Materialqualifizierung im medizinischen 3D-Druck

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Elmar Moritzer
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549355155

Das Kunststoff Freiformen (KF) Verfahren ist ein additives Fertigungsverfahren, das eine aus dem Spritzguss bekannte Plastifiziereinheit mit einer neuartigen Austragseinheit kombiniert, mit dem die Kunststoffschmelze tropfenförmig ausgetragen und abgelegt wird. Das Maschinenprinzip führt zu einer signifikanten Verweilzeit im Dosiervolumen, was sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften ausgewirkt. Zusätzlich wird erwartet, dass durch den resultierenden thermischen Abbau Zersetzungsprodukte entstehen, was insbesondere für medizinische Anwendungen wie z. B. Schädelimplantate kritisch ist. Bisher wurde nicht quantifiziert, inwieweit der thermische Materialabbau im KF stattfindet. Ein weiteres Thema ist, dass die Größe und der Abstand zwischen den positionierten Kunststofftropfen genau definiert werden müssen, um zuverlässige und reproduzierbare mechanische Eigenschaften zu erzielen. Dies geschieht bei der Materialqualifizierung. Da das derzeitige Verfahren zur Qualifizierung von Materialien auf einer subjektiven Bewertung der Parameter beruht, ist eine reproduzierbare Methode zur Materialqualifizierung derzeit nicht gegeben. Dieses Projekt hat drei Hauptziele. Das erste ist die Kombination der Analyse der Mechanismen der thermischen Schädigung im KF-Prozess mit der Berechnung der Verweilzeit zur Vorhersage der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Zersetzungsprodukten im Bauteil durch die Entwicklung eines modellbasierten Softwaretools. Das zweite Ziel ist die Entwicklung einer reproduzierbaren, softwarebasierten Methode zur Materialqualifizierung, um unabhängig von Maschine und Bediener gleichbleibende mechanische Eigenschaften zu erzielen. Das dritte Ziel besteht darin, die Ergebnisse der beiden vorangegangenen Ziele in einer Software-Suite zusammenzuführen, die in bestehende Manufacturing Execution Systeme (MES) integriert werden kann. Um die Ziele zu erreichen, werden die Mechanismen der thermischen Schädigung im KF-Prozess analysiert und modelliert. Hierfür werden Proben aus dem Prozess entnommen und die molare Masse an verschiedenen Betriebspunkten ermittelt. Parallel dazu wird ein Softwaretool entwickelt, um den Bauprozess zu simulieren. Aus diesen Simulationen wird im Anschluss die Verweilzeit abgeleitet. Begleitend werden Untersuchungen durchgeführt, um Zersetzungsprodukte in Bauteilen und Proben zu identifizieren. Die Ergebnisse werden in dem Modell berücksichtigt. So kann anschließend das Software-Tool das Vorliegen von Zersetzungsprodukten im fertigen Bauteil vorhersagen. Für die Materialqualifizierung wird unter anderem der Einfluss der Materialviskosität auf die Tropfengröße analysiert. Außerdem wird die Platzierung der Tröpfchen in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie analysiert und ein Modell abgeleitet. Für die experimentelle Validierung wird ein standardisiertes Verfahren entwickelt. Schließlich werden die Erkenntnisse in ein MES integriert, um die Rückverfolgbarkeit des Materials für den KF-Prozess zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Clemens Holzer; Professorin Ute Schäfer, Ph.D.; Professor Dr. Wolfgang Vorraber