sich ein weiterer Meniskus bildet, mit Flüssigkeit aus der zweiten Kapillare versorgt. Dies ist möglich, weil in der zweiten Kapillare ebenfalls ein Flüssigkeitstransport stattgefundnen hat und ein Teil der Flüssigkeit der zweiten Kapillare in den Eingang des Durchtrittskanals eingetreten ist. Der weitere Meniskus des Durchtrittskanals vereinigt sich am Ausgang des Durchtrittskanals mit dem an der Stopp-Stelle oder in dessen Nähe befindlichen ersten Meniskus zu einem gemeinsamen Meniskus, der die Stopp-Stelle überwindet, so dass der gerichtete Transport in dem der Stopp-Stelle folgenden Transportabschnitt der ersten Kapillare bis zum Bereich einer zweiten Stopp-Stelle weiterläuft. Auf dem Weg zur zweiten Stopp-Stelle passiert die Flüssigkeit der ersten Kapillare den Eingang mindestens eines weiteren Durchtrittkanals, der dann in entsprechender Weise die zweite Kapillare mit Flüssigkeit versorgt, um einen dortigen Stopp des Flüssigkeitstransports zu überwinden.
Dieses Prinzip kann auch im Zusammenspiel mit mehr als zwei Kapillaren verwirklicht werden, indem z.B. drei oder mehr Kapillare wechselseitig durch Durchtrittskanäle miteinander verbunden sind. Dies kann auch so realisiert werden, dass ein erster Durchtrittskanal eine erste und eine zweite Kapillare miteinander verbindet, ein zweiter Durchtrittskanal die zweite und eine dritte Kapillare und ein dritter Durchtrittskanal die dritte Kapillare wieder mit der ersten Kapillare verbindet. Dieses Prinzip kann weiter ausgedehnt werden.
Es ist auch denkbar, dass eine Kapillare mit zwei oder mehr Kapillaren über Durchtrittskanäle verbunden ist.
Auf diese Weise ist ein gerichteter passiver, d. h. ohne Einsatz äußerer Energiequellen erzeugter Transport der Flüssigkeit möglich.
Mit der Struktur kann eine Vorzugsrichtung des Flüssigkeitstransports verwirklicht werden, so dass der Transport gerichtet ist. Hierzu kann die Struktur der Kapillaren so ausgebildet sein, dass der oben beschrieben Effekt des passiven Transportes mittels der Durchtrittskanäle nur in einer bestimmten Richtung des Verlaufs der beteiligten Kapillare erreicht wird. Die Struktur der Kapillaren ist dabei derart asymmetrisch aufgebaut, dass in einer zur gewünschten Transportrichtung entgegengesetzten Richtung die dort ausgebildeten weiteren Menisken stoppen, ohne den zum Auffüllen des dem jeweiligen Meniskus folgenden Hohlraums der Nachbarkapillare notwendigen Durchtrittskanal zu erreichen. Die Strukturen sind derart gewählt, dass die rückwärts, das heißt entgegen der gewünschten Transportrichtung, gerichteten Menisken eine deutlich geringere Krümmung aufweisen oder eine gerade oder konvexe (nach außen gebogene) Form annehmen.
Alternativ zum Stoppen des hinteren Meniskus in der der Transportrichtung entgegen gesetzten Richtung kann der hintere Meniskus z.B. auch verlangsamt transportiert werden, was zu einem asymmetrischen Transport der Flüssigkeit führt.
Für diesen Fall hat der hintere Meniskus in den Kapillaren vorzugsweise eine schwach konkave Form oder weist zumindest eine geringere Krümmung auf als einer der vorderen Menisken in den Kapillaren.
Die gewünschte Wirkung der Transportabschnitte, Flüssigkeit mittels Kapillarkraft passiv, d.h. ohne äußere Krafteinwirkung, gerichtet zu transportieren, kann z.B. durch eine geeignete Geometrie der Kapillaren erreicht werden. Hierfür kann z.B. vorgesehen werden, dass die Transportabschnitte einen sich in Transportrichtung verringernden Querschnitt aufweisen. Hinter einem Transportabschnitt kann sich der Querschnitt wieder aufweiten, vorzugsweise unstetig in einer sprunghaften Querschnittsaufweitung, so dass sich ein neuer, sich im Querschnitt verringernder Transportabschnitt anschließen kann.
Die Wirkung der Transportabschnitte kann auch durch das Material der inneren Oberflächen der Kapillare erreicht werden, z.B. durch geeignete Beschichtungen oder durch Mikro- oder Nanostrukturierungen.
Eine Stopp-Stelle kann z.B. durch eine Aufweitung des Querschnitts der Kapillare gebildet werden. Alternativ kann eine Stopp-Stelle auch eine Änderung des Oberflächenmaterials oder der Oberflächenstruktur, z.B. der Rauhigkeit, zumindest in einem Teilbereich der Kapillarwandung erreicht werden. Die Kapillarwandung kann im Querschnitt rund sein oder beliebige Querschnittsformen aufweisen und z.B. Boden und/oder Seitenwände umfassen.
Der passive gerichtete Transport der Flüssigkeit kann sowohl mit geschlossenen als auch mit teiloffenen Kapillaren erreicht werden. Mit geschlossenen Kapillaren sind solche Kapillaren gemeint, die, abgesehen von Eingängen oder Ausgängen von Durchtrittskanälen, welche den Umfang durchstoßen und Kapillare verbinden, auf dem vollen Umfang geschlossen sind. Teiloffen sind alle Kapillare, die nicht geschlossen sind, z. B. solche, die durch zwei parallele oder weitgehend parallele Platten erzeugt werden, solche mit u-förmigem, v-förmigem Querschnitt oder Querschnitten mit unregelmäßigen Formen, die in mindestens einer Längsrichtung offen sind.
Wird z.B. auf eine Struktur mit teiloffenen Kapillaren Flüssigkeit aufgegeben, z.B. in Form eines im Vergleich zum Durchmesser der Kapillaren großen Tropfen oder über eine sonstige Flüssigkeitsquelle, bilden sich in Transportrichtung vordere Menisken und in Rückwärtsrichtung hintere Menisken aus. In Transportrichtung bewegen sich die vorderen Menisken in der oben beschriebenen Weise bereits allein aufgrund der Kapillarkräfte stetig weiter, während in der Rückwärtsrichtung die hinteren Menisken spätestens an einer Stopp-Stelle stehen bleiben, sofern keine äußeren Kräfte deren Überwindung bewirken, mindestens aber im Verhältnis zur Geschwindigkeit der vorderen Menisken deutlich langsamer sind. Die Bewegung der vorderen Menisken in Transportrichtung läuft weiter, so lange die Flüssigkeitsquelle die Kapillaren speist.
Erfolgt keine Flüssigkeitszufuhr mehr, stoppt entweder die weitere Bewegung in Transportrichtung oder aber die hinteren Menisken werden in Transportrichtung nachgezogen, so dass sich die gesamte Flüssigkeitsmasse aufgrund der Kapillarkräfte gerichtet bewegt. Das Verhalten hängt von den gegebenen Kräften an den Oberflächengrenzen, von Reibungskräften und ggf. von äußeren Kräften, wie z.B. der Gravitationskraft, ab.
In entsprechender Weise kann auch in geschlossenen Kapillaren das Bewegungsverhalten von der Zufuhr aus einer Flüssigkeitsquelle abhängen.
Kapillaren können sich entlang einer ebenen oder gekrümmten Oberfläche erstrecken oder dreidimensional, und z. B. eine schwammartige Struktur erzeugen.
Erfindungsgemäße Kapillaren können auch durch Fasermaterial, z.B. aus Vollfasern oder Hohlfasern gebildet sein. Hohlfasern können selbst geschlossene Kapillaren bilden. Eine Hohlfaser kann aber auch eine erste innere Struktur, die ebenfalls faserartig sein kann, umfassen. Diese innere Struktur kann regelmäßig oder unregelmäßig auf der Oberfläche sein.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es sich auch um ein Textil handeln, z. B. für Kleidung, Sportausrüstung, Bautextilien, Hygieneartikel, wie Windeln oder Binden, oder andere Flüssigkeit sammelnde Textilien, z.B. zum Aufnehmen von Öl.
In einer vorteilhaften Ausbildungsform kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Teil eines Werkzeuges, insbesondere eines zerspanenden Werkzeuges sein. Die darauf befindlichen Kapillaren können insbesondere zur Zuführung von Flüssigkeit, z.B. Kühlflüssigkeit, Schmiermittel oder Kühlschmiermittel, an einer Bearbeitungsstelle dienen. Hierfür können geschlossene oder teiloffene Kapillaren vorgesehen sein. Auf diese Weise kann die Flüssigkeit einige Millimeter von der Schneide entfernt in einen Zufuhrbereich eingebracht werden. Hierdurch kann die Menge an Flüssigkeit reduziert werden. Des Weiteren kann die Energie zur Zuführung der Flüssigkeit verringert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine Werkzeugform sein. Beim Umformen oder Urformen, insbesondere im Bereich des Aluminiumdruckgusses ist das fehlerfreie Entformen eines Bauteils aus einer Form ein entscheidender Prozessschritt. Hierfür wird oftmals eine große Menge an Trennmittel eingesetzt, um eine unzureichende Benetzung der Werkzeugform zu vermeiden. Der Ressourceneinsatz kann bei einem Versehen der Werkzeugform mit Kapillaren zur Benetzung deutlich reduziert werden. Zudem kann auch die Effektivität und Wirksamkeit der Benetzung erhöht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft auch ein Mittel zur dosierten Flüssigkeitszufuhr in weiteren Anwendungsfällen sein, insbesondere zum Transport von Lotmaterial beim Löten von Elektronikkomponenten. Die Lotmenge kann anwendungsgerecht dosiert werden, um ein optimales Ergebnis beim Kontaktieren der Leiterbahnen zu erreichen. Hierfür werden die Grundplatinen vor dem Kontaktieren mit Kapillaren strukturiert.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Sensor sein. Durch den möglichen gerichteten Transport können Flüssigkeiten einer Sensorik zugeführt werden. Dabei ist es möglich, Flüssigkeiten durch den definierten Aufbau der Kapillaren aufzuspalten und in einzelne Bestandteile zu zerlegen. Beim Blut kann dies z. B. die Trennung von Blutplasma und Blutzellen sein. Während der Fließbewegung kann die Mikrostrukturierung der Kapillaren aufgrund der gegebenen Geometrie die Bestandteile entweder in unterschiedliche Kanäle führen oder als eine Art Teilchenfalle dienen, in der sich die Teilchen, z. B. die Blutzellen, verfangen, die restliche Flüssigkeit jedoch weiterströmt. Die Kapillaren würden hier somit als Filter fungieren. Es ist dabei denkbar, mehrere solcher Strukturfelder, z. B. kaskadenartig, aneinanderzureihen, um Filterstufen zu erzeugen. Ein Fluid könnte somit nicht nur in zwei Bestandteile aufgespalten werden (z. B. in flüssigen und in festen Teil), sondern gegebenenfalls wäre es auch möglich, unterschiedliche Flüssigkeiten und gleichzeitig verschiedene Feststoffe voneinander zu trennen und sogar in unterschiedliche Bauteilregionen abzuleiten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als Feuchtigkeitssensor dienen. In diversen Bereichen der Technik sind Feuchtigkeitsniederschläge und manchmal auch damit einhergehende Eisbildung, z. B. im Bereich der Luftfahrt, ein kritischer Punkt. So kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die kapillaren Mikrostrukturen auf den Sensor Feuchtigkeit aus der Umgebung, z. B. der Luft kondensieren lassen und gezielt zu einem Bereich auf den Sensor führen, um dort den Grad der Luftfeuchte zu analysieren oder durch Bestimmung der Flussmenge eine einsetzende Eisbildung zu detektieren. Eine weitere Nutzung des Kondensationseffekts wäre die Entfeuchtung von Innenräumen, insbesondere auch von Innenräumen technischer Anlagen, z. B. von Kühlschränken, um das zu schnelle Verderben von Lebensmitteln aufgrund eines zu hohen Luftfeuchtegrades zu verhindern oder aber von elektronischen Schaltschränken, bei denen eine hohe Luftfeuchte zu Kurzschlüssen und Beschädigungen führen kann. Die kapillaren Oberflächenstrukturen könnten eine Kondensation auslösen und das Kondensat gezielt in einen Vorratsbehälter abführen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem fluiden Stoff verwendet werden. Insbesondere kann sie auch zur Öl-/Wasserabscheidung genutzt werden. Dies kann vorteilhaft bei Bremssystemen und Lagern oder bei verfahrenstechnischen Anlagen angewendet werden, z. B. um Bremsflüssigkeiten und Hydrauliköle aufzubereiten oder Vorratsbehälter bei Verschmutzungen zu reinigen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine Struktur sein, die zum Wärmeaustausch oder zur Wärmeabfuhr eingesetzt wird. So bestehen z. B. Destiller, die in verfahrenstechnischen Anlagen dazu verbaut werden, oftmals aus Kupfer. Die Oberflächen lassen sich leicht in der geeigneten Weise mit den kapillaren Strukturen versehen. Hierdurch wird die Oberfläche zum einen quantitativ vergrößert und zum anderen kann durch die geeigneten kapillaren Strukturen der Flüssigkeitstransport gezielt beeinflusst werden, um die Kühlleistung oder den Wärmeaustausch zu erhöhen.
Die Kapillarstrukturen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können durch unterschiedliche reduktive oder generative Verfahren hergestellt werden, beispielsweise mechanisch, z. B. durch spanendes Fräsen, insbesondere durch Mikrofräsen, thermisch, z. B. durch abtragende Laserbearbeitung, chemisch, z. B. durch Ätzen, elektrisch, z. B. durch Erodieren oder durch eine Kombination dieser Mechanismen, z. B. elektrisch elektro-chemische Vorgänge, wie beim ECM-Prozess.
Weitere Verfahren zur Herstellung der Kapillarstrukturen sind umformende Verfahren, wie z. B. das Prägen, bei denen die Kapillarstrukturen durch Materialverdrängung bzw. Materialverlagerung erzeugt werden, oder urformende Verfahren, z. B. das Spritzgießen oder der Druckguss, bei denen die Kapillarstrukturen durch Form gebende Konturen in Formen replikativ oder direkt durch generative Verfahren aufbauend erzeugt werden.
Des Weiteren können Kapillarstrukturen durch die Verarbeitung von Materialfasern, z. B. Vollmaterialfasern, Hybridmaterialfasern oder eine Kombination mit zusätzlichen, ummantelnden Hohlfasern sowie durch die Herstellung von z.B. Fasergeflechten, Fasergeweben, Fasergelegen, Fasergestricken oder Fasergewirken erzeugt werden.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können aus unterschiedlichen Materialien bestehen oder aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein, bevorzugt sind diese Materialien Metalle, Metalllegierungen, Hartmetalle oder Karbide, polymer- oder mineralienbasierte Materialien, Glas, Kompositmaterialien oder Keramiken.
Die Herstellung der Kapillarstrukturen kann mit der Herstellung der Vorrichtung an sich gekoppelt werden, so dass kein gesonderter Herstellungsschritt notwendig ist. Dies bietet sich insbesondere im Zusammenhang mit aus Fasern oder faserähnlichen Materialien hergestellten Vorrichtungen mit Kapillarstruktur an. So kann die Kapillarstruktur eingebracht werden bei der Herstellung von Fasern, eines mit der Faser funktionell gekoppelten Teils, eines Textils oder eines polymerbasierten, geschäumten oder porösen Materials. Dabei kann jede einzelne Faser selbst eine Kapillarstruktur aufweisen oder z.B. der Faserverbund insgesamt die Kapillarstruktur bilden.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in besonders vorteilhafter Weise Laserstrahlung eingesetzt werden. Hierdurch lassen sich auf effektive Weise feinste kapillare Strukturen auf Oberflächen einbringen, wobei es sich in der Regel um teiloffene Kapillaren handeln wird.
Eine Herstellung der kapillaren Strukturen mittels Laserstrahlung kann allerdings je nach Anwendung eine zu aufwendige und kostenträchtige Maßnahme darstellen. Alternativ ist es denkbar, teiloffene Oberflächenkapillare mit Hilfe eines Formprozesses herzustellen, wobei die Negativstrukturen der Kapillaren stegartig Teil der abbildenden Form sind. Im Falle von Hartmetallschneidplatten, insbesondere Wendeschneidplatten, die in einem Sinterprozess hergestellt werden, können die Negativstrukturen in die Siriterform eingearbeitet werden. Dies wiederum kann bevorzugt mit Hilfe von Laserstrahlung erfolgen, da die Sinterform vielfach eingesetzt werden kann.
Im Folgenden werden bevorzugte Strukturen für erfindungemäße Vorrichtungen anhand von Figuren erläutert.
Es zeigt jeweils schematisch
Die
Im Folgenden ist beschrieben, wie sich innerhalb der Kapillarstruktur eine Flüssigkeitsmasse 13 von links nach rechts in Transportrichtung 14 fortbewegt.
In der unteren Kapillare 9 läuft der gerichtete Transport der Flüssigkeitsmasse 13 zunächst bis zum Eckpunkt 15 der Mittelstruktur 12. Eckpunkt 15 definiert wie auch jeder weiter unten erwähnte Eckpunkt, jeweils eine Stopp-Stelle für den Flüssigkeitstransport in der betroffenen Kapillare.
In entsprechender Weise läuft die Flüssigkeitsmasse in der oberen Kapillare 8 bedingt durch das Zusammenspiel von Geometrie und Kontaktwinkel 16 bis zum Eckpunkt 25. Für die jeweiligen Endpositionen sind für obere Kapillare 8 der obere Meniskus 18 und für die untere Kapillare 9 der untere Meniskus 19 eingezeichnet. Für die obere Kapillare 8 ist zusätzlich noch die Position 18a des Meniskus 18 in einem früheren Stadium eingezeichnet.
Die Flüssigkeitsmasse 13 in der oberen Kapillare 8 hat in der mit Meniskus 18 eingezeichneten Endposition bereits den Eingang eines Durchtrittskanals 20 überschritten, der die obere Kapillare 8 mit der unteren Kapillare 9 verbindet. Der Durchtrittskanal 20 ist selbst wiederum eine Kapillare, weshalb sich Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsmasse 13 aus der oberen Kapillare aufgrund der Kapillarkräfte durch den Durchtrittskanal 20 hindurch zur unteren Kapillare 9 bewegt und dort einen weiteren Meniskus 21 ausbildet, der bis zum Eckpunkt 15 läuft. An dieser Stelle verbinden sich die beiden Menisken 19 und 21 und vereinigen sich zu einem gemeinsamen neuen Meniskus 22, wie er in
Diese Verhaltensweise wird z. B. erreicht, indem ein Flüssigkeitstropfen auf die offene Seite der Kapillarstruktur gegeben wird.
Die zeichnerische Darstellung in den
In einer unteren Kapillare 55 bildet ein unterer Zweig der Flüssigkeitsmasse 52 einen weiteren Meniskus 58 aus, der noch stark konkav (zum Flüssigkeitsinneren gekrümmt) ausgebildet ist und in der unteren Kapillare 55 in Transportrichtung 53 fortschreitet.
In
Eine alternative Kapillarstruktur zeigen die
Auch hier sorgt das Zusammenspiel zwischen den Kapillaren 33 und den Durchtrittskanälen 34 für ein ständiges Fortschreiten der hier nicht dargestellten Flüssigkeitsmasse in eine bevorzugte Richtung, nämlich in
Die Kapillarstruktur der
In den
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