Autor: Prof. Dr.-Ing. Fritz Peter Schulze / HTWK Leipzig und Mitglied im Building 3D e.V.

Hybride und Generative Fertigungstechnologien an der HTWK Leipzig

Der Forschungsfokus der Arbeitsgruppe liegt unter anderen auf den Schnittstellen zwischen Ingenieurwissenschaften, Pharmazie und Medizin. Zur deren Verbindung und zur Adressierung notwendiger Randbedingungen, dient die Entwicklung angepasster 3D-Druck-Dosierköpfe für die Verarbeitung von hochspezialisierten Materialien. Im Weiteren sind additive Technologien für die Produktionstechnik, den Formenbau für Spritzgusswerkzeuge oder für Anwendungen im Küvettenfeinguss Arbeitsinhalt der Gruppe.

In der Arbeitsgruppe „Hybride und Generative Fertigungstechnologien“ beschäftigt uns beispielsweise die Forschung zur Verarbeitung biologisch abbaubarer Kunststoffe und Biopolymere, jedoch auch die Umsetzung innovativer Lösungen in der Gießereitechnik und das Gebiet der optischen 3D-Scantechnik.

Das Tissue Engineering stellt einen der fachlichen Schwerpunkte der Arbeitsgruppe dar. Hier besteht die Motivation, auf künstlichem Wege biologisches Gewebe mittels gerichteter Zellkultivierung herzustellen, Gewebebereiche zu ersetzen bzw. vollständig zu regenerieren. Bei komplizierten Krankheitsbildern ergeben sich Herausforderungen, wenn sich z.B. der Genesungsprozess über sehr lange Zeit erstreckt. Bisher bewährte Strategien müssen neu überdacht und weiterentwickelt werden. Exemplarisch sind hierzu die folgenden Projekte richtungsweisend (https://fing.htwk-leipzig.de/forschung-transfer/ag-hybride-und-generative-fertigungstechnologien/) :

HySiBone (Förderung: ZIM des BMWi – AiF): Die Entwicklung eines neuartigen porösen Hybrid-Silikat-Knochenersatzwerkstoffes unter Nutzung des generativen Verfahrens Fused Deposition Modelling (FDM) zur Herstellung von Formkörpern. Diese dienen als verlorene Formen der indirekten Strukturierung von Hybrid-Silikat Materialien als Knochenersatzwerkstoff.

Nukleotidbasierte Arzneistoffimplantate zur regenerativen Anwendung im Knochen (Förderung: SMWK): Entwicklung eines Dosierkopfes für additive Fertigung mit integriertem Doppelschneckenextruder. Hiermit ist es möglich mehrere Materialien während des 3D-Verabeitungsprozesses in Mischung zu bringen. Außerdem kann die Verarbeitungstemperatur im Vergleich zu herkömmlichen Technologien deutlich reduziert und es können komplexe Materialmischungen verarbeitet werden. Das Ziel ist der dreidimensionale Aufbau von Knochenersatzwerkstoffen.

Knochenregeneration durch 3D gedruckte siRNA-freisetzende Keramikimplantate (Förderung: SMWK): Unter Nutzung eines Dosierkopfes für das FDM-Verfahren werden Knochenzementpasten mit Wirkstoffzumischung dreidimensional strukturiert. Die Weiterentwicklung der Anlagentechnik war erforderlich, um den Anforderungen in der Verarbeitung der pastösen Werkstoffe bei Raumtemperatur unter prozessintegrierter Zumischung von Pulvern gerecht zu werden. Ziel sind innovative Materialkombinationen und die Modifikation von Knochenersatzwerkstoffen.

Implantierbare Materialien, wie Biopolymere (Bsp.: Polycaprolacton; PCL) und Hydrogele sind für die adressierte Zielanwendung biokompatibel und können über einen längeren Zeitraum definiert im menschlichen Organismus abgebaut werden. Solche Implantate sind unmittelbar nach der Applikation mechanisch stabil und müssen durch den Abbau im Körper am Ende ihrer Lebensdauer nicht durch Folgeoperationen entfernt werden. Um vielversprechende Biomaterialien in geometrisch definierte komplexe Strukturen zu überführen, werden in der Arbeitsgruppe generative Verfahren eingesetzt. Es wurden Modifikationen an bekannten 3D-Druckern vorgenommen, um dem Traum des 3D-gedruckten Implantats ein wenig näher zu kommen. Auf diesem Weg liegen zweifellos noch weitere Herausforderungen.

Darüber hinaus werden in der Arbeitsgruppe etablierten additiven Fertigungsverfahren (FDM, SLS, SLA) zur Beantwortung weiterer Forschungsfragen eingesetzt. Das soll in den nachfolgend aufgeführten Beispielen verdeutlicht werden:

Additive Fertigung (Förderung: ZIM des BMWi – AiF): Entwicklung und Validierung additiver Fertigungsstrategien für die funktions- und geometrieerhaltende Implementierung effektiver Absorberstrukturen in Leitungs- und Gehäusebauteilen. Es werden im Projekt Strukturen und Fertigungsstrategien erarbeitet, welche die additive Fertigung von Bauteilen mit integrierter Schalldämpfungsfunktion ermöglichen. Dabei entstehen physisch belastbare Bauteile, deren Dämpfungseigenschaften reproduzierbar und vorhersagbar sind.
next-roto | Rotationsguss (Förderung: ZIM des BMWi – VDI): Entwicklung neuer verfahrenstechnischer Systeme für neuartige direkt beheizte Rotationsformen. Primäres Projektziel ist die Entwicklung und prototypische Umsetzung neuartiger direktbeheizter Rotationsformen sowie einer dazugehörigen Rotationsmaschine zur Herstellung komplexer Kunststoffteile. Die Innovationziele liegen in neuen Materialien und Herstellungsprozessen für die Formen, in der Produktionszyklusverkürzung, der Energieeinsparung und -rückgewinnung, der Reduzierung des Platzbedarfs, der Vereinfachung der Bedienung sowie in wesentlichen Verbesserungen der Produktqualität und der Verringerung der Ausschussquote beim Rotieren.

next-roto | Rotationsguss (Förderung: ZIM des BMWi – VDI): Entwicklung neuer verfahrenstechnischer Systeme für neuartige direkt beheizte Rotationsformen. Primäres Projektziel ist die Entwicklung und prototypische Umsetzung neuartiger direktbeheizter Rotationsformen sowie einer dazugehörigen Rotationsmaschine zur Herstellung komplexer Kunststoffteile. Die Innovationziele liegen in neuen Materialien und Herstellungsprozessen für die Formen, in der Produktionszyklusverkürzung, der Energieeinsparung und -rückgewinnung, der Reduzierung des Platzbedarfs, der Vereinfachung der Bedienung sowie in wesentlichen Verbesserungen der Produktqualität und der Verringerung der Ausschussquote beim Rotieren.

Medienpartner
Die HTWK Leipzig wurde 1992 gegründet. Sie entstand jedoch nicht neu, sondern setzt eine lange Tradition technischer Bildungseinrichtungen in Leipzig fort. So gehören u.a. die Königlich-Sächsische Baugewerkenschule zu Leipzig (1838), die Ingenieurhochschule Leipzig (1969) und die Technische Hochschule Leipzig (1977) zu den Wurzeln der HTWK. Heute gehört die HTWK Leipzig zu den forschungsstärksten Hochschulen für Angewandte Wissenschaften in Deutschland. Die HTWK Leipzig bündelt ihre Kompetenzen in vier Forschungsprofillinien („Bau & Energie: Ressourcen schonen“, „Ingenieur & Wirtschaft: Verantwortung übernehmen“, „Life Science & Engineering: Gesundheit erhalten“, „Medien & Information: Informationen erschließen“), die zu fächer- und fakultätsübergreifenden Studiengängen geführt haben und interdisziplinäre Forschungsaktivitäten befördern. Innerhalb der Profillinien sind inzwischen zahlreiche Cluster entstanden, die zur Bildung neuer Netzwerke, Kooperationen und Forschungsideen beitragen. Auch die Studiengänge an der HTWK profitieren von der Profilierung und sind sowohl wissenschaftlich fundiert als auch praxisnah. So zählen etwa die Studiengänge Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik deutschlandweit zu den zehn besten Studiengängen im Ranking der „Wirtschaftswoche“ in 2021 und 2022.

 Prof. Dr.-Ing. Fritz Peter Schulze

HTWK Leipzig

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