Arbeitsgruppe Generative Fertigungstechnik

Forschungs- & Entwicklungsschwerpunkte

➤ Zielgerichtete Anwendung NC-gesteuerter Fertigung für Fräs-, Dreh- und Fräsdrehwerkstücken für den Bereich Forschung, Entwicklung und Wirtschaft
➤ Einsatz generativer Fertigungsverfahren in der Medizintechnik, wie 3D-Druck von Biomaterialien zur Entwicklung neuartiger Knochenersatzwerkstoffe
➤ Entwicklung von Leichtbauprodukten unter Nutzung generativer Fertigungsmethoden
➤ Einsatz von 3D Messverfahren für reverse engineering Prozesse

Wir arbeiten beispielsweise an der Verarbeitung biologisch abbaubarer Kunststoffe und Biopolymere, der Umsetzung innovativer Lösungen in der Gießereitechnik und auf dem Gebiet des 3D-Scans. Bei der Lösung unserer Aufgaben setzen wir die gängigen CAD-Systeme CATIA und Inventor ein.

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 weiter entwickelt werden.

Implantierbare Materialien, wie Biopolymere (Bsp.: Polycaprolacton; PCL) und Hydrogele sind 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. Wir haben Modifikationen an bekannten 3D-Druckern vorgenommen, um dem Traum des 3D-gedruckten Implantats ein wenig näher zu kommen. Auf diesem Weg finden wir sicherlich noch einige Herausforderungen, die es zu lösen gilt.

Prof. Dr.-Ing. Fritz Peter Schulze
Professur Werkzeugmaschinen und Fertigung

Institut
TPMB | Institut für Technologie und Produktion im Maschinenbau

Telefon: +49 (0)341 3076 4142
E-Mail: peter(dot)schulze(at)htwk-leipzig.de

Team

Dr.-Ing. Tobias Flath | Dipl.-Ing. Lukas Kube | M.Eng. Philipp Zimmermann | M.Eng. Robin Mäder (Gastwissenschaftler) | Dr.rer.med. Hans Dörfler (Gastwissenschaftler)

Projekte

ZEREPRO – Orthosurg

Entwicklung eines Systems zur Planung und Osteosynthese in der orthognathen Chirurgie auf Basis anatomisch präformierter Osteosyntheseplatten und einer Planungssoftware

Innerhalb des Projektes wird ein System für die umfassende Planung Simulation und operative Versorgung in der orthognathen Chirurgie entwickelt. Zentraler Bestandteil sind dabei dreidimensional präformierte Osteosyntheseplatten für jedes Einsatzgebiet in der orthognaten Chirurgie des menschlichen Ober- und Unterkiefers sowie des Kinnbereiches, die eine einfache und verlässliche intraoperative Umsetzung der OP-Planung ermöglichen.

Förderung: ZIM des BMWi (Projektträger VDI)
Projektpartner: Prof. Martin Gürtler (HTWK Leipzig), Anton HIPP GmbH
Projektlaufzeit: 10/2020 – 06/2022

Additive Fertigung

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.

Förderung: ZIM des BMWi (Projektträger AiF)
Projektpartner: Gesellschaft für Akustikforschung Dresden mbH
Projektlaufzeit: 04/2020 – 10/2022

BioKomp

Untersuchung der Biokompatibilität generativ gefertigter Bauteile

Als Teil der Biokompatibilitätsprüfung wird in diesem Projekt die Cytotoxizität verschiedener typischer Materialien der generativen Fertigung aus mehreren Verfahren untersucht.

Projektpartner: Fraunhofer Institut für Zelltherapie und Immunologie e.V.
Projektlaufzeit: 12/2020 – 12/2021

4D-Embossing

Neuartige Prägeformen mit immanenten, mehrdimensionalen Eigenschaftsgradienten

Das Ziel besteht in der Entwicklung neuartiger Prägeformen, die erstmals in der Kombination von additiven Fertigungsprozessen sowie subtraktiver Lasergravur hergestellt werden können. Mit dem additiven Aufbau bieten sich völlig neue Optionen, um das Werkzeug mit geometrisch sehr variablen, abformoptimalen 3D-Prägestrukturen auszustatten und die Prägeeigenschaften des Werkzeugs gezielt zu beeinflussen.

Förderung: ZIM des BMWi (Projektträger VDI)
Projektpartner: SWG - Sächsische Walzengravur GmbH
Projektlaufzeit: 06/2019 – 12/2021

Beat2020

Entwicklung eines Notfallbeatmungsgeräts zur Unterstützung in der Covid19-Pandemie

Es wurde ein Notfallbeatmungsgerät entwickelt, welches sich auf in der damaligen Pandemiesituation verfügbare Bauteile aus der Medizintechnik, sowie frei verfügbare Drittkomponenten und additiv fertigbare Teile stützt. Damit sollte bei Überbelegung von Intensivstationen und damit einhergehendem Mangel an professionellem Equipment eine lebensrettende Versorgung von Covid19-Intensivpatienten ermöglicht werden.

Projekt einer intern gebildeten Arbeitsgruppe, ohne Förderung, Kooperation mit Firma
Projektlaufzeit: 04/2020 – 06/2020

Projektseite Beat2020 ↗

formplus – generaSpriNetz

Prozessparametrik und Gestaltungsschrittfolge konturnaher Spritzgusskühlnetztwerke

Innerhalb des Projektes wurden neue Kühlsysteme für Kunststoffspritzgussteile entwickelt. Unter Nutzung 3D-gedruckter Einsätze für die Realisierung einer flächigen konturnahen Kühlung wurde eine Erweiterung der Freiheitsgrade in Bezug auf Standfestigkeit der Schusszeiten und Flexibilität der Gusswerkzeuge erreicht.

Förderung: ZIM des BMWi (Projektträger VDI)
Projektpartner: TriWeFo – Tridelta Werkzeug- und Formenbau GmbH, Hermsdorf
Projektlaufzeit: 05/2018 - 11/2020

Multikanalröhrchen

Generative Fertigung von Multikanalröhrchen zur peripheren Nervenregeneration

Bisher ist die Heilung von Defekten am peripheren Nervensystem eingeschränkt erfolgreich durch den komplexen anatomischen Aufbau von Nerven. Mit dem Projekt „Multikanalröhrchen“ sollen durch den Einsatz eines neuen Hydrogel-Materials und generativen Verfahrens neue Wege beschritten werden bei der Herstellung eines Implantats, welche die körpereigene Regeneration von Nervendefekten gezielt und in besserer Form unterstützen soll.

Förderung: ZIM des BMWi (Projektträger VDI)
Projektpartner: Professur Pharmazeutische Technologie/Institut für Pharmazie/Medizinische Fakultät/Universität Leipzig, axiss GmbH
Projektlaufzeit: 11/2016 – 03/2019

Publikation: Extrusion-Printing of Multi-Channeled Two-Component Hydrogel Constructs from Gelatinous Peptides and Anhydride-Containing Oligomers
DOI: 10.3390/biomedicines9040370
pdf via NCBI ↗

formplus – KomposiForm

Simulationen zum Abkühlverhalten beim Einsatz alternativer Formstoffe

Entwicklung von Kühlsystemen für Gussformen zur externen Beeinflussung des Erstarrungsverhaltens beim Metallguss, unter Nutzung vakuumtaugliche Formstoffe mit schlechter Wärmeleitung. Ziel des Vorhabens war es die Abkühlung von Metall-Feinguss-Teilen durch Veränderungen des Formstoffes und/oder Einsatz von Kühlelementen zu steuern, damit deren Qualität sich einem im Druckguss hergestellten Bauteil annähert.

Förderung: ZIM des BMWi (Projektträger VDI)
Projektpartner: Prof. Henning Rambow/Fakultät AS/HTWK Leipzig, Portec GmbH
Projektlaufzeit: 06/2017 – 05/2018

Knochenregeneration durch 3D gedruckte siRNA-freisetzende Keramikimplantate

Unter Nutzung eines Dosierkopfes im 3D-Druck Verfahren FDM (Fused Depsoition Modelling) werden hier Knochenzementpasten mit Wirkstoffzumischung dreidimensional strukturiert. Dazu erfolgt die Weiterentwicklung der Anlagentechnik, um den Anforderungen in der Verarbeitung der pastösen Werkstoffe bei Raumtemperatur unter prozessintegrierter Zumischung von Pulvern gerecht zu werden. Ziel ist die Weiterentwicklung von Knochenersatzwerkstoffen.

Förderung: SMWK
Projektpartner: Professur Pharmazeutische Technologie/Institut für Pharmazie/Medizinische Fakultät/Universität Leipzig, Klinische Pharmakologie/Medizinische Fakultät/Universität Leipzig
Projektlaufzeit: 09/2015 – 12/2017

next-roto | Rotationsguss

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: neue Materialien und Herstellungsprozesse für die Formen, Produktionszyklusverkürzung, Energieeinsparung, Energierückgewinnung, Reduzierung des Platzbedarfs, Vereinfachung der Bedienung, wesentliche Verbesserung der Produktqualität und Verringerung von Ausschuss beim Rotieren.

Förderung: ZIM des BMWi
Projektpartner: next home collection e.K. (Praxispartner), RWTH Aachen

3D-Orbita

Entwicklung einer Biegehilfe zur Behandlung von Orbitawand Frakturen

Das Ziel des Vorhabens bestand in der Erstellung einer Prozesskette für die Herstellung optimierter patientenspezifischer Gesichts- und Hirnschädel- (kraniomaxillofazialer) Implantate.

Förderung: ZIM des BMWi (AiF)
Projektpartner: Deufel GmbH (Praxispartner), Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie/Medizinische Fakultät/Universität Leipzig

Publikation: Template-Based Orbital Wall Fracture Treatment Using Statistical Shape Analysis.
DOI: 10.1016/j.joms.2017.03.048
pdf via NCBI ↗

Anwendung von 3D-Prototyping Verfahren zur Mikrodosierung von pharmazeutisch wirksamen Substanzen unter homogener Einbettung in eine Biokunststoffmatrix

Anwendung von 3D-Prototyping Verfahren zur Mikrodosierung von pharmazeutisch wirksamen Substanzen unter homogener Einbettung in eine Biokunststoffmatrix.“ Im Forschungsförderungsprojekt wurden die Voraussetzungen dafür geschaffen neue Projekte im Bereich Medizintechnik zur Beantragung zu führen. Der Fokus lag dabei auf der generativen Verarbeitung von biokompatiblen Kunststoffen unter Einsatz des Rapid Prototypingverfahrens FDM (fused deposition modeling).

Förderung: SMWK
Projektlaufzeit: 08/2013 - 12/2013

Nukleotidbasierte Arzneistoffimplantate zur regenerativen Anwendung im Knochen

Entwicklung eines Dosierkopfes mit Doppelschneckenextruder

Entwicklung eines Dosierkopfes (FDM Verfahren) für Additive Manufacturing 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 komplexe Materialmischungen verarbeitet werden. Das Ziel ist der dreidimensionale Aufbau von Knochenersatzwerkstoffen.

Förderung: SMWK
Projektpartner: Professur Pharmazeutische Technologie/Institut für Pharmazie/Medizinische Fakultät/Universität Leipzig, Klinische Pharmakologie/Medizinische Fakultät/Universität Leipzig
Projektlaufzeit: 05/2013 - 12/2014

Publikation: Ein Doppelschneckenextruder zur Materialdosierung in einem Rapid Prototyping-Prozess
in: Stelzer, Ralph, Hrsg., 2016. Entwerfen Entwickeln Erleben 2016 - Beiträge zur virtuellen Produktentwicklung und Konstruktionstechnik: Dresden, 30. Juni – 1. Juli 2016. Dresden: TUDpress - Verlag der Wissenschaften GmbH. S. 419-428. ISBN 978-3-95908-062-0

HySiBone

Entwicklung eines neuartigen porösen Hybrid-Silikat-Knochenersatzwerkstoffes

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.

Förderung: ZIM des BMWi (AiF)
Projektpartner: Professur Pharmazeutische Technologie/Institut für Pharmazie/Medizinische Fakultät/Universität Leipzig, Bubbles and beyond GmbH, DMG-Chemie GmbH
Projektlaufzeit: 05/2011 - 07/2013

Patent: DE102014224654A1 | Makroporöse, bioabbaubare organisch-vernetzte Silikat-Hybridmaterialien zur Implantation
Publikationen:
Indirect rapid prototyping of sol-gel hybrid glass scaffolds for bone regeneration - effects of organic crosslinker valence, content and molecular weight on mechanical properties
DOI: 10.1016/j.actbio.2016.02.038
Effects of curing and organic content on bioactivity and mechanical properties of hybrid sol–gel glass scaffolds made by indirect rapid prototyping
DOI: 10.1007/s10971-017-4395-y
Biodegradable and adjustable sol-gel glass based hybrid scaffolds from multi-armed oligomeric building blocks
DOI: 10.1016/j.actbio.2017.09.024
Sustained Calcium(II)-Release to Impart Bioactivity in Hybrid Glass Scaffolds for Bone Tissue Engineering
DOI: 10.3390/pharmaceutics12121192