TY - THES

T1 - Compoundierung von Filamenten für medizinische FFF-Anwendungen

AU - Payr, Birgit

N1 - gesperrt bis null

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Im Projekt iPrint am Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung sollten Kranialimplantate mit Hilfe des FFF (Fused Filament Fabrication)-Prozesses intraoperativ und direkt vor Ort im Operationssaal erzeugt werden. Als nötige Basis für einen reproduzierbaren FFF-Prozess waren Filamente mit definierten, reproduzierbaren Eigenschaften als Ausgangsmaterial erforderlich. Eingebettet in diesem Projekt war es Ziel dieser Arbeit, hochqualitative Filamente qualitätsgesichert bereitzustellen. Durch eine geeignete Prozessführung in der Filamentproduktion sollten Vakuolenfreiheit, konstante Durchmesser (1,75 mm ± 0,05 mm) und geringe Ovalität (± 0,05 mm) des Filamentes erzeugt werden, da sie für eine gute Druckführung und einen konstanten Volumenstrom nötig sind. Des Weiteren war durch Beimengung von Hydroxylapatit eine Bioaktivierung der Filamente geplant. Der Druck von Testimplantaten mit den neugewonnenen Filamenten sollte eine Evaluierung der Qualität sichern. Aus einer Vielzahl von potentiellen Maschinen- und Prozessparametern wurden jene Faktoren sowie deren Einstellfenster gefunden, welche die Qualität des hergestellten Filamentes maßgeblich beeinflussten. So zeigte sich, dass maschinenseitig vor allem der Fokus auf die Einstellungen an der Schmelzepumpe gelegt werden muss. Ein drehzahlgeregelter Zustand mit positivem Differenzdruck zwischen Ein- und Auslaufdruck führte zu ausreichend rundem Filament. Als zweiter wichtiger Faktor konnte eine gezielte Auslegung des Abkühlprozesses ausgemacht werden. Nur eine möglichst langsame und gleichzeitig gleichmäßige Abkühlung (geringer Temperaturgradient) des Filamentes kann die Bildung von Eigenspannungen im Filament unterbinden, welche sich ansonsten entweder in Form von Vakuolen bei bereits eingefrorener Randschicht oder in Form von erhöhter Ovalität, wenn die Randschicht noch verformbar ist, auswirkt. Dazu bedarf die Kühlstrecke einer möglichst langen Kühlung an Luft, realisiert durch einen großen Airgap inklusiver zusätzlicher Luftkühlung z.B. in Form eines Ventilators, gefolgt von einer Abkühlung im beheizten und sequentiell temperierbaren Wasserbad. Anhand dieser Einstellungen war es möglich, medizinische Filamente mit guter Qualität aus ungefüllten Kunststoffen herzustellen. Auch die anschließende Produktion von Filamenten aus Polymer/Hydroxylapatit-Compounds wurde unter denselben Einstellungen durchgeführt. Zur Überprüfung der Druckbarkeit der bioaktivierten Filamente wurde als letzter Schritt ein Modell eines Implantates im FFF-Prozess gedruckt. Dieser Testdruck verlief erfolgreich.

AB - Im Projekt iPrint am Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung sollten Kranialimplantate mit Hilfe des FFF (Fused Filament Fabrication)-Prozesses intraoperativ und direkt vor Ort im Operationssaal erzeugt werden. Als nötige Basis für einen reproduzierbaren FFF-Prozess waren Filamente mit definierten, reproduzierbaren Eigenschaften als Ausgangsmaterial erforderlich. Eingebettet in diesem Projekt war es Ziel dieser Arbeit, hochqualitative Filamente qualitätsgesichert bereitzustellen. Durch eine geeignete Prozessführung in der Filamentproduktion sollten Vakuolenfreiheit, konstante Durchmesser (1,75 mm ± 0,05 mm) und geringe Ovalität (± 0,05 mm) des Filamentes erzeugt werden, da sie für eine gute Druckführung und einen konstanten Volumenstrom nötig sind. Des Weiteren war durch Beimengung von Hydroxylapatit eine Bioaktivierung der Filamente geplant. Der Druck von Testimplantaten mit den neugewonnenen Filamenten sollte eine Evaluierung der Qualität sichern. Aus einer Vielzahl von potentiellen Maschinen- und Prozessparametern wurden jene Faktoren sowie deren Einstellfenster gefunden, welche die Qualität des hergestellten Filamentes maßgeblich beeinflussten. So zeigte sich, dass maschinenseitig vor allem der Fokus auf die Einstellungen an der Schmelzepumpe gelegt werden muss. Ein drehzahlgeregelter Zustand mit positivem Differenzdruck zwischen Ein- und Auslaufdruck führte zu ausreichend rundem Filament. Als zweiter wichtiger Faktor konnte eine gezielte Auslegung des Abkühlprozesses ausgemacht werden. Nur eine möglichst langsame und gleichzeitig gleichmäßige Abkühlung (geringer Temperaturgradient) des Filamentes kann die Bildung von Eigenspannungen im Filament unterbinden, welche sich ansonsten entweder in Form von Vakuolen bei bereits eingefrorener Randschicht oder in Form von erhöhter Ovalität, wenn die Randschicht noch verformbar ist, auswirkt. Dazu bedarf die Kühlstrecke einer möglichst langen Kühlung an Luft, realisiert durch einen großen Airgap inklusiver zusätzlicher Luftkühlung z.B. in Form eines Ventilators, gefolgt von einer Abkühlung im beheizten und sequentiell temperierbaren Wasserbad. Anhand dieser Einstellungen war es möglich, medizinische Filamente mit guter Qualität aus ungefüllten Kunststoffen herzustellen. Auch die anschließende Produktion von Filamenten aus Polymer/Hydroxylapatit-Compounds wurde unter denselben Einstellungen durchgeführt. Zur Überprüfung der Druckbarkeit der bioaktivierten Filamente wurde als letzter Schritt ein Modell eines Implantates im FFF-Prozess gedruckt. Dieser Testdruck verlief erfolgreich.

KW - medical engineering

KW - additive manufacturing

KW - bioactivated polymers

KW - filaments

KW - Medizintechnik

KW - Additive Manufacturing

KW - bioaktivierte Kunststoffe

KW - Filamente

M3 - Masterarbeit

ER -