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TU Berlin

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Werkstoffe & Charakterisierung

Die verschiedenen Additive Manufacturing (AM) Technologien sind eng mit ihren jeweiligen Werkstoffen verknüpft. Aktuell beschränkt sich der Einsatz der additiven Technologien auf einige Thermoplaste, Photopolymere sowie wenige Metalle und Keramiken, die in der Regel speziell für eine weitere Verarbeitung aufbereitet werden müssen. Durch diese begrenzte Auswahl an Werkstoffen ist das AM als Herstellungsverfahren für eine Vielzahl an Produkten nicht geeignet. Hieraus ergibt sich für die Forschung neben dem besseren Verständnis und der Optimierung von bestehenden Materialsystemen das Ziel gänzlich neue Materialien und Materialkombinationen für die AM Prozessierung zur Verfügung zu stellen.

Überschrift ihrer Kompetenz

  • Name des Fachgebiets
  • Name des Ansprechpartners
  • E-Mail des Ansprechpartners (optional)

Beschreibung ihrer Kompetenz: maximal 150 Wörter

 

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Materialien für Pulverbettverfahren (Laser Sintern / Binder Jetting)

Lupe

  • Fachgebiet Keramische Werkstoffe
  • Ansprechpartner: David Karl - Dipl.FK, M.F.A., B.Sc.
  • E-Mail: david.karl(at)ceramics.tu-berlin.de      

Der Schwerpunkt liegt auf der Herstellung und Charakterisierung von Pulvern aus sphärischen Mikropartikeln aus Polymeren (z.B. PLGA oder Silikonen) bzw. Komposit-Werkstoffen mit Gläsern und Keramiken für Pulverbettverfahren. Unsere Technologie basiert auf einem Emulsionsprozess und erlaubt uns sphärische Mikropartikel mit guter Fließfähigkeit und hohen Pulverbettdichten in Batchgrößen von 200 bis 800 g in einem Prozessschritt herzustellen. Auch besteht die Möglichkeit Pulver mit bi- und trimodalen Partikelgrößenverteilungen zu produzieren und spezielle Oberflächeneigenschaften bzw. – funktionalitäten zu erzeugen. Durch die Anwendung von einem breiten Spektrum an speziellen Charakterisierungsmethoden werden die Pulver in Bezug auf ihre Fließfähigkeit, Packungsdichte und Oberflächeneigenschaften optimiert. Für die Anwendungen in der Medizintechnik / Tissue Engineering werden die Implantate durch Laser Sintern gefertigt.

Materialextrusion (Fused Deposition Modeling) von faserverstärkten Filamenten und Verbundwerkstoffen

Lupe

  • Fachgebiet Keramische Werkstoffe
  • Ansprechpartner: M. Sc. Mathias Czasny
  • E-Mail: mathias.czasny(at)ceramics.tu-berlin.de

Der Fokus liegt auf der Herstellung der Filamente sowie der Co-Extrusion von Thermo- und Duroplasten verstärkt mit endlosen Kohlenstofffasern. Damit werden deutlich höhere Festigkeiten und Steifigkeiten in FDM-gefertigten Bauteilen erreicht. Die von uns entwickelte Technologie ermöglicht (i) die Herstellung eines Filaments mit schon eingearbeiteten endlosen Fasern. Dieses faserverstärkte Filament wird anschließend in einem zweiten Prozessschritt verarbeitet und verdruckt. (ii) Die Herstellung des faserverstärkten Verbundes erfolgt mit einer thermoplastischen Schmelze direkt in der Düse während des Druckprozesses, dabei sind verschiedene Matrixwerkstoffe mit unterschiedlichen Anteilen von Faserbündeln in einem Druckkopf verdruckbar. Darüber hinaus werden die rheologischen und mechanischen Eigenschaften der Grundmaterialien und hergestellten Strukturen untersucht, die Verbundwerkstoffe entlang der Prozesskette analysiert und die Faser/Matrix Grenzfläche optimiert. Potentielle Anwendungen dieser Technologie sowie der damit hergestellten Verbundwerkstoffe liegen in der Medizintechnik, Luft und Raumfahrt und im Maschinenbau.

Vat Photopolymerisation (direct light processing) mit präkeramischen Polymeren

Lupe

  • Fachgebiet Keramische Werkstoffe
  • Ansprechpartner: M. Sc. Xifan Wang
  • E-Mail: xifan.wang(at)ceramics.tu-berlin.de      

Die Schwerpunkte liegen auf der Entwicklung neuer photopolymerisierbarer Harzsysteme auf Basis von Si-haltigen Polymeren sowie auf der Umwandlung von den additiv gefertigten Duroplasten zu Hochleistungskeramiken. Unser Ansatz basiert auf der Thiol‐En‐Klickchemie und ist für verschiedene Polymerklassen, u.a. Polysiloxane, Polysilane und Polysilazane, anwendbar. Entscheidende Merkmale unserer Technologie - hohe Effizienz, einfache Durchführung, keine Nebenprodukte, hohe Reaktionsgeschwindigkeiten und hohe Ausbeuten - erlauben die Anwendung herkömmlicher DLP-Drucker sowie mikrostereolithographischer und Zwei-Photonen-Lithographischer Fertigung von Mikrostrukturen. Bei der anschließenden Wärmebehandlung (Pyrolyse) bei etwa 1000 °C wandeln die additiv gefertigten Komponenten (i.d.R. Duroplaste) in keramische Bauteile unterschiedlicher Zusammensetzung (z.B. SiOC, SiC und SiCN) um. Die pyrolysierten Strukturen aus diesen sogenannten polymerabgeleiteten Keramiken haben glatte Oberflächen, sind porenfrei und nahezu vollständig dicht, und weisen eine hohe Druckfestigkeit auf. Aufgrund ihrer hervorragenden thermochemischen Stabilität und Oxidations- sowie Kriechfestigkeit sind additiv gefertigte polymerabgeleitete keramische Strukturen insbesondere für Hochtemperaturanwendungen interessant.

Robocasting, Stereolithografie und Laser Sintern von Biogläsern und bioresorbierbaren / bioaktiven Kompositen für patientenspezifische Versorgung

Lupe

  • Fachgebiet Keramische Werkstoffe
  • Ansprechpartner: Dr. Ing. Franziska Schmidt
  • E-Mail: franziska.schmidt(at)ceramics.tu-berlin.de      

Aufgrund des hohen Grades an Individualisierbarkeit ist AM besonders interessant für biomedizinische Anwendungen. Unser Arbeitsschwerpunkt liegt auf der Herstellung von Hartgewebe-Implantate mittels verschiedener AM-Methoden. Der Hauptfokus liegt auf der Verarbeitung bioaktiver Gläser (z.B. Bioglas® 45S5 und selbst-synthetisierte andere Zusammensetzungen) und bioresorbierbarer oder bioaktiver Keramiken (z.B. b-TCP und Hydroxylapatit - HA). Dabei wird die gesamte Herstellungskette von Pulversynthese über Schlickeraufbereitung & -charakterisierung, Verarbeitung mittels AM-Methode, und anschließende Temperaturbehandlung (Nachvernetzen, Entbindern, Sintern) untersucht. Durch Anwendung verschiedener AM-Methoden können Funktionalitäten und Porositäten gesteuert werden: (i) Robocasting von Biogläsern/HA-Kompositen mit biokompatiblen Bindern (PVA, PLGA, Biopolymere), ohne anschließendes Sintern. Dadurch können therapeutische Funktionalitäten der Biopolymere und Wirkstoffe erhalten bleiben. (ii) Stereolithografie (SLA & DLP) mit Biogläsern als Füller in UV-vernetzenden Harzen , mit anschließendem Entbindern und Sintern. (iii) Laser Sintern von bioresorbierbaren und bioaktiven Kompositpulvern, wodurch zusätzliche Porositäten in die Scaffolds eingebracht werden.

Robocasting und Direct Ink Writing von keramischen Pasten

Lupe

  • Fachgebiet Keramische Werkstoffe
  • Ansprechpartner: M. Sc. Mathias Czasny
  • E-Mail: mathias.czasny(at)ceramics.tu-berlin.de

Der Arbeitsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Pasten aus oxidischen und nichtoxidischen Werkstoffen, Biokeramiken und Biogläsern. Am Fachgebiet wurden mehrere FDM Drucker in Bezug auf Hard- und Software umgebaut, um mit selbst entwickelten Druckköpfen zu arbeiten. Die Zusammensetzung der Pasten wird optimiert, um vor allem die Rheologie und Sintereigenschaften einzustellen. Mögliche Anwendungen der entwickelten Werkstoffe und des vorgestellten Verfahrens liegen in der Medizintechnik, in der Architektur sowie im Bereich technischer Keramik (u.a. Fertigung von Leistungselektronik, Sensoren, Heizelemente).

Qualifizierung und Charakterisierung von Pulvermaterialien für laserbasierte, additive Fertigungsprozesse

Lupe
  • Fachgebiet für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik
  • Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Patrick John
  • E-Mail: patrick.john(at)iwf.tu-berlin.de

Beim Additive Manufacturing mittels Laserstrahlen, wie SLM oder auch LPA, müssen für jede Werkstofflegierung und jede Pulvergeometrie neue Parametersätze entwickelt werden um prozesssicher Bauteile fertigen zu können. Zusätzlich zu den maschinenbedingten Einflussgrößen als Resultat der Bearbeitungsparameter an der Maschine, haben die Legierungsbestandteile und die Pulvercharakteristik nachweißlich direkten Einfluss auf die spätere Bauteilqualität. Hierbei spielen u.a. Kornform, Korngröße, Kornverteilung, Fließfähigkeit, Verdüsungsart, Reflexionsgrad und Wärmeleitfähigkeit eine wichtige Rolle. Am Produktionstechnischen Zentrum (PTZ) existieren unterschiedliche Messsysteme und Maschinentypen, um neue Werkstoffe für den die Additive Fertigung zu qualifizieren. Hier konnten bereits für diverse anspruchsvolle metallische Werkstoffe, wie Kupfer-, Titanlegierungen und Nickel-Basis-Superlegierungen, Parametersätze und Prozessführungen entwickelt werden, welche eine hohe Bauteilqualität bei möglichst schneller Prozessführung gewährleisten.

Herstellung von Multimaterialkomponenten

Lupe
  • Fachgebiet für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik
  • Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Patrick John
  • E-Mail: patrick.john(at)iwf.tu-berlin.de

Die Zukunft der Additiven Fertigung liegt in der Erzeugung von komplexen Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen. Dazu wird am Produktionstechnischen Zentrum (PTZ) einerseits maschinenseitig die Peripherie durch neue Beschichtungskonzepte ergänzt, andererseits aber auch werkstoffseitig die Verbindungszone und deren Auswirkungen auf die statischen und dynamischen Festigkeiten erforscht. Untersucht wird dabei die gesamte Prozesskette, beginnend bei der Pulverqualifizierung und Analyse der Prozessparameter in Bezug auf Oberflächengüte und mechanische Eigenschaften, bis hin zur Validierung der entwickelten und gefertigten Bauteile durch praktische Untersuchungen am Einsatzort. Hierbei gelang bereits die Herstellung hybrider Werkzeuge mit Funktionsintegration zur Steigerung der Lebensdauer, wodurch die wodurch der Wirkungsgrad bestehender Prozesse weiter gesteigert werden kann.

Untersuchung der Eigenspannungsentstehungen während des SLM Prozesses

Lupe
  • Fachgebiet für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik
  • Ansprechpartner: Erwin Krohmer, M. Sc.
  • E-Mail: erwin.krohmer(at)iwf.tu-berlin.de

Der eigentliche Verfahrensvorteil beim Laserstrahlschmelzen, die Verfestigung von definierten Bahnen durch den Laserspotführt gleichzeitig zum größten physikalischen Hindernis der additiven Fertigung von Metallen. Durch diesen hohen, fokussierten Energieeintrag, der Schicht für Schicht eingebracht wird, entsteht im Bauteil eine komplexe Wärmeverteilung mit hohen Temperaturgradienten. Dadurch entstehen Eigenspannungsgradienten, deren Folgen von unerwünschten Verformungen bis hin zu Bauteilversagen und Beschädigung der Maschinenperipherie reichen können. Mittels einer am PTZ entwickelten Prozesskammer kann der SLM-Prozess während der Fertigung, also in-situ, beobachtet und charakterisiert werden. In Kooperation mit dem Fachgebiet Metallische Werkstoffe und dem DESY in Hamburg, konnte so ein hochinnovatives Messverfahren entwickelt werden, das mittels hochbrillanter Synchrotron-Strahlung erstmals die quantitative Bestimmung der Eigenspannungen in jeder Schicht während der Entstehung des Bauteils ermöglicht. So lässt sich die Entwicklung der Eigenspannungen zeitlich aufgelöst über den gesamten Prozess überwachen. Ziel ist die Entwicklung eines Gesamtbildes, welches das Verständnis über die grundlegenden Phänomene beim Laserstrahlschmelzen neu darstellt und Rückschlüsse für die Prozessführung und Designrichtlinien vorgibt.

In-Situ Diffraktion beim Selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM)

Lupe
  • Fachgebiet Metallische Werkstoffe
  • Ansprechpartner: M.Sc. Felix Schmeiser
  • E-Mail: felix.schmeiser(at)tu-berlin.de

Am Fachgebiet Metallische Werkstoffe werden die Eigenspannungen an Bauteilen, die per Selektivem Laserstrahlschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) gefertigt wurden, sowohl im Labormaßstab als auch via hochbrillanter Synchrotron-Strahlung charakterisiert. Durch den hohen, fokussierten Energieeintrag, der Schicht für Schicht eingebracht wird, entsteht im Bauteil eine komplexe Wärmeverteilung. Diese führt zu großen Eigenspannungsgradienten, deren Folgen von unerwünschten Eigenschaften bis hin zu verfrühtem Bauteilversagen reichen können. Mittels einer am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin eigens entwickelten Prozesskammer kann der SLM-Prozess in-situ beobachtet und charakterisiert werden. So lässt sich die Entwicklung der Eigenspannungen zeitlich aufgelöst mit einer Bildaufnahmefrequenz von bis zu 250 Hz über den gesamten Prozess überwachen. Metallographie, Elektronenmikroskopie und mechanische Tests werden ergänzend durchgeführt und ergeben ein Gesamtbild, welches das Verständnis der grundlegenden Phänomene beim Selektiven Laserstrahlschmelzen fördert.

Zellulare Metalle

Lupe
  • Fachgebiet Struktur und Eigenschaften von Materialien
  • Ansprechpartner: Dr. Francisco García-Moreno
  • E-Mail: garcia-moreno(at)campus.tu-berlin.de

Zellulare Metallstrukturen sind moderne Leichtbaumaterialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften und ein wichtiger Aspekt bei dem Einsatz von Additive Manufacturing. Die Eigenschaften können mechanischer Natur sein, wie z.B. bei einem Einsatz als Leichtbauwerkstoffe, aber auch funktioneller Natur, wie z.B. durch deren großen Oberfläche bedingt, als Wärmetauscher, Katalysatoren, Anodenmaterial für Batterien, etc. Obwohl zellularen Materialien seit mehreren Dekaden erfolgreich hergestellt werden, ist deren Marktanteil noch sehr klein. In jüngster Vergangenheit finden sie aber zunehmend Anwendung in der Industrie. Additive Manufacturing hat in den letzten Jahren die Herstellungsmöglichkeiten revolutioniert und zu einer Verbesserung und Vielfalt der Strukturen geführt sowie den nötigen Impuls für die erfolgreiche Kommerzialisierung gebracht. Der Fokus liegt bei der Charakterisierung der Strukturen, der Mikrostruktur, des Sinterverhaltens und der mechanischen Eigenschaften. Weiterhin berücksichtigen wir Anwendungsmöglichkeiten in der Medizintechnik dank der Biokompatibilität und Biodegradation von z.B. Ti bzw. Mg sowie funktionelle Eigenschaften auch als Energiematerial.

3D Biodruck von Lungenmodellen

Lupe
  • Fachgebiet Angewandte Biochemie
  • Ansprechpartner: Dr. Johanna Berg
  • E-Mail: johanna.berg(at)tu-berlin.de

Biodruckverfahren für Organmodelle ermöglichen es, 3D Zellkulturen mit humanen Zellen zu generieren. Neben der Humanisierung der Untersuchungssysteme können sie helfen, Tierversuche einzusparen. Daher werden mit Hilfe eines Extrusionsdruckers Lungenmodelle generiert, charakterisiert und mit Viren wie Influenza A infiziert. Schließlich können neue antivirale Strategien entwickelt werden.

3D Biodruck von Leberenmodellen

Lupe
  • Fachgebiet Angewandte Biochemie
  • Ansprechpartner: Dr. Munir Al-Zeer
  • E-Mail: al-zeer(at)tu-berlin.de

Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Generierung von Lebermodellen, die humane Hepatozyten beinhalten. Zahlreiche typische Marker der Leberfunktion können daran studiert werden. Schließlich werden die Lebermodelle mit Viren (Adenoviren, Hepatitis Viren) infiziert, und neue antivirale Ansätze werden etabliert.

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