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Erschienen in: Experimental Mechanics 6/2021

07.04.2021 | Research paper

Bending of Soft Micropatterns in Elastohydrodynamic Lubrication Tribology

verfasst von: Y. Peng, C. M. Serfass, C. N. Hill, L. C. Hsiao

Erschienen in: Experimental Mechanics | Ausgabe 6/2021

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Abstract

Background

Soft tribology is increasingly important in the design and engineering of materials used in robotics, haptics, and biomechanics studies. When patterned surfaces are part of a lubricated tribopair that undergoes sliding and compressive deformation, the patterns experience a bending strain that affects the lubrication film thickness and elastohydrodynamic friction. The contribution of bending patterns to soft tribology is not well understood because earlier studies focused on hard tribopairs with effectively flat surfaces.

Objective

We investigate and model the differences in lubricated friction for poly(dimethyl siloxane) (PDMS) elastomer and PEGDA/alginate double network hydrogel patterns in order to determine the effect of height-to-width aspect ratio and bending angle on the elastohydrodynamic friction.

Methods

Photoresists of two different viscosities are spin coated onto silicon substrates to fabricate molds with pattern heights ranging from 20 μm to 50 μm.

Results

Tribological characterization of the tribopairs in the elastohydrodynamic lubrication regime shows that the patterns generate a friction peak that is independent of aspect ratio for short patterns but displays a “power-law fit” decrease with increasing aspect ratio for taller patterns. Two independent models are used to estimate the theoretical bending and deflection angles for the tribopairs.

Conclusions

The decrease in lubricated friction is attributed to taller patterns having large bending angles and a reduced effective surface for fluid load bearing. Results suggest that the bending of micropatterns could be harnessed to engineer lubricated friction in a variety of applications.

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Literatur
7.
Zurück zum Zitat Stachowiak G, Batchelor AW (2014) Elastohydrodynamic lubrication. In: Engineering tribology, 4th edn. Butterworth-Heinemann Stachowiak G, Batchelor AW (2014) Elastohydrodynamic lubrication. In: Engineering tribology, 4th edn. Butterworth-Heinemann
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Zurück zum Zitat Peng Y, Serfass CM, Hill CN, Hsiao LC (2019) Lubricated friction of textured soft substrates. arXiv preprint arXiv: 190906431 Peng Y, Serfass CM, Hill CN, Hsiao LC (2019) Lubricated friction of textured soft substrates. arXiv preprint arXiv: 190906431
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Zurück zum Zitat Grubin A (1949) Fundamentals of the hydrodynamic theory of lubrication of heavily loaded cylindrical surfaces. In: Investigation of the contact of machine components. Central Scientific Research Institute for Technology and Mechanical Engineering Grubin A (1949) Fundamentals of the hydrodynamic theory of lubrication of heavily loaded cylindrical surfaces. In: Investigation of the contact of machine components. Central Scientific Research Institute for Technology and Mechanical Engineering
34.
Metadaten
Titel
Bending of Soft Micropatterns in Elastohydrodynamic Lubrication Tribology
verfasst von
Y. Peng
C. M. Serfass
C. N. Hill
L. C. Hsiao
Publikationsdatum
07.04.2021
Verlag
Springer US
Erschienen in
Experimental Mechanics / Ausgabe 6/2021
Print ISSN: 0014-4851
Elektronische ISSN: 1741-2765
DOI
https://doi.org/10.1007/s11340-021-00715-8

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