Die additive Fertigung (AF), oder auch 3D-Druck, hat sich in den letzten Jahrzehnten von einem Forschungsthema zu einer neuen Fertigungstechnologie entwickelt. Es wurden viele verschiedene Technologien und Anwendungen gefunden, die von Designprototypen bis hin zu hochkomplexen Bauteilen reichen. Vor allem Polymere spielen bei AF im Allgemeinen eine wichtige Rolle. In den letzten Jahren hat der 3D-Druck aufgrund seiner einzigartigen Anwendungsmöglichkeiten ein erhebliches Marktwachstum erfahren. Im Zuge dessen wurde 2006 das ARBURG Kunststoff-Freiformen (AKF) von der ARBURG GmbH Co & KG (Loßburg, Deutschland) entwickelt. Da es sich um neue Technologie handelt, wurde bisher nur wenig Forschung betrieben.
Die AKF-Technologie hat das Potenzial jedes in Granulatform verfügbare Polymermaterial zu verarbeiten, so dass die Herstellung eines Filaments nicht notwendig ist. Bei dieser Technologie werden eine Spritzgusseinheit und eine piezoelektronische Nadelverschlussdüse für das Ablegen von geschmolzenen Polymertröpfchen angewendet. Da diese Technologie einzigartig ist muss der Zusammenhang zwischen Bauteilfestigkeit und Prozessparametern erforscht und ein Verfahren entwickelt werden, um eine gewisse Festigkeit des Teils zu gewährleisten zu können Im Rahmen dieser Dissertation wurden diese beiden Fragestelllungen durch die Erarbeitung eines möglichen Verfahrens zur Parameterqualifizierung und die Demonstration der Parameteroptimierung mittels eines faktoriellen Versuchsplans beantwortet.
Es wurde der Formfaktor (Drop Aspect Ratio, DAR) als einer der kritischste Vearbeitungsparameter für die geometrischen und mechanischen Eigenschaften identifiziert. Der DAR wird durch das Verhältnis der Tropfenbreite (W) zur Tropfenhöhe (H) definiert und dient zur Festlegung der Maschinenbahnen während des Druckens. Im Allgemeinen führt ein niedriger DAR zu einer hohen Teilefüllung und -dichte. Es stellte sich heraus, dass die Teiledichte direkt mit der Zugfestigkeit der gedruckten Teile in Verbindung steht. Außerdem wurde festgestellt, dass die Morphologie teilkristalliner Polymere durch die Bauraumtemperatur während des Druckprozesses beeinflusst wird und so Eigenschaften optimiert werden können. Bei erhöhter Bauraumtemperatur verschwanden die Bindenähte und es konnte eine homogenere Morphologie im Querschnitt der gedruckten Teile erreicht werden.
Die AF findet in der Medizin und im Gesundheitswesen immer mehr Anwendung. Hier werden Modelle, Werkzeuge, Prothesen und sogar Implantate mit dieser Technologie hergestellt. Bauteile für solche Anwendungen müssen viele Anforderungen wie beispielsweise mechanische Integrität, Funktionalität und Reprodizierbarkeit erfüllen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Polymere für die Anwendung als Schädelimplantate untersucht. Dazu wurde eine Standardprothese definiert, in verschiedenen Ausrichtungen und Materialien gedruckt und auf Schlagfestigkeit geprüft. Die Ergebnisse wurden mit jenen einer Knochenzementprobe verglichen. Dabei konnte die Knochenzementprobe eine höhere Schlagfestigkeit erreichen, jedoch erfüllten auch die gedruckten Proben die Anforderungen und können nach weiterer Parameter- und Designoptimierung verwendet werden. Die Ergebnisse zeigten somit, dass Polycarbonat, Polycarbonat-Urethan oder Polymethylmethacrylat für die Herstellung solcher Schädelimplantaten verwendet werden können.
Weiters wurde ein neuartiges Konzept für ein Multimaterial-Rippenersatzimplantat vorgestellt, welches sowohl weiches und hartes Gewebe in einem einzigen Teil imitiert. Insbesondere die Anbindung zwischen zwei Polymeren, mit unterschiedlicher Steifigkeit und Härte, spielte dafür eine bedeutende Rolle und wurde durch Zugversuche analysiert. Es wurden verschiedene geometrische Kontaktflächen entworfen, um die beste Kraftübertragung zwischen den Materialien zu gewährleisten. Einfache glatte Kontaktflächen führten dabei zu den besten Ergebnissen. Basierend auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde ein Modell eines Rippenimplantats entworfen, erfolgreich gedruckt und in einen menschlichen Körperspender implantiert. Dabei wurde ein Reanimationsversuch durchgeführt, um die Bewegungen des Implantats beobachten zu können, wobei es während des Versuchs zu keinem Versagen des Implantats.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Doktorarbeit das Potenzial des AKF-Verfahrens für medizinische Anwendungen aus technischer Sicht aufzeigt. Es wurde eine geeignete Parameterqualifizierung für alle verwendeten Polymere vorgezeigt und die wichtigsten Einflussfaktoren des Prozesses auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften ermittelt. Eine Parameteroptimierung wurde für amorphe und teilkristalline Polymere durchgeführt und kann als Leitfaden für weiterführende Parameteroptimierungen mit der APF-Technologie dienen. Darüber hinaus wurden Implantate hergestellt und auf Schlagfestigkeit getestet, was die Machbarkeit solcher Anwendungen belegt.