Entwicklung und Charakterisierung von Gassterilisationsprozessen am Beispiel der Oberflächensterilisation mittels Wasserstoffperoxid und Ethylenoxid

Bei der Auswahl einer Sterilisationsmethode stehen, gemäß den Vorgaben des Europäischen Arzneibuches, die Sterilisation mittels Hitze (Dampf bzw. Heißluft) oder ionisierender Strahlung im Vordergrund. Diese so genannten Referenzverfahren verfügen neben einem breiten Wirkungsspektrum über eine hohe Effektivität und zeichnen sich durch eine gute Reproduzierbarkeit aus. Häufig jedoch verbieten die physikalisch – chemischen Eigenschaften des zu sterilisierenden Gutes eine Anwendung der Referenzverfahren. In derartigen Fällen muss nach geeigneten Alternativverfahren gesucht werden, will man eine aseptische Herstellung vermeiden. Besonders bei thermolabilen Gütern hat sich der Einsatz von gasförmigen Agenzien mit keimtötender Wirkung bewährt. Bei entsprechenden Rahmenbedingungen ist hier eine Sterilisation unterhalb der Raumtemperatur möglich. Die vorliegende Arbeit untersucht die Anwendbarkeit der Ethylenoxidsterilisation bzw. der Sterilisation mittels gasförmigen Wasserstoffperoxids (Vapour Phase Hydrogen Peroxide) auf verschiedene Materialoberflächen am Beispiel zweier aktueller Anwendungen aus der pharmazeutischen Industrie. Dabei werden die Vor- und Nachteile der beiden Verfahren aufgezeigt und in Relation zu den Referenzverfahren gestellt. Im Rahmen der abschließenden mikrobiologischen Leistungsbeurteilung beider Verfahren werden verschiedene methodische Ansätze, wie Halbzyklus und Fraction Negative Analysis zur Anwendung gebracht und bewertet.

THE USE OF LIFE-CYCLE ANALYSIS TO REDUCE THE ENVIRONMENTAL IMPACT OF MATERIALS IN MANUFACTURING

This thesis is composed of three life-cycle analysis (LCA) studies of manufacturing to determine cumulative energy demand (CED) and greenhouse gas emissions (GHG). The methods proposed could reduce the environmental impact by reducing the CED in three manufacturing processes. First, industrial symbiosis is proposed and a LCA is performed on both conventional 1 GW-scaled hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H)-based single junction and a-Si:H/microcrystalline-Si:H tandem cell solar PV manufacturing plants and such plants coupled to silane recycling plants. Using a recycling process that results in a silane loss of only 17 versus 85 percent, this results in a CED savings of 81,700 GJ and 290,000 GJ per year for single and tandem junction plants, respectively. This recycling process reduces the cost of raw silane by 68 percent, or approximately $22.6 and $79 million per year for a single and tandem 1 GW PV production facility, respectively. The results show environmental benefits of silane recycling centered around a-Si:H-based PV manufacturing plants. Second, an open-source self-replicating rapid prototype or 3-D printer, the RepRap, has the potential to reduce the environmental impact of manufacturing of polymer-based products, using distributed manufacturing paradigm, which is further minimized by the use of PV and improvements in PV manufacturing. Using 3-D printers for manufacturing provides the ability to ultra-customize products and to change fill composition, which increases material efficiency. An LCA was performed on three polymer-based products to determine the CED and GHG from conventional large-scale production and are compared to experimental measurements on a RepRap producing identical products with ABS and PLA. The results of this LCA study indicate that the CED of manufacturing polymer products can possibly be reduced using distributed manufacturing with existing 3-D printers under 89% fill and reduced even further with a solar photovoltaic system. The results indicate that the ability of RepRaps to vary fill has the potential to diminish environmental impact on many products. Third, one additional way to improve the environmental performance of this distributed manufacturing system is to create the polymer filament feedstock for 3-D printers using post-consumer plastic bottles. An LCA was performed on the recycling of high density polyethylene (HDPE) using the RecycleBot. The results of the LCA showed that distributed recycling has a lower CED than the best-case scenario used for centralized recycling. If this process is applied to the HDPE currently recycled in the U.S., more than 100 million MJ of energy could be conserved per annum along with significant reductions in GHG. This presents a novel path to a future of distributed manufacturing suited for both the developed and developing world with reduced environmental impact. From improving manufacturing in the photovoltaic industry with the use of recycling to recycling and manufacturing plastic products within our own homes, each step reduces the impact on the environment. The three coupled projects presented here show a clear potential to reduce the environmental impact of manufacturing and other processes by implementing complimenting systems, which have environmental benefits of their own in order to achieve a compounding effect of reduced CED and GHG.

Wie und wann werden Rapid-Technologien in der Medizintechnik wirtschaftlich?

Die Dentalindustrie heutzutage steht vor einem grundlegendem Wechsel der Herstellverfahren vom handgefertigten Objekt durch den Zahntechniker zur Mass Customization mittels Rapid-Technologien. Durch fortwährende Entwicklungen im Bereich bildgebender Verfahren stehen sowohl dem Mediziner als auch für die nachfolgenden Prozeßketten in steigendem Maße 3 dimensionale Datensätze zur Verfügung.

Auswirkung des anisotropen Gefüges strahlgeschmolzener Bauteile auf mechanische Eigenschaftswerte

Die Strahlschmelztechnologie entwickelt sich in vielen Anwendungsbereichen zu einer echten Alternative zu den konventionellen Fertigungsverfahren. Dieser Trend wird gerade durch die Verarbeitung von serienidentischen, einkomponentigen Pulvern zur Herstellung metallischer Bauteile verstärkt, wodurch sich wiederum neue Entwicklungs- und Einsatzpotentiale ergeben. Allerdings weisen die Strahlschmelzbauteile keine vollkommen übereinstimmenden Werkstoffkennwerte im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Bauteilen auf, wodurch die Akzeptanz durch Industrie und Forschung eingeschränkt wird. Eine exakte Beschreibung (Nachweis) der Materialeigenschaften von strahlgeschmolzenen Bauteilen wird in dem Maße wichtiger, mit dem diese Verfahren zur Fertigung von Endprodukten herangezogen werden. Weiterhin spielt die Anisotropie des Gefüges strahlgeschmolzener Bauteile eine große Rolle. Aus diesem Grund wurden im RTC Duisburg umfangreiche Festigkeitsuntersuchungen (statisch und dynamisch) in Abhängigkeit von der Baulage, des Oberflächenzustandes und verschiedener Belichtungsstrategien durchgeführt. In diesem Vortrag werden ausgewählte Ergebnisse zu den Untersuchungen vorgestellt.

Selektives Lasersintern von teilkristallinen Thermoplasten

Da eine flexible Fertigung im Bereich von Losgrößen zwischen 1-1000 Stück in vielen Wirtschaftszweigen vermehrt an Bedeutung gewinnt, steigt das Interesse an Verfahren wie dem Selektiven Lasersintern. Dennoch sollen die Eigenschaften von in Serie eingesetzten Werkstoffen erreicht werden. Aufgrund der bestehenden werkstofflichen Restriktionen auf Polyamid 12 wird aktuell an der Verarbeitung anderer teilkristalliner Thermoplaste geforscht. In diesem Beitrag werden die sich in der Markteinführung befindlichen Werkstoffe vorgestellt und basierend auf der Verarbeitung weiterer Thermoplaste die bestehende Modellvorstellung zum Lasersintern erweitert.

Funktionalisierte Bauteile durch Selektives Maskensintern

Das Selektive Maskensintern ist ein neues, pulverbasiertes Additives Fertigungsverfahren. Das schichtweise aufgebrachte Kunststoffpulver wird hier flächig über einen Infrarotstrahler belichtet und aufgeschmolzen. Das Verfahren bietet ein großes Potential dreidimensionale, wärmeleitfähige Bauteile mit beliebiger Geometrie herzustellen. In diesem Beitrag wird darauf eingegangen, wie kommerziell erhältliches Polyamid 12-Pulver mit thermisch leitfähigen Füllstoffen, wie Aluminiumgrieß und Kupferkugeln, modifiziert und funktionalisierte Bauteile hergestellt werden können. Prozessrelevante Materialeigenschaften werden mittels Differential Scanning Kalorimetrie, Rotationsviskosimetrie und der Wärmeleitfähigkeit der modifizierten Pulver bestimmt. An den gefertigten Bauteilen wird die ausgebildete Morphologie, die mechanischen Eigenschaften als auch die Bauteilwärmeleitfähigkeit untersucht.

Leicht zu reinigende Schichten auf lasergesinterten Rapid-Prototyping Bauteilen

Das Fraunhofer IPA hat mit ein Verfahren entwickelt, durch welches lasergesinterte Rapid Prototyping Bauteile gut reinigbar beschichtet werden können. Ziel ist die Nutzung von Rapid-Prototyping Bauteilen in der Lebensmittel verarbeitenden Industrie. Dazu werden die rauen Oberflächen der Bauteile eingeebnet und mit einer gut reinigbaren Schicht umgeben. In Temperaturwechseltests und Reinigungstest durch unabhängige Institute konnte eine gute Reinigbarkeit der so beschichteten Rapid Prototyping Bauteile nachgewiesen werden. Die so beschichteten Rapid Prototyping Bauteile entsprechen nach einer Prüfung durch das Forschungsinstitut Weihenstephan den Hygienic Design Anforderungen gemäß den Vorgaben der EHEDG.

Selektives Lasersintern von teilkristallinen Thermoplasten

Da eine flexible Fertigung im Bereich von Losgrößen zwischen 1-1000 Stück in vielen Wirtschaftszweigen vermehrt an Bedeutung gewinnt, steigt das Interesse an Verfahren wie dem Selektiven Lasersintern. Dennoch sollen die Eigenschaften von in Serie eingesetzten Werkstoffen erreicht werden. Aufgrund der bestehenden werkstofflichen Restriktionen auf Polyamid 12 wird aktuell an der Verarbeitung anderer teilkristalliner Thermoplaste geforscht. In diesem Beitrag werden die sich in der Markteinführung befindlichen Werkstoffe vorgestellt und basierend auf der Verarbeitung weiterer Thermoplaste die bestehende Modellvorstellung zum Lasersintern erweitert.

Lithographiebasierte Fertigung keramischer Bauteile

Im Rahmen des EU-Projektes PHOCAM entwickelt das beteiligte Konsortium Anlagen und Materialien für die generative Fertigung keramischer Bauteile auf Basis der Photopolymerisation. Das Kernelement der verwendeten Fertigungsanlagen, der DLP Projektor, erzeugt mittels leistungsstarker LEDs und einem 1080p DMD (Digital Micromirror Device) Bilder mit 1920x1080 Bildpunkten und der Pixelgröße von 40µm, woraus sich die Baufeldgröße von 76,8x43,2mm ergibt. Ein hochviskoser Schlicker, bestehen aus einem gefülltem fotosensitiven Harzsystem, wird von unten durch die gläserne Materialwanne belichtet, wodurch der Schlicker lokal aushärtet (polymerisiert). Auf diese Weise entsteht der Grünling, der in schichtbauweise (Standardschichtdicke von 25-50µm) aufgebaut ist. Im nachfolgenden Sinterprozess werden die Grünlinge zu den fertigen Keramikteilen gebrannt. Als keramisches Basismaterial für den Schlicker wurde vorwiegend Aluminiumoxid in Pulverform verwendet. Mit dem entwickelten System konnten bislang Schlicker mit einem Füllgrad (Keramikanteil) bis zu 50Vol% erfolgreich verarbeitet und zu Keramikteilen mit einer theoretischen Dichte von 99,6% gesintert werden.

Modellgestützte und hierarchische Prozesskettenbetrachtung für die additive Fertigung

Additive Fertigungsverfahren eignen sich für die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen im Bereich kleiner bis mittlerer Stückzahlen, da keine Formen oder Spezialwerkzeuge notwendig sind. Die erzielbaren Eigenschaften sind oftmals bereits ausreichend, um einen Einsatz auch in Serienanwendungen zu ermöglichen. Verbunden mit den Vorteilen der Technologie bezüglich einer hohen Flexibilität, sowohl während der Konstruktion als auch der Fertigung, können sich durch eine konsequente Nutzung finanzielle Einsparmöglichkeiten entlang des gesamten Produktlebenszyklus ergeben. Bezüglich der Wirtschaftlichkeit der Verfahren herrscht oftmals noch Unklarheit, da geeignete Methoden fehlen, um diese zu bewerten. Bestehende Methoden und Werkzeuge zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit konventioneller Fertigungsverfahren sind dabei für die additive Fertigung nicht direkt nutzbar. In dem Artikel wird eine Methode zur modellgestützten Abbildung einer gesamten additiven Fertigungskette vorgestellt, welche auch die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Prozesskettengliedern berücksichtigen soll. Eine konkrete Aussage bezüglich der Wirtschaftlichkeit der additiven Fertigung soll somit ermöglicht werden.

Produktentwicklung von Druckgussteilen

Die Produktentwicklung von Druckgussteilen kann flexibel, wirtschaftlich und schnell durch die Herstellung von RP-Unikaten und Metallabgüssen aus Keramikschalen realisiert werden. Dieser Weg eignet sich vor allem für komplexe Bauteile und macht eine Produkterprobung mit qualitativ deutlich verbesserter Aussagekraft trotz reduzierter Entwicklungskosten möglich. In Abgrenzung zum Sandguss, muss die Konstruktion der Bauteile nicht verändert werden. 
Durch eine gezielte Wärmebehandlung wird die Vergleichbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Prototypen zu späteren Serienteilen möglich. Technisch sinnvolle Änderungen sind leicht und flexibel realisierbar, da werkzeuglos gefertigt wird. Für unerreichbare Hohlräume und Hinterschnitte kann in diesem Verfahren mit Keramikkernen als Einleger gearbeitet werden. Auch diese Kerne können werkzeuglos hergestellt werden. Ein Verzicht auf technisch Sinnvolles aus Kostengründen ist damit hinfällig.
In der Konstruktion ergeben sich neue Freiheitsgrade, so dass Ziele im Leichtbau, die Einsparung von Verbindungstechnik oder die erhöhte Materialeffizienz realisierbar werden. Die so entwickelten Bauteile sind insgesamt qualitativ hochwertiger und bilden die technischen Anforderungen bestmöglich ab. Damit kann die für die Erprobung benötigte Zahl der Prototypen verringert werden. 
Je komplexer die Geometrie der Bauteile, je stärker kommen die beschriebenen Effekte zum Tragen. Diese Aussage gilt für die Produktentwicklung und für Kleinserien, die herkömmlich zu teuer und zu schwer im Druckguss oder Schmiedeverfahren produziert werden