Development and characterisation of a new bioink for additive tissue manufacturing

Additive manufacturing forms a potential route towards economically viable production of cellular constructs for tissue engineering. Hydrogels are a suitable class of materials for cell delivery and 3D culture, but are generally unsuitable as construction materials. Gelatine-methacrylamide is an example of such a hydrogel system widely used in the field of tissue engineering, e.g. for cartilage and cardiovascular applications. Here we show that by the addition of gellan gum to gelatine-methacrylamide and tailoring salt concentrations, rheological properties such as pseudo-plasticity and yield stress can be optimised towards gel dispensing for additive manufacturing processes. In the hydrogel formulation, salt is partly substituted by mannose to obtain isotonicity and prevent a reduction in cell viability. With this, the potential of this new bioink for additive tissue manufacturing purposes is demonstrated.

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.

Untersuchung zur Reduzierung des Verzugs durch Vorwärmung bei der Herstellung von Aluminiumbauteilen mittels SLM

Das generative Fertigungsverfahren Selective Laser Melting (SLM) wird zur direkten Herstellung von metallischen Funktionsbauteilen verwendet. Während des Bauprozesses entstehen durch den schichtweisen Aufbau und die lokale Energieeinbringung mittels eines fokussierten Laserstrahls thermisch induzierte Eigenspannungen, die zu Verzug des Bauteils oder von Bauteilbereichen führen können. Üblicherweise werden die Verzüge durch Stützstrukturen zwischen Bauteil und Substratplatte verhindert. Jedoch ist es nicht immer möglich alle Bereiche eines Bauteils, je nach Komplexität der Geometrie oder Zugänglichkeit, mit Stützstrukturen zu versehen bzw. diese wieder zu entfernen. Durch eine Vorwärmung der Substratplatte während des Bauprozesses können die Verzüge reduziert oder ganz vermieden werden. Jedoch ist bisher keine systematische Untersuchung des Einflusses der Vorwärmung auf Verzüge von Aluminium Bauteilen durchgeführt worden. Ziel dieser Arbeiten ist daher die systematische Untersuchung der Auswirkung einer Vorwärmung beim SLM von Aluminiumbauteilen und die Ermittlung der geeigneten Vorwärmtemperatur, bei der nahezu keine Verzüge mehr entstehen. Eine signifikante Verzugsreduzierung im Vergleich zu den Verzügen ohne Vorwärmung zeigt sich ab einer Vorwärmtemperatur von 150°C. Bei einer Vorwärmtemperatur von 250°C sind im Rahmen der Messgenauigkeit unabhängig von der untersuchten Twincantilever Testgeometrie keine Verzüge mehr feststellbar. Neben der Reduzierung der Verzüge verhindert die Vorwärmung außerdem spannungsbedingte Risse im Bauteil, die ohne Vorwärmung zum Abreißen von Teilen der Testgeometrie führen können. Mit 90 HV 0,1 bei 250°C Vorwärmtemperatur ist die Härte größer als die geforderte Mindesthärte nach DIN EN 1706 von Druckgussbauteilen aus dem Werkstoff AlSi10Mg. Aus diesem Ergebnis kann abgeleitet werden, dass eine Vorwärmtemperatur von 250°C geeignet ist, Bauteile aus dem Werkstoff AlSi10Mg mit SLM defektfrei und prozesssicher herzustellen und Verzüge vollständig zu vermeiden.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung von strömungsmechanischen Funktionsprototypen mittels Rapid Manufacturing

Bei der Fertigung von Funktionsbauteilen für Strömungsversuche spielt das Design und die Komplexität der Bauteilgeometrie eine wesentliche Rolle. Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Strömungsmaschinen, Rechnereinsatz in der Konstruktion und Fertigungstechnik mit dem Rapid Technology Center (RTC) an der Universität Duisburg-Essen ist es, das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Funktionsprototypen für strömungsmechanische Anwendungen effektiv zu nutzen. An verschiedenen, auf dieser Kooperation beruhenden, Best Practise Beispielen wird gezeigt wie das Laser-Sintern in die Prozesskette zur Herstellung von Laufrädern u. Ä. in unterschiedlichen Größenordnungen integriert werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch die Vorüberlegungen (z. B. durch Simulation), Wechselwirkungen und Folgeprozesse, die mit dieser Fertigungstechnologie verbunden sind, aufgezeigt.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung von strömungsmechanischen Funktionsprototypen mittels Rapid Manufacturing

Bei der Fertigung von Funktionsbauteilen für Strömungsversuche spielt das Design und die Komplexität der Bauteilgeometrie eine wesentliche Rolle. Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Strömungsmaschinen, Rechnereinsatz in der Konstruktion und Fertigungstechnik mit dem Rapid Technology Center (RTC) an der Universität Duisburg-Essen ist es, das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Funktionsprototypen für strömungsmechanische Anwendungen effektiv zu nutzen. An verschiedenen, auf dieser Kooperation beruhenden, Best Practise Beispielen wird gezeigt wie das Laser-Sintern in die Prozesskette zur Herstellung von Laufrädern u. Ä. in unterschiedlichen Größenordnungen integriert werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch die Vorüberlegungen (z. B. durch Simulation), Wechselwirkungen und Folgeprozesse, die mit dieser Fertigungstechnologie verbunden sind, aufgezeigt.

Melt electrospinning of poly(epsilon-caprolactone) scaffolds: Phenomenological observations associated with collection and direct writing

Melt electrospinning and its additive manufacturing analogue, melt electrospinning writing (MEW), are two processes which can produce porous materials for applications where solvent toxicity and accumulation in solution electrospinning are problematic. This study explores the melt electrospinning of poly(ε-caprolactone) (PCL) scaffolds, specifically for applications in tissue engineering. The research described here aims to inform researchers interested in melt electrospinning about technical aspects of the process. This includes rapid fiber characterization using glass microscope slides, allowing influential processing parameters on fiber morphology to be assessed, as well as observed fiber collection phenomena on different collector substrates. The distribution and alignment of melt electrospun PCL fibers can be controlled to a certain degree using patterned collectors to create large numbers of scaffolds with shaped macroporous architectures. However, the buildup of residual charge in the collected fibers limits the achievable thickness of the porous template through such scaffolds. One challenge identified for MEW is the ability to control charge buildup so that fibers can be placed accurately in close proximity, and in many centimeter heights. The scale and size of scaffolds produced using MEW, however, indicate that this emerging process will fill a technological niche in biofabrication.

Cultures of sharing in 3D printing: What can we learn from the licence choices of Thingiverse users?

This article contributes to the discussion by analysing how users of the leading online 3D printing design repository Thingiverse manage their intellectual property (IP). 3D printing represents a fruitful case study for exploring the relationship between IP norms and practitioner culture. Although additive manufacturing technology has existed for decades, 3D printing is on the cusp of a breakout into the technological mainstream – hardware prices are falling; designs are circulating widely; consumer-friendly platforms are multiplying; and technological literacy is rising. Analysing metadata from more than 68,000 Thingiverse design files collected from the site, we examine the licensing choices made by users and explore the way this shapes the sharing practices of the site’s users. We also consider how these choices and practices connect with wider attitudes towards sharing and intellectual property in 3D printing communities. A particular focus of the article is how Thingiverse structures its regulatory framework to avoid IP liability, and the extent to which this may have a bearing on users’ conduct. The paper has three sections. First, we will offer a description of Thingiverse and how it operates in the 3D printing ecosystem, noting the legal issues that have arisen regarding Thingiverse’s Terms of Use and its allocation of intellectual property rights. Different types of Thingiverse licences will be detailed and explained. Second, the empirical metadata we have collected from Thingiverse will be presented, including the methods used to obtain this information. Third, we will present findings from this data on licence choice and the public availability of user designs. Fourth, we will look at the implications of these findings and our conclusions regarding the particular kind of sharing ethic that is present in Thingiverse; we also consider the “closed” aspects of this community and what this means for current debates about “open” innovation.

Microstructure and mechanical properties of wrought and additive manufactured Ti-6Al-4V cylindrical bars

Titanium alloys are widely used in various engineering design application due to its superior material properties. The traditional manufacturing of titanium products is always difficult, time consuming, high material wastage and manufacturing costs. Selective laser melting (SLM), an additive manufacturing technology has widely gained attention due to its capability to produce near net shape components with less production time. In this technical paper,microstructure,chemical composition,tensile properties and hardness are studied for the wrought and additive manufactured SLM cylindrical bar. Microstructure,mechanical properties and hardness were studied in both the longitudinal and transverse directions of the bar to study the effect of orientation. It was found that additive manufactured bar have higher yield strength, ultimate tensile strength and hardness than the wrought bar. For both conventional and SLM test samples, the yield strength, ultimate tensile strength and hardness was found to be high in the transverse direction. The difference in the properties can be attributed to the difference in microstructure as a result of processing conditions. The tensile fracture area was quantified by careful examination of the fracture surfaces in the scanning electron microscope.

Design methods and geometric modelling of scaffolds for bone tissue engineering

Every year, thousand of surgical treatments are performed in order to fix up or completely substitute, where possible, organs or tissues affected by degenerative diseases. Patients with these kind of illnesses stay long times waiting for a donor that could replace, in a short time, the damaged organ or the tissue. The lack of biological alternates, related to conventional surgical treatments as autografts, allografts, e xenografts, led the researchers belonging to different areas to collaborate to find out innovative solutions. This research brought to a new discipline able to merge molecular biology, biomaterial, engineering, biomechanics and, recently, design and architecture knowledges. This discipline is named Tissue Engineering (TE) and it represents a step forward towards the substitutive or regenerative medicine. One of the major challenge of the TE is to design and develop, using a biomimetic approach, an artificial 3D anatomy scaffold, suitable for cells adhesion that are able to proliferate and differentiate themselves as consequence of the biological and biophysical stimulus offered by the specific tissue to be replaced. Nowadays, powerful instruments allow to perform analysis day by day more accurateand defined on patients that need more precise diagnosis and treatments.Starting from patient specific information provided by TC (Computed Tomography) microCT and MRI(Magnetic Resonance Imaging), an image-based approach can be performed in order to reconstruct the site to be replaced. With the aid of the recent Additive Manufacturing techniques that allow to print tridimensional objects with sub millimetric precision, it is now possible to practice an almost complete control of the parametrical characteristics of the scaffold: this is the way to achieve a correct cellular regeneration. In this work, we focalize the attention on a branch of TE known as Bone TE, whose the bone is main subject. Bone TE combines osteoconductive and morphological aspects of the scaffold, whose main properties are pore diameter, structure porosity and interconnectivity. The realization of the ideal values of these parameters represents the main goal of this work: here we'll a create simple and interactive biomimetic design process based on 3D CAD modeling and generative algorithmsthat provide a way to control the main properties and to create a structure morphologically similar to the cancellous bone. Two different typologies of scaffold will be compared: the first is based on Triply Periodic MinimalSurface (T.P.M.S.) whose basic crystalline geometries are nowadays used for Bone TE scaffolding; the second is based on using Voronoi's diagrams and they are more often used in the design of decorations and jewellery for their capacity to decompose and tasselate a volumetric space using an heterogeneous spatial distribution (often frequent in nature). In this work, we will show how to manipulate the main properties (pore diameter, structure porosity and interconnectivity) of the design TE oriented scaffolding using the implementation of generative algorithms: "bringing back the nature to the nature".

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.

Besonderheiten bei der Auslegung und Gestaltung lasergesinterter Bauteile

Mit der Entwicklung der losgrößenunabhängigen, additiven Fertigungsverfahren eröffnen sich vollkommen neue Wege zur Realisierung von komplexen Integralbauteilen bei niedrigen Stückzahlen. Bei der Bauteilgestaltung müssen (verglichen mit traditionellen Herstellverfahren, beispielsweise Spritzgießen) weniger Fertigungsrestriktionen beachtet werden. Dennoch ist die Gestaltungsfreiheit nicht unbegrenzt. In diesem Beitrag werden basierend auf dem Gedanken des Fertigungsgerechten Konstruierens Möglichkeiten und Herausforderungen bei der Gestaltung von additiv gefertigten Bauteilen herausgestellt. Darauf aufbauend werden Potenziale aufgezeigt, wie Produktentwickler in Zukunft bei der Auslegung und Gestaltung solcher Produkte unterstützt werden können.

Funktionales Konstruieren – Rapid Technologien für Architektur und Baukonstruktion

Nicht nur in der Medizintechnik, in der Luftfahrt und in der Automobilindustrie werden die generativen Verfahren zunehmend mehr als wichtige Produktionsverfahren angesehen. Auch die (Bau-) Industrie nimmt mehr und mehr die Möglichkeiten und Chancen wahr, welche diese Verfahren für andersartige Konstruktionen und Details eröffnen. Die Ergründung von Veränderungen und Auswirkungen dieser neuen Technologien auf den Entwurf und auf die Umsetzung von Architektur und Baukonstruktion ist Schwerpunkt der Forschungstätigkeiten von Dipl.-Ing. Holger Strauß an den Hochschulstandorten TU Delft, Niederlande und an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Detmold. Das erste, umfangreiche Forschungsprojekt zu diesem Thema - „Influence of Additive Processes on the development of facade constructions“ - wurde 2008 in Kooperation mit der international agierenden Firma Kawneer-Alcoa im Forschungsschwerpunkt „ConstructionLab“ an der Detmolder Schule für Architektur und Innenarchitektur etabliert. Der Fokus der Bestrebungen liegt zunächst auf der Ergründung von Möglichkeiten für die generative Herstellung von Bauteilen als Ergänzung der Standardprodukte in Systemfassaden. Die Verwendung der Additiven Verfahren und Hightech CAD-CAM Anwendungen bedingt eine neue Art des Konstruierens. Nämlich nicht mehr das fertigungsgerechte, sondern das funktionsgerechte – das „Funktionale Konstruieren“. Neben der Bereicherung der Forschung und Lehre an den Hochschulen durch eine praxisnahe und zielorientierte Aufgabenstellung, fließen alle Ergebnisse in die Promotion von Holger Strauß an der Technischen Universität in Delft am Lehrstuhl Design of Construction bei Prof. Dr.-Ing. Ulrich Knaack ein.

Low-cost manufacturing by fused filament fabrication of microwave waveguide passive devices for space applications

Presentación en poster de impresión 3D de guias de onda.

Making Space: Feasibility of Urban Manufacturing through Shared Resources

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06