© E308-02-2

Bild: AFM-Ergebnisse einer tröpfchenartigen (a) und miteinander verbundenen (b) Phasenstruktur

Betreuer: J. Stampfl

Ko-Betreuer: H. Sandtner

Ph.D. Student: M.Ahmadi

Ziele: Das Ziel dieses Promotionsvorhabens ist die Entwicklung und Untersuchung von Methoden zur Bereitstellung von heterogenen, 3D-druckbaren Photopolymeren mit thermomechanischen Eigenschaften ähnlich zu Thermoplasten wie ABS. Trotz der Tatsache, dass die amorphen Photopolymere in der polymerbasierten additiven Fertigung höchste Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit bieten, schränken ihre geringe Zähigkeit und Bruchdehnung ihre umfassende Verwendung in technischen Anwendungen des 3D-Drucks ein. Diese Nachteile rühren von der homogenen Beschaffenheit von amorphen Materialien her, die ihren Widerstand gegen Rissausbreitung begrenzt und sie bruchanfällig macht. Die Beseitigung dieses Nachteils durch geeignete Vorspannmechanismen kann ein breites Spektrum innovativer Anwendungen für 3D-gedruckte Teile eröffnen. Der relevanteste Ansatz zur Härtung, der den Eigenschaften von lichthärtbaren Harzen und einer vordefinierten Fertigung entspricht, besteht darin, eine Heterogenität im Bulk-Polymer zu erzeugen, ohne externe Instrumente zu verwenden. Dies ist durch einen Prozess möglich, der als photopolymerisationsinduzierte Phasentrennung (PhIPS) bekannt ist und Heterogenität in einem anfänglich homogenen System erzeugt, indem es geringfügig oder vollständig inkompatiblen Komponenten ermöglicht, mit dem Polymerisationsfortschritt zu diffundieren. Die resultierenden Strukturen bieten einstellbare mechanische Eigenschaften basierend auf dem Zusammenspiel von weichen und harten Phasen, sodass die etablierten Domänen in der Lage sind, die damit verbundene Energie der Rissausbreitung abzubauen und die Zähigkeit und Bruchdehnung zu erhöhen, ohne die Festigkeit oder Steifigkeit des Materials zu beeinträchtigen.

© A.Otto

Bild: Vorläufige Ergebnisse einer gekoppelten Strömungs- und Festkörpermechanik-Simulation einer einspurigen Schweißspur im Leitungsmodus (Domänenschnitt entlang der Mittellinie der Schweißnaht); zeigt ein flüssiges Schmelzbad, das durch Temperatur und hydrostatische Festkörperspannung gefärbt ist (oben), axiale und vertikale Festkörperverschiebung (unten).

Betreuer: A. Otto

Co-Betreuer: I. Miladinovic

Ph.D. Student: C.Zenz

Ziele: Additive Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeit, physische Teile direkt aus CAD herzustellen. Viele verschiedene Prozesse wie z.B. Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) oder Laser Direct Energy Deposition (L-DED) wurden in den letzten Jahren entwickelt und industrialisiert. Allerdings ist es immer noch sehr schwierig, für jedes einzelne zu produzierende Teil die richtigen Bearbeitungsparameter zu finden. Das thermische und thermomechanische sowie das metallurgische Verhalten eines Bauteils während des Bauprozesses werden nicht nur stark von der Verarbeitungsstrategie, sondern auch von seiner Geometrie und seinem Material beeinflusst. Dies führt oft zu Verzügen oder Rissen, zu überhitzten Stellen und zu vielen anderen Verarbeitungsfehlern, die es zu vermeiden gilt. So ist die von der Industrie offensichtlich stark nachgefragte Produktion von First-Time-Right-Teilen noch die Ausnahme und erfordert qualifiziertes Fachpersonal.

Prozesssimulationen bieten die Möglichkeit, die Auswirkungen zu untersuchen, die zu Verarbeitungsfehlern führen, und sind grundsätzlich ein geeignetes Werkzeug zur Unterstützung der Prozessgestaltung. Diese Simulationen sind jedoch sehr anspruchsvoll, da sie sowohl multiskalige als auch metaphysische Eigenschaften aufweisen:

• Multiskalige, sowohl zeitlich als auch räumlich: Typische Bauzeiten für ein Bauteil mit Abmessungen von wenigen Kubikzentimetern liegen bei wenigen Stunden, typische Schwankungszeiten auf der Prozessskala, die auch zu Ausfällen führen können, bei einigen Mikrosekunden und sie im µm-Bereich stattfinden. ·
• Multiphysikalisch, da eine korrekte Prozessbeschreibung Optik, Wärmeleitung inkl. Phasenübergänge, Strömungslehre, Pulverphysik, Festkörpermechanik, Werkstoffkunde etc. umfasst.

Derzeit sind keine Simulationswerkzeuge verfügbar, die all diese multiskaligen und multiphysikalischen Aspekte abdecken. Ein wesentliches Ziel zukünftiger Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet der additiven Fertigung muss daher die Entwicklung von Werkzeugen und Strategien sein, die die Simulation von lasergestützten additiven Fertigungsverfahren ermöglichen. Dies ist die Voraussetzung für die angestrebte First-Time-Right-Produktion.

Basierend auf früheren Arbeiten an der TUW zur mechanistischen Simulation des L-PBF-Prozesses zielt das Promotionsprojekt auf die Implementierung mehrerer neuer Funktionen in das bestehende Simulationstool ab. Diese beinhalten: ·

• Kopplung des bestehenden Modells (basierend auf Diskrete-Elemente-Methode und Fluiddynamik) und Thermomechanik. ·
• Implementierung eines Kornwachstumsmodells und anderer metallurgischer Aspekte. ·
• Entwicklung eines vereinfachten Modells für L-PBF, um die Simulationszeit zu reduzieren. ·
• Ableitung von Strategien zur Kopplung des mechanistischen und des vereinfachten Modells.

Die TU Wien wird dieses PhD-Projekt leiten, indem sie die Betreuung und den Zugriff auf die hauseigene Software zur Simulation der Lasermaterialbearbeitung bereitstellt, die in den letzten zehn Jahren entwickelt wurde. Das Projekt wird in die Forschungsgruppe „Laserprozesssimulation“ eingebettet, die starke Expertise in Programmierung und Physik in Bezug auf die Lasermaterialbearbeitung bietet.

© C. Hölzl

Bild: Beispiele für TO und Gitterstrukturen

Betreuer: C. Hölzl

Ko-Betreuer: J. Stampfl

Ph.D. Student: S. Geyer

Ziele: Das Ziel dieses Promotionsvorhabens ist die Entwicklung von Algorithmen für topologisch optimierte Teile, die mittels SLS und Heißlithographie hergestellt werden können. Unter Verwendung bewährter Software-Tools wie SolidWorks für das Design von Modellen, Altair Inspire für die Topologieoptimierung, ANSYS für die Verifizierung per FEM und sowohl Rhinoceros als auch Grasshopper für die Entwicklung von Algorithmen zur strukturellen Optimierung über nichtkonforme Gitterstrukturen, eine einfach zu bedienende Toolchain für Bauteiloptimierung entwickelt werden. Im Rahmen der Entwicklung von Algorithmen wird das Potenzial des Einsatzes von Machine-Learning-Algorithmen evaluiert und mit konventionellen Algorithmen verglichen. Zu diesem Zweck werden Komponenten aus der Open-Source-Machine-Learning-Bibliothek LunchBoxML verwendet und übernommen.

Mit beiden genannten additiven Fertigungsverfahren sollen die optimierten Bauteile hergestellt werden, die in einem nächsten Schritt über vorgegebene Werkzeuge der Materialprüfung verifiziert werden sollen. Im Heißlithographie-Verfahren hergestellte Teile müssen zusätzlich hinsichtlich Stützstrukturen optimiert werden, damit keine zusätzliche Stütze benötigt wird. Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung maßgeschneiderter Algorithmen, die Eingabedaten aus CAD- und FEM-Software unter den Randbedingungen von Bauraum, Vorrichtungen, Lasten und dem Soft-Kill-Option (SKO)-Ansatz sowie spezifischen physikalischen Parametern automatisch optimieren das verwendete Material/Fertigungssystem, um das Gewicht zu minimieren und die Steifigkeit der resultierenden Geometrien zu maximieren.

Die FH Campus Wien stellt Software zur Verfügung, die zum Entwerfen und Optimieren des Teiledesigns sowie der erwähnten Fertigungsprozesse benötigt wird. Darüber hinaus wird die FH Campus Wien die Entwicklung von Algorithmen und Themen rund um maschinelles Lernen betreuen. Die TU Wien stellt Werkzeuge und Maschinen zur Verfügung, um die optimierten und gefertigten Teile zu verifizieren.

© M.Bublin

Bild: Curling (a) und Beschichtungsfehler (b) in SLS-Prozessen mit Kunststoffpulver

Betreuer: M. Bublin

Ko-Betreuer: A. Otto

Ph.D. Student: V. Klamert

Ziele: Es gibt bereits viele In-situ-Messverfahren, die den Prozess des selektiven Lasersinterns (SLS) mit Polymerpulvern überwachen. Die Prozessüberwachung ist jedoch ein wichtiges Thema zur Bestimmung der Druckqualität und der mechanischen Eigenschaften der Bauteile und soll im Rahmen des Promotionsvorhabens verbessert werden. Die Effizienz von SLS-Prozessen für Polymere wird durch die zerstörungsfreie Analyse gesteigert, da der Ausschuss durch den Einsatz von Vorhersagemodellen reduziert wird. Darüber hinaus sollen Stichprobenuntersuchungen der Komponenten durch eine Prozessüberwachung und anschließende Modellierung der Einflüsse bei Fehlern im Prozess ersetzt werden.

Fehler im Pulverbett wie Beschichtungsfehler, ungleichmäßige Verteilung des Pulvers über den Bauraum und ungleichmäßige Temperaturverteilung über den Sinterprozess wirken sich negativ auf die Materialeigenschaften des Bauteils aus. Dies kann dazu führen, dass die gefertigten Bauteile nicht bestimmungsgemäß verwendet werden können. Um die Qualität der Bauteile nach der Fertigung beurteilen zu können, sollen In-situ-Messverfahren entwickelt und im SLS-System implementiert werden.

Mit diesen Messverfahren können Schaltfehler erkannt werden. Bei ausreichender Messgenauigkeit der Verfahren sollten auch deren Einflüsse auf die nachfolgenden Schichten der Bauteile ermittelt werden. Dazu werden gezielt Pulverfehler erzeugt und deren Einfluss bestimmt.

Zusätzlich werden Blindproben hergestellt, um die Auswirkungen der Fehler auf die Materialeigenschaften zu messen. Zur Charakterisierung der Materialeigenschaften (Bestimmung der Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Oberflächentopologie ...) werden gängige Messverfahren eingesetzt.

Basierend auf den Messdaten und den Messungen der Materialeigenschaften soll ein Modell erstellt werden, das die Qualität des Bauteils im SLS-Prozess beschreibt. Dazu ist eine enge Abstimmung mit der TUW, die die Materialsimulationen beisteuert, erforderlich.

Es ist vorgesehen, dass die Doktorandin oder der Doktorand während der Promotion kontinuierlich Abschlussarbeiten (Master- und Bachelorarbeiten) aus dem vorgenannten Fachgebiet definiert und betreut.

© E308-02-3

Bild: TEM-Bild von Mikrogerüsten (A), Agarose-Mikrovertiefungsform für die Zellaussaat (B), Illustration des zugrunde liegenden Konzepts der Gewebeeinheit (C) und Lebend/Tot-Färbung eines 4 Wochen alten Sphäroids, das sich in BB gebildet hat, mit Rot, das Auto- fluoreszierendes Mikrogerüst (D)

Tissue Engineering ist ein stark interdisziplinäres Forschungsgebiet mit dem langfristigen Ziel, defektes Gewebe wiederherzustellen und/oder zu ersetzen. Im Gegensatz zu den beiden am weitesten verbreiteten Ansätzen, nämlich einem gerüstbasierten und einem gerüstfreien Ansatz, zielt dieses Projekt darauf ab, eine radikal neue Strategie zu entwickeln, die die Vorteile der beiden Ansätze kombiniert.

Das Konzept dieser dritten Strategie im Tissue Engineering (THIRST) beruht auf mehrzelligen Sphäroiden, die in robusten Mikrogerüsten eingeschlossen sind. Durch die Verwendung der richtigen Kombination von Zellen innerhalb der Sphäroide und durch die Kombination verschiedener Arten von Sphäroiden können verschiedene Arten von Geweben durch Selbstorganisation erzeugt und auf Mikroebene weiter optimiert werden, um eine Vaskularisierung zu ermöglichen. Die Microscaffolds werden zunächst mittels hochauflösendem 3D-Druck (Zwei-Photonen-Polymerisation) erstellt und anschließend in Kombination mit den Zellen zu den endgültigen Gewebemodulen kultiviert. Die größten Herausforderungen dieses Projekts sind:

• Erhöhung des Durchsatzes bei der Herstellung von Mikrogerüsten
• Automatische Handhabung der Mikrogerüste zur Skalierung der Produktion von Gewebeeinheiten
• Entwicklung von Protokollen zur Funktionalisierung von Microscaffolds mit entsprechenden Biomolekülen
• Erstellung von Protokollen für Knorpel- und Knochengewebezüchtung

Kontakt: Prof. Dr. Aleksandr Ovsianikov

© E308-02-2

Im CD-Labor arbeiten wir an der Beantwortung zweier wichtiger Forschungsfragen aus dem Bereich der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie, nämlich Materialien für den 3D-Druck von Implantaten und Knochenkleber zur Versorgung insbesondere von Trümmerfrakturen.

In den letzten zehn Jahren wurden erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet der 3D-gedruckten Implantate erzielt. Wesentliche Merkmale solcher Implantate sind die Möglichkeit, sie auf der Grundlage individueller CT-Aufnahmen des Patienten herzustellen und dass sie eigentlich nur als Gerüste fungieren, die das Nachwachsen von körpereigenem Knochenmaterial unterstützen und gleichzeitig biologisch abbauen. Anforderungen an diese Funktionen sind, dass (1) das Material und seine Abbauprodukte ungiftig sind, (2) es per 3D-Druck herstellbar ist, (3) die Implantate eine ausreichende mechanische Stabilität aber auch Porosität aufweisen und (4) das diese Porosität kann mit Nährlösungen mit Wachstumsfaktoren gefüllt werden, um die Vaskularisierung zu fördern, d. h. das Einwachsen von Blutgefäßen, um das Gewebewachstum zu unterstützen. Als viel versprechende Ausgangsmaterialien haben sich mit Hilfe von lichtempfindlichen Photoinitiatoren photopolymerisierte Vinylester als Basis für die Materialien erwiesen. Im Rahmen des CD-Labors werden wir die einzelnen Komponenten sowie Endkonstrukte aus biomedizinischer und materialwissenschaftlicher Sicht charakterisieren.

Knochenkleber gelten immer dann als anwendbar, wenn eine Knochenfixation mit Schrauben und/oder Platten nicht möglich ist, beispielsweise bei Trümmerfrakturen. Eine maximale Haftkraft bei gleichzeitiger Porosität und biologischer Abbaubarkeit sind Voraussetzungen für Knochenadhäsive. Bei Knochenimplantaten ist es entscheidend, dass sich das Material im Laufe der Zeit biologisch abbaut, während körpereigenes Knochengewebe regeneriert wird.

In beiden Bereichen werden wir grundlegende Materialforschung betreiben, um wissenschaftliche Fragestellungen wie Grenzphaseneffekte, Schichtinhomogenitäten oder Delamination, also die Ablösung von Schichten in 3D-Druckteilen, sowie das Zusammenspiel von Adhäsions- und Kohäsionskräften in Knochenklebern beantworten .

© E308-02-2

Der Wunsch, Elfenbein zu ersetzen und dieses wertvolle und gleichzeitig ethisch nicht vertretbare Material zu kopieren, ist nicht neu. Dennoch mangelt es allen handelsüblichen Nachbauten an den wichtigsten Eigenschaften, insbesondere an den optischen Eigenschaften. Außerdem sind die meisten dieser Materialien nur in großen Mengen und nicht in der gewünschten Form erhältlich. Das Schnitzen eines Ersatzteils aus Elfenbein oder einem Massenersatz kann viel Zeit in Anspruch nehmen und ist in den meisten Fällen unbezahlbar.

Im Zuge dieses interdisziplinären Forschungsprojekts der TU Wien, der Cubicure GmbH, der Abteilung für Kunst und Denkmalpflege der Erzdiözese Wien und dem Restaurierungsatelier Addison KG wurde ein 3D-druckbarer Elfenbeinersatz namens „Digory“ zur Nachahmung entwickelt nicht nur die ästhetischen, sondern auch die mechanischen und haptischen Eigenschaften von Elfenbein. Die Farbe und Transluzenz sind einstellbar, um den ursprünglichen Farbton einzelner zu ersetzender Elfenbeinteile wiederzugeben. Auch die Dichte- und Härtewerte von Digory sind mit Elfenbein vergleichbar. Durch die richtige künstlerische Nachbearbeitung wird die Ähnlichkeit mit natürlichem Elfenbein zusätzlich verstärkt (Abbildung 1, oben links).

Um beispielsweise fehlende Säulenkapitelle des Schreins von Friedrich III. von Österreich (Abbildung 2) zu ersetzen, bietet der 3D-Druck eine elegante Lösung, um das Kunstwerk genau so zu reproduzieren, wie es vom ursprünglichen Künstler beabsichtigt war. Dazu wurde eines der elfenbeinfarbenen Kapitelle abgetrennt und gescannt, um ein 3D-Modell der komplexen Struktur zu erstellen, das nun für jede fehlende Säule einfach neu gedruckt werden kann (Abbildung 3, oben rechts).Um beispielsweise fehlende Säulenkapitelle des Schreins von Friedrich III. von Österreich (Abbildung 2, oben Mitte) zu ersetzen, bietet der 3D-Druck eine elegante Lösung, um das Kunstwerk genau so zu reproduzieren, wie es vom ursprünglichen Künstler beabsichtigt war. Dazu wurde eines der elfenbeinfarbenen Kapitelle abgetrennt und gescannt, um ein 3D-Modell der komplexen Struktur zu erstellen, das nun für jede fehlende Säule einfach neu gedruckt werden kann.

Digory bietet eine elefantenfreundliche Alternative zu Elfenbein und entdeckt seine ästhetischen Vorzüge wieder. Einerseits kann es zur hochwertigen Restaurierung wertvoller Kunstgegenstände verwendet werden und andererseits eignet es sich für alltägliche Anwendungen, wie Schmuck oder Innendekoration. Digital Ivory verbindet klassische Schönheit mit modernem Design und innovative Technik mit traditionellem Handwerk.

© EU

EIT-AddManu wird praktische Lernunterlagen für den Unterricht von Additive Manufacturing (AM) in der akademischen und industriellen Hochschulbildung bereitstellen. Die gezielte Kursarbeit, die auf der EIT Manufacturing Guided Learning Platform zur Verfügung gestellt wird, enthält Tools zum Unterrichten von AM in Bezug auf Design-Tools, das Screening geeigneter AM-Systeme und die Auswahl des richtigen Materials für den Job. Fragen zu regulatorischen Themen zusammen mit internationalen und industriellen Standards werden ebenfalls behandelt. Öffentliche und private Bildungseinrichtungen aus Österreich, Finnland, den Niederlanden und Spanien tragen mit innovativen und relevanten Lernunterlagen zu EIT-AddManu bei, um die zukünftige Generation europäischer AM-Spezialisten zu motivieren und auszubilden. (https://eitmanufacturing.eu/additive-manufacturing-teaching-factory/)

Kontakt: Prof. Jürgen Stampfl, Dr. Julia Anna Schönherr Förderung: eitmanufacturing.eu, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

© E308-02-3

Im März 2020 erhielt Dr. Guillaume Olivier ein FWF-Einzelprojekt namens BREATH.

Das Ziel des Projekts „Biofilm-REsponsive Adjuvant as novel THerapeutic approach“ (BREATH) ist die Entwicklung von 3D-Modellen des Biofilms mithilfe von 3D-Bioprinting, um eine zystische Fibrose-Lungeninfektion nachzuahmen. Aufgrund des Vorhandenseins eines klebrigen Schleims, der in der Lunge von CF-Patienten abgesondert wird, entwickeln sich Bakterien (wobei Pseudomonas aeruginosa vorherrschend ist) schnell und bilden einen Biofilm. Die Spezifität dieses Biofilms beruht auf seiner Zusammensetzung aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) mit einem hohen Anteil an Alginat. Das Vorhandensein von Alginat zusammen mit dem anderen EPS macht die Infektion extrem oder sogar unmöglich auszurotten. Da seit mehreren Jahrzehnten nur sehr wenige Antibiotika entdeckt wurden, muss sich die wissenschaftliche Gemeinschaft darauf konzentrieren, die Wirksamkeit der derzeit verfügbaren zu optimieren, was das Ziel des BREATH-Projekts ist.

Ein Kernpunkt des BREATH-Projekts ist die In-vitro-Entwicklung eines vereinfachten 3D-Biofilmmodells mit Merkmalen und Eigenschaften, die für die Nachahmung des CF-Lungenzustands relevant sind. Dieses Modell wird als In-vitro-Tool zum schnellen Testen von Antibiotika in Kombination mit neuen Adjuvantien verwendet, die ihre Wirksamkeit synergieren könnten.

Um das Ziel von BREATH zu erreichen, sammelt dieses multidisziplinäre Projekt wissenschaftliche Expertise in den Bereichen Biomaterialien, Chemie, Mikrobiologie, Biogrenzflächen und pharmazeutische Wissenschaften. Beteiligt sind Forschende der TU Wien (Dr. Guillaume O und Prof. Ovsianikov A., Institutfür Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 3D Printing and Biofabrication Group) in Zusammenarbeit mit der BOKU (Prof. Reimhult E., Institut für biologisch inspirierte Materialien).

Bei Erfolg könnte unsere Strategie nicht nur zur Behandlung von CF-Lungeninfektionen eingesetzt werden, sondern auch zur Entwicklung neuartiger Arzneimittelabgabesysteme, die möglicherweise die Behandlung anderer Biofilme und chronischer Infektionen optimieren könnten.

© Cubicure GmbH

Aktuelle additive Fertigungstechnologien (AMTs) sollen die Herstellung von Bauteilen mit nahezu unbegrenzter Designfreiheit ermöglichen. Der wirkliche Vorteil der typischen schichtweisen Produktion wird jedoch selten angesprochen: Innerhalb des Aufbaus eines gedruckten Teils kann auf jedes Volumensegment (z. B. Voxel) zugegriffen werden. Dies ermöglicht die Herstellung sogenannter digitaler Materialien, bei denen jeder räumliche Punkt unterschiedliche Materialeigenschaftsinformationen tragen kann. Da sie entweder in Auflösung, mechanischen Eigenschaften oder Durchsatz begrenzt sind, müssen verschiedene AMTs kombiniert werden, um ihre spezifischen Vorteile voll auszuschöpfen.

In aktuellen Projekten haben wir erfolgreich gezeigt, wie die Kombination von Stereolithographie mit Inkjet-Druckköpfen zu verbesserten Materialeigenschaften führen kann (siehe Maschinen BP5). Um diesen Ansatz auf die nächste Stufe zu heben, wird gemeinsam mit der Cubicure GmbH ein hybrides Drucksystem für die Großserienfertigung entwickelt. Mithilfe der Inkjet-Technologie wird die Funktionalität von SL-gedruckten Teilen mit hoher Auflösung, Oberflächenqualität und thermomechanischer Leistung erweitert. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Eigenschaften des Bauteils gezielt zu modifizieren, beispielsweise Farbe, Steifigkeit oder Verschleißfestigkeit. In diesem Projekt werden neue Materialien und Verfahren entwickelt.

Gefördert von der Wirtschaftsagentur Wien

Hydroceram zielt darauf ab, wasserbasierte Photopolymere (Hydrogele) mit keramischen Nanopartikeln als Füllstoffe für lithografiebasierte AMT zu etablieren. In diesem Projekt werden zwei Anwendungsfelder untersucht: (1) Biokompatible und biologisch abbaubare Hydrogele gefüllt mit Calciumphosphaten als potenzielle Implantatmaterialien und (2) umweltfreundliche, keramikgefüllte photohärtbare Hydrogele für die Herstellung von Zirkonoxidteilen.

Das Projekt erfordert Entwicklungen in zwei Forschungsfeldern: Synthese und Charakterisierung (1) innovativer photohärtbarer Monomere auf Basis von hydrophilen Methacrylaten und Vinylestern, die ausreichend reaktiv sind, um in lithographiebasierten additiven Fertigungsanlagen (z. B. Stereolithographie) verarbeitet zu werden. (2) Die Entwicklung neuer Keramikpartikel aus Nanopartikeln wird die Formulierung von mit Keramik gefüllten Biohydrogelen sowie von mit Zirkonoxid gefüllten Photopolymeren für die Herstellung dichter Keramikteile ermöglichen. Die gezielt eingesetzten Nanopartikel bieten gegenüber herkömmlich verwendeten Materialien zwei Vorteile: Die erforderliche Sintertemperatur kann deutlich gesenkt werden, was zu einer feineren keramischen Mikrostruktur und besseren mechanischen Eigenschaften führt. Zusätzlich können Probleme mit dem Absetzen von Partikeln innerhalb der photohärtbaren Formulierung reduziert werden.

Das Projekt wird von der FFG gefördert und umfasst Partner der TU Wien (Koordinatorin Prof. Stampfl), der Shanghai University (Prof. Shuai YUAN) und der Lithoz GmbH.

© E308-02-2

Auf Lithographie basierende additive Fertigungstechnologien (L-AMT) sind in der Lage, Teile mit ausgezeichneter Oberflächenqualität, guter Merkmalsauflösung und Präzision herzustellen. Ziel von ToMax ist die Entwicklung integrierter lithographiebasierter additiver Fertigungssysteme für die Herstellung von Keramikteilen mit hoher Formkomplexität. Der Fokus des Projekts liegt darauf, industrielles Know-how in den Bereichen Softwareentwicklung, Photopolymere und Keramik, Hochleistungslichtquellen, Systemintegration, Lebenszyklusanalyse, industrielle Verwertung und gewinnbringende Endbenutzerfälle zu vereinen. Das Konsortium wird 3D-Drucker mit hohem Durchsatz und hervorragender Material- und Energieeffizienz bereitstellen. Das Projekt ist eindeutig industriell getrieben, wobei 8 von 10 Partnern KMU oder Industrie sind. Zu den gezielten Endanwendungen gehören Keramiken für die Luft- und Raumfahrttechnik, medizinische Geräte und energieeffiziente Beleuchtungsanwendungen.

Das Konsortium zielt darauf ab, disruptive Anwendungen von L-AMT zu nutzen, indem Prozessketten entwickelt werden, die über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen, mit dem dezidierten Ziel, Fertigungstechnologien für europäische Fabriken der Zukunft bereitzustellen. Durch den Einsatz von L-AMT verfolgt ToMax folgende Ziele: 

1. ToMax wird Methoden bereitstellen, die im Vergleich zur herkömmlichen Herstellung um 75 % materialeffizienter sind
2. sind 25 % materialeffizienter in Bezug auf aktuelle AMT-Ansätze, indem sie Computermodellierung verwenden, um Geometrien zu optimieren, und indem sie recycelbare, wegwaschbare Stützen bereitstellen.
3. ToMax wird Methoden bereitstellen, die 35 % energieeffizienter sind als aktuelle AMT-Ansätze, indem es 50 % schnellere thermische Verarbeitungsverfahren entwickelt.
4. Recycling erstmals in L-AMT von technischer Keramik einbeziehen

Insgesamt wird das Konsortium innovative, ressourceneffiziente Herstellungsverfahren bereitstellen. ToMax wird energieeffiziente Maschinen und Prozesse entwickeln, wobei der Schwerpunkt auf der Herstellung von Aluminiumoxid-, Siliziumnitrid- und Cermetteilen mit hoher Formkomplexität liegt. Die TU Wien (Prof. Stampfl) ist die wissenschaftliche Koordinatorin von ToMax. Das Projekt wird von der Europäischen Union im Programm Fabriken der Zukunft gefördert.

© E308-02-2

Das Leitprojekt AddManu.at wird ein nationales Forschungsnetzwerk mit einem internationalen wissenschaftlichen Beirat bilden, um Anerkennung und Akzeptanz in der österreichischen Wirtschaft zu finden. Vier AM-Technologien werden in den Fokus gerückt (Lithographiebasiertes AM, Fused Deposition Modeling – FDM, Inkjet und Selective Laser Melting), die das größte Potenzial für die industrielle Anwendung und Weiterentwicklung haben. Die wichtigsten Familien technischer Werkstoffe, also Keramiken, Polymere und Metalle, sind enthalten. Basierend auf langjähriger Expertise der Konsortialpartner und intensiver Forschungsarbeit wird sich das Projekt mit jenen Problemen befassen, die als Barrieren für Weiterentwicklungen und wirtschaftliche Nutzung angesehen werden können oder die ein sehr hohes Innovationspotential haben. Innerhalb von AddManu.at gliedern sich die F&E-Aktivitäten in vier Bereiche: Materialentwicklung, Design und Dimensionierung, prozessspezifische und anwendungsorientierte Aspekte, jeweils für Metalle und Nichtmetalle. Querschnittsthemen wie die Systemintegration werden in einem eigenen Arbeitspaket behandelt.

Die wichtigsten Ziele sind:

• Materialentwicklungen für verbesserte Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften von AM-gefertigten Komponenten, wie neue Pulvermaterialien und Hybride (Verbundwerkstoffe, segmentierte Strukturen usw.)
• Das Innovationspotenzial von AM-Prozessen wird in erster Linie von der Kreativität des Konstrukteurs und dem Einsatz ausgefeilter FEM-Softwarepakete für den Leichtbau abhängen. Durch Anpassung von Methoden wie Topologie- und Formoptimierung an AM-spezifische Fragestellungen und Kopplung mit extrem feinen Gitterstrukturen werden neuartige Lösungen generiert und neue Anwendermärkte generiert
• Prozessentwicklungen für AM-Technologien, Lithographie-basiertes AM, Fused Deposition Modeling und Inkjet.

Die industrielle Umsetzung neuartiger AM-Konzepte innerhalb der grundlegenden F&E-Bereiche erfolgt in separaten Arbeitspaketen, die sich den Branchen Maschinenbau, Werkzeugbau, Automobilbau, Halbleiterindustrie, Feuerfestindustrie und Luft- und Raumfahrtindustrie widmen. Es werden Lösungen gesucht, die deutliche Wettbewerbsvorteile bieten,

Die wichtigsten Ergebnisse und Ergebnisse werden sein:

• Entwicklung neuer Materialien (Metallpulver, Keramiken, thermoplastische Photopolymere) mit deutlich verbesserten Materialeigenschaften.
• Entwicklung eines AM-Konzepts zum Bau hybrider Bauteile aus Metall/Keramik, Stahl/Aluminium
• Entwicklung neuartiger Lithographie-basierter AM-Prozesse mit deutlich verbesserter Auflösung und höherer Betriebskapazität.
• Entwicklung von Nachbearbeitungsmethoden zur Verbesserung der Oberflächenqualität von AM-gefertigten Produkten
• Entwicklung neuer industrieller Anwendungen unter Berücksichtigung der gesamten Verarbeitungskette.

Die Projektleitung liegt bei der Montanuniversität Leoben, die TU Wien (Prof. Stampfl) ist die wissenschaftliche Koordinatorin. Das Projekt wird von der FFG gefördert

© E308-02-2

Photopolymere sind Kunststoffe, die unter Lichteinwirkung aushärten. In der modernen Zahnmedizin werden sie für Füllungen, Restaurationen, Inlays und Kronen verwendet. In diesem Projekt werden die zugrunde liegenden Eigenschaften dieser Materialien mit dem Ziel untersucht, die Leistung zu verbessern, beispielsweise in Bezug auf Aushärtung, Schrumpfung und kontrollierte Entfernbarkeit.

Der Ansatz des Labors ist sehr breit und deckt das gesamte F&E-Spektrum neuer photohärtender Materialien ab: von der chemischen Synthese, Produktion und Verarbeitung bis hin zur Prozessentwicklung und Materialcharakterisierung. Diese Breite spiegelt sich auch in der Leitung des Labors wider: Zwei Wissenschaftler mit unterschiedlichen Fachgebieten – synthetische Chemie und Materialwissenschaften – arbeiten gemeinsam an der Entwicklung neuer Materialien.

Ziele der Forschungsaktivitäten sind einerseits haltbarere und leichter zu verarbeitende Materialien für restaurative Zwecke (z. B. Füllungen) sowie Materialien, die speziell für den Patienten angefertigt werden müssen, wie Kronen und Brücken. Für die patientenindividuelle Konturierung werden keramikbasierte Materialien entwickelt, die mit fortschrittlichen 3D-Druckern verarbeitet werden können.

Ziel ist es hier, Materialien und Verfahren für ästhetische Restaurationen in der digitalen Zahnheilkunde anzubieten. Eines der Hauptprobleme in Bezug auf restaurative Anwendungen ist die begrenzte Photoreaktivität, die die Materialfestigkeit und die Aushärtungstiefe beeinflusst. Klassischerweise werden Photopolymere mit ultraviolettem Licht ausgehärtet; UV-Licht ist jedoch potenziell schädlich sowohl für den Patienten als auch für den Zahnarzt, was die Verwendung von sichtbarem Licht erfordert.

Die Wissenschaftler des Labors untersuchen daher Photoinitiatoren, die bei oder sogar jenseits von 450 nm effizient absorbieren. Die detaillierte Kenntnis der photochemischen Eigenschaften der Initiatoren und der Vernetzungskinetik sorgt für leistungsfähigere Materialien. Ein weiteres Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Materialien, die beim Aushärten weniger schrumpfen als derzeit verwendete Materialien. Diese Schwindung kann nämlich zur Bildung von Mikrohohlräumen und Mikrorissen führen und die Bildung von Randspalten begünstigen.

Schließlich wird Wert auf verbesserte Klebstoffe für Zahnspangen gelegt, bei denen das Material leicht entfernt werden sollte, wenn sie nicht mehr benötigt werden. Es werden sowohl thermische als auch photochemische Verfahren untersucht, um das Adhäsiv kontrollierbar vom Zahn zu lösen.

Kontakt: Prof. R. Liska, Prof. J. Stampfl

Förderung: Christian Doppler Forschungsgesellschaft

© E308-02-3

Herkömmliche 2D-Zellkultursysteme, die in der Biologie verwendet werden, reproduzieren die 3D-Struktur, Funktion oder Physiologie von lebendem Gewebe nicht genau. Das resultierende Verhalten und die Reaktionen von Zellen unterscheiden sich wesentlich von denen, die in natürlichen extrazellulären Matrizen (ECM) beobachtet werden. Die frühen Designs von 3D-Zellkulturmatrizen konzentrierten sich auf ihre Bulk-Eigenschaften, während sie die individuelle Zellumgebung außer Acht ließen. Neuere Erkenntnisse weisen jedoch darauf hin, dass die Rolle der ECM über eine einfache strukturelle Unterstützung hinausgeht, um die Zell- und Gewebefunktion zu regulieren. Bisher sind die Mechanismen dieser Regulation aufgrund technischer Einschränkungen der verfügbaren Forschungsinstrumente, der Gewebevielfalt und der Komplexität der Zell-Matrix-Wechselwirkungen nicht vollständig verstanden.

Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer vielseitigen und unkomplizierten Methode, die systematische Untersuchungen von Zell-Matrix-Wechselwirkungen ermöglicht. 3D-CAD-Matrizen werden durch Femtosekundenlaser-induzierte Polymerisation von Hydrogelen mit darin enthaltenen Zellen hergestellt. Die Zelleinbettung führt von Anfang an zu einem gewebeähnlichen innigen Zell-Matrix-Kontakt und entsprechenden Zelldichten. Ein einzigartiger Vorteil des LeBMEC ist seine Fähigkeit, bei Bedarf eine Vielzahl individueller Eigenschaften von hergestellten 3D-Matrizen zu ändern, darunter: Geometrie, Steifigkeit und Zelladhäsionseigenschaften. Es erlaubt uns, die wichtigsten biomimetischen Eigenschaften der ECM in vitro systematisch zu rekonstruieren und zu identifizieren.

Der besondere Fokus dieses Projekts liegt auf der Rolle lokaler mechanischer Eigenschaften hergestellter Hydrogelkonstrukte. Es ist bekannt, dass sich Stammzellen auf weichen 2D-Substraten zu Neuronen differenzieren, steifere Substrate Knochenzellen induzieren und Zwischensubstrate zu Myoblasten führen. Mit LeBMEC kann eine kontrollierte Verteilung der ortsspezifischen Steifigkeit innerhalb derselben Hydrogelmatrix in 3D erreicht werden. Durch rationales Design von Zellkulturmatrizen, die zunächst nur Stammzellen einbetten, ist so erstmals die Realisierung genau definierter 3D-Multigewebekonstrukte möglich.

Projektleiter: Prof. Aleksandr Ovsianikov (aleksandr.ovsianikov@tuwien.ac.at)

© E308-02-2

Ein Forschungsprojekt der Technischen Universität Wien (TU Wien) könnte futuristische 3D-Drucker zu erschwinglichen Alltagsgegenständen machen.

Drucker, die dreidimensionale Objekte herstellen können, sind seit Jahren erhältlich. An der TU Wien wurde nun jedoch ein Druckgerät entwickelt, das viel kleiner, leichter und billiger ist als gewöhnliche 3D-Drucker. Mit einem solchen Drucker könnte jeder nach Bauplänen aus dem Internet kleine, maßgeschneiderte 3D-Objekte zu Hause herstellen – und damit Geld für teure Sonderanfertigungen von Ersatzteilen sparen.

Um einen 3D-Drucker zu entwerfen, müssen mehrere Wissenschaftsbereiche zusammenkommen. Das Gerät wurde von Maschinenbauingenieuren in der Forschungsgruppe von Professor Jürgen Stampfl zusammengebaut, aber auch die chemische Forschung um Professor Robert Liska war von entscheidender Bedeutung: Zunächst müssen Chemiker herausfinden, welche speziellen Arten von Kunststoffen zum Drucken verwendet werden können .

Schicht für Schicht

Das Grundprinzip des 3D-Druckers ist ganz einfach: Das gewünschte Objekt wird in eine mit Kunstharz gefüllte kleine Wanne gedruckt. Das Harz hat eine ganz besondere Eigenschaft: Es härtet genau dort aus, wo es mit intensiven Lichtstrahlen beleuchtet wird. Schicht für Schicht wird das Kunstharz an genau den richtigen Stellen bestrahlt. Wenn eine Schicht aushärtet, kann die nächste Schicht daran befestigt werden, bis das Objekt fertig ist. Dieses Verfahren wird als „Additive Manufacturing Technology“ bezeichnet. „Auf diese Weise können wir sogar komplizierte geometrische Objekte mit einer filigranen inneren Struktur herstellen, die gusstechnisch niemals hergestellt werden könnten“, erklärt Klaus Stadlmann. Den Prototypen hat er gemeinsam mit Markus Hatzenbichler entwickelt.

Für die Massenproduktion von Massenartikeln ist dieses Verfahren nicht ausgelegt – dafür gibt es günstigere Alternativen. Der große Vorteil der additiven Fertigung besteht darin, dass sie die Möglichkeit bietet, maßgeschneiderte, individuell angepasste Artikel herzustellen. Der Prototyp des Druckers ist nicht größer als eine Tüte Milch, wiegt 1,5 Kilogramm und war mit 1200 Euro erstaunlich günstig. „Wir werden den Drucker weiter verkleinern, und der Preis wird sicher auch sinken, wenn er in großen Stückzahlen produziert wird“, glaubt Klaus Stadlmann.

LED-Projektor für höhere Auflösung

Die Auflösung des Druckers ist exzellent: Die einzelnen durch die Lichtstrahlen ausgehärteten Schichten sind nur einen Zwanzigstel Millimeter dick. Daher kann der Drucker für Anwendungen eingesetzt werden, die außergewöhnliche Präzision erfordern – wie etwa Bauteile für Hörgeräte. Im Gegensatz zu früheren Modellen verwendet der Drucker der TU Wien Leuchtdioden, mit denen an sehr genau definierten Positionen hohe Lichtintensitäten erzielt werden können.

Die Forschungsgruppe für additive Fertigungstechnologien an der TU Wien arbeitet mit einer Vielzahl unterschiedlicher 3D-Techniken und Materialien. Für den 3D-Druck werden ständig neue Materialien wie spezielle Keramiken oder Polymere entwickelt. 3D-Objekte können mittlerweile sogar aus umweltfreundlichen, biologisch abbaubaren Stoffen hergestellt werden. In Zusammenarbeit mit Biologen und Medizinern konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die mit ihrer 3D-Druckertechnologie erstellten künstlichen Strukturen perfekt geeignet sind, als Gerüst zu dienen, das das natürliche Wachstum der Knochenstruktur im Körper unterstützt.

Bemerkenswerte Vielseitigkeit

Ganz gleich, ob es sich um medizinische Teile handelt, die genau auf die Bedürfnisse des Patienten abgestimmt sind, spezielle Ersatzteile, die sonst um den halben Globus verschickt werden müssten, oder ob es sich nur um eine Art selbst entworfenen Bling-Schmuck handelt: mit den vielseitigen und günstigen Geräten und Materialien, die in Wien entwickelt wurden, können heute hochkomplexe 3D-Objekte aus einer Vielzahl von Materialien mit sehr unterschiedlichen mechanischen, optischen und thermischen Eigenschaften gebaut werden.

© E308-02-3

Multiphotonenlithographie (MPL) oder Multiphotonenverarbeitung ist ein Überbegriff für 3D-Druckverfahren, die auf photochemischen Reaktionen beruhen, die durch Multiphotonenabsorption (MPA) ausgelöst werden. Der beliebteste Ansatz ist die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP), die manchmal auch als Zwei-Photonen-absorbierte Photopolymerisation, Zwei-Photonen-induzierte Polymerisation, Zwei-Photonen-Lithographie, Zwei-Photonen-Laserscanning-Lithographie, Multiphotonen-angeregte Mikrofabrikation, 3D bezeichnet wird Multiphotonenlithographie, 3D-Laserlithographie oder auch direktes Laserschreiben. Aufgrund der Multiphotonenabsorption ermöglicht es die Realisierung komplexer 3D-Strukturen mit einer Ortsauflösung von bis zu 100 nm.

In unserem jüngsten Versuch, die Fähigkeiten von MPL zu demonstrieren, haben wir ein winziges Schloss (230 µm x 250 µm x 360 µm) direkt auf einer Bleistiftspitze hergestellt. Das Design wurde in Zusammenarbeit mit Daniela Mitterberger und Tiziano Derme (MäID – FutureRetrospectiveNarrative) entwickelt. Das Scanning Electron Microscopy (SEM)-Bild der erzeugten Struktur erschien auf dem Cover des kürzlich erschienenen Buches „Multiphoton Lithography: Techniques, Materials, and Applications“.

Multiphotonen-Fertigung

Video, das die Herstellung eines winzigen Schlosses durch Multiphotonenlithographie erklärt.

Video: Wolfgang Steiger

Musik: Tube von SPCZ (http://freemusicarchive.org/music/SPCZ/)

Stimme: Angelika Kubacek

https://www.youtube.com/watch?v=mdup3w7DCZE, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

© E308-02-3

Einer der großen Vorteile der Multiphotonenlithographie ist die Möglichkeit, Infrarotlicht zur Induktion der Photopolymerisation zu verwenden. Da Infrarotlicht lebendes Gewebe nicht schädigt, erleichtert 2PP die Durchführung der Photopolymerisation in Gegenwart lebender Zellen oder Organismen. Durch die Verwendung geeigneter Biophotopolymere können 3D-Strukturen um lebendes Gewebe gedruckt werden, wie in diesem Video gezeigt wird, wo ein Zellgerüst um einen Nematoden herum strukturiert wird.