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Bachelorarbeit über das Thema

Entwicklung und Prototypenbau eines

mechanischen Extruders für das 3D-Bioprinting

von zell-beladenen Hydrogelen (Biotinte)

Development and prototype construction of a mechanical extruder

for 3D-Bioprinting of cell-laden hydrogels (bioink)

Autor: Benedikt Korbinian Kaufmann Bioingenieurwesen B.Eng. [email protected] Mat.Nr.: 01518611

Prüfer: Prof. Dr.-Ing Alfred Fuchsberger Zweitprüfer: Dr. Stefanie Sudhop

Abgabedatum: 28. September 2015

Kurzfassung

Entwicklung und Prototypenbau eines mechanischen Extruders für das 3D-Bioprinting von zell-beladenen Hydrogelen (Biotinte) I

Kurzfassung

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und der Prototypenbau eines mechanischen Extruders, für

das 3D-Bioprinting von zellbeladenen Hydrogelen, für das Tissue Engineering.

Tissue Engineering bezeichnet ein interdisziplinäres Forschungsfeld an der Schnittstelle zwischen

Ingenieurwissenschaften, Biologie und Medizin, dessen Ziel die Generierung von funktionellem

biokompatiblem Gewebeersatz ist. Die Strategien zur Erzeugung dieser Gewebestrukturen sind

vielfältig, verfolgen jedoch ein gemeinsames Ziel. Aufgebaut aus körpereigenen oder genetisch

veränderten Zellen, sollen zukünftig vollständige Organe hergestellt werden können.

Unter Einsatz der 3D-Druck-Technologie wurden bereits einige Verfahren etabliert, bei denen

sogenannte Scaffolds, d.h. Gitterstrukturen aus biodegradierbaren Polymeren, erzeugt werden, um

diese in einem separaten Schritt mit Zellen zu besiedeln und anschließend zu implantieren. „Scaffold-

free“ 3D-Bioprinting bezeichnet den jüngeren Forschungsansatz, bei dem auf die Verwendung von

Polymeren verzichtet wird und stattdessen direkt lebende Zellen, eingebettet in spezielle medizinische

Gele, verdruckt werden.

Integraler Bestandteil, hierfür nötiger besonderer 3D-Drucker, sogenannter Bioprinter, ist der

Druckkopf, dessen Charakteristiken exakt auf die der verwendete Biotinte abgestimmt sein müssen,

um ein strukturell akkurates Produkt, bei gleichzeitig hoher Zellviabilität, zu erzeugen.

Auf Basis des übernommenen Antriebskonzepts, eines mechanischen Kolbenextruders, konnte in

mehreren Schritten ein neuer funktionstüchtiger Prototyp konzipiert, konstruiert und aufgebaut

werden. Dieser ist zur Fertigung im FDM 3D-Druck optimiert, um modernen Ansprüchen, an einfache,

schnelle und kostengünstige Modifizierbarkeit und Reproduzierbarkeit, gerecht zu werden.

Durch erste Druckversuche, zur empirischen Ermittlung passender Steuerungsparameter, konnten

bereits erfolgreich dreidimensionale Strukturen mehrschichtig gedruckt und quervernetzt werden.

Neben den Ergebnissen des Konzeptions- und Konstruktionsauftrags und einem „Proof of Concept“ zur

Validierung, bietet diese Arbeit ferner Anregungen für den weiteren Entwicklungsverlauf und Konzepte

zur Erweiterung des Druckkopfes und Automatisierung des Druckprozesses.

Abstract

Entwicklung und Prototypenbau eines mechanischen Extruders für das 3D-Bioprinting von zell-beladenen Hydrogelen (Biotinte) II

Abstract

The objective of this paper is the development and prototype construction of a mechanical extruder,

for 3D-Bioprinting of cell-laden hydrogels, for tissue engineering.

Tissue engineering is an interdisciplinary research field at the interface between engineering, biology

and medicine, aiming the production of functional biocompatible tissue substitutes. There are multiple

strategies to generate these tissue structures, though they share the same ambition. In the near future

entire organs are to be produced, made up of the patient’s own or genetically engineered cells.

Using 3D-printing technology several procedures have been established, relying on creating so called

scaffolds, a framework of biodegradable polymers, populating them with cells in a separate step and

subsequently implanting them. “Scaffold-free” 3D-Bioprinting constitutes a more recent research

approach, forgoing the use of polymers and instead immediately printing living cells, embedded in

special medical gels.

A key component of these particular printers, so-called bioprinters, is the print head, whose

characteristics must be matched exactly to those of the used bioink, in order to achieve a structurally

accurate product and high cell survival rates.

Based on the inherited drive concept, of a mechanical piston extruder, it was possible to concept,

construct and assemble a functioning Prototype. Optimized to be fabricated using FDM 3D-Printing to

meet modern requirements of easy, fast and cost-efficient modifiability and reproducibility.

By performing first printing tests, to empirically determine suitable control parameters, three-

dimensional multilayer structures have already been successfully printed and crosslinked. Besides the

results of the conception and construction assignment and a proof of concept for validation purposes,

this paper furthermore offers proposals for the ongoing development process and concepts of

enhancements for the print head and automatization of the printing process.

Inhaltsverzeichnis

Entwicklung und Prototypenbau eines mechanischen Extruders für das 3D-Bioprinting von zell-beladenen Hydrogelen (Biotinte) III

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung .............................................................................................................................................. I

Abstract ................................................................................................................................................... II

Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................................... III

Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................................. V

1. Einleitung ......................................................................................................................................... 1

2. Theorie und Grundlagen ................................................................................................................. 2

2.1 3D-Druck allgemein ....................................................................................................................... 2

2.2 3D-Druck im Bereich Tissue Engineering ...................................................................................... 5

3. Aufgabenstellung ............................................................................................................................. 9

3.1 Vorstellung der Ausgangsbasis des Konzeptes eines Druckkopfes ............................................... 9

4. Material und Methoden ................................................................................................................ 11

4.1 SolidWorks und Cura ................................................................................................................... 11

4.2 Ultimaker² + PLA .......................................................................................................................... 12

4.3 Manuelle Nachbearbeitung der Druckteile ................................................................................. 13

4.4 Übernommene Kaufteile für den Prototypen ............................................................................. 14

4.5 Schematische Aufbau des 3D-Bioprinter..................................................................................... 15

5. Versuch der Validierung des übernommenen Konzepts ............................................................... 16

6. Konzeption und Konstruktion eines neuen Prototypen ................................................................ 19

6.1 Neudesign der Grundplatte ......................................................................................................... 19

6.2 Optimierung des Druckkopfdesigns auf den 3D-Druck ............................................................... 20

6.3 Arretierungskonzept des Spritzentanks in der Grundplatte ....................................................... 21

6.4 Konstruktion der Spritzenhalterung zur Arretierung des Spritzentanks ..................................... 23

6.5 Integration von Kontaktschaltern in des Designkonzept ............................................................ 24

6.6 Konstruktion der oberen Wellenbrücke ...................................................................................... 25

6.7 Anpassung des Schlittens entsprechend der veränderten Anforderungen ................................ 26

6.8 Anpassung des Extruderschlittens der Bioprinter ....................................................................... 28

7. Zusammenbau des neuen Prototypen .......................................................................................... 30

7.1 Zusammenbau des Kolbenschlittens ........................................................................................... 31

7.2 Zusammenbau des Heizelementes .............................................................................................. 32

7.3 Zusammenbau der Grundplatte .................................................................................................. 32

7.4 Zusammenbau von Wellenbrücke und Spritzenhalter ................................................................ 34

7.5 Finaler Zusammenbau aller Komponenten ................................................................................. 34

7.6 Übersichten über Zeit- und Materialbedarf der Druckteile: ....................................................... 36

Inhaltsverzeichnis

Entwicklung und Prototypenbau eines mechanischen Extruders für das 3D-Bioprinting von zell-beladenen Hydrogelen (Biotinte) IV

8. Erweiterungen zur Quervernetzung der Hydrogele ...................................................................... 37

8.1 UV-Quervernetzung..................................................................................................................... 37

8.2 CaCl2-Quervernetzung ................................................................................................................ 38

9. Steuerung und Automatisierung ................................................................................................... 39

10. Proof of Concept........................................................................................................................ 40

11. Diskussion und Ausblick ............................................................................................................ 43

12. Literaturverzeichnis ................................................................................................................... 45

Quellen der Abbildungen .................................................................................................................. 47

Anhang .................................................................................................................................................. 48

Erklärung ............................................................................................................................................... 49

Abbildungsverzeichnis

Entwicklung und Prototypenbau eines mechanischen Extruders für das 3D-Bioprinting von zell-beladenen Hydrogelen (Biotinte) V

Abbildungsverzeichnis Abb. 2.1: Die Handprothese „Raptor Hand“ der Community „Enabling the future“ .............................. 3

Abb. 2.2: Durch 3D-Druck entstandene Kopie einer 1974 Honda CB500 von Jonathan Brand .............. 4

Abb. 2.3: Schematische Schritte bei der Replikation durch 3D Scanner und Drucker ............................ 4

Abb. 2.4: Exemplarischer Arbeitsablauf beim Einsatz eines Scaffold-basierten Implantats ................... 5

Abb. 2.5: Inkjet, Mikroextrusion und lasergestützte Druckverfahren .................................................... 6

Abb. 2.6: Bioprinten von tubulären Strukturen aus zellulären Zylindern ............................................... 7

Abb. 2.7: 3D gedruckter Prototyp eines bionischen Ohrs ....................................................................... 8

Abb. 2.8: "Magnetic Levitation" Konzept der Firma n3D Biosiences ...................................................... 8

Abb. 3.1: Konzept eines mechanischen Extruders, konstruiert von Simon Huber ................................. 9

Abb. 3.2: Konzept eines mechanischen Extruders nach Überarbeitung ............................................... 10

Abb. 4.1: Schematischer Übergang der in SolidWorks erzeugten STL Datei in einen G-Code .............. 11

Abb. 4.2: Schematischer Übergang von G-Code in ein reales Bauteil durch den Ultimaker2 .............. 12

Abb. 4.3: Druckteile direkt nach der Fertigung und bei der manuellen Entfernung des Stützgerüstes 13

Abb. 4.4: Übersicht von Beispielfotos der Kaufteile in Reihenfolge ihrer Erwähnung ......................... 14

Abb. 4.5: Die 3D-Bioprinter Prototypen des CANTER ........................................................................... 15

Abb. 5.1: Wiegen des fast vollständigen Druckkopfes und die potentielle Gewichtsersparnis ............ 17

Abb. 5.2: Druckkopf unter Einsatz von „Halter Mini“ anstelle des AL-Rückgrats ................................. 17

Abb. 6.1: Die erste Evolutionsstufe der Grundplatte ............................................................................ 19

Abb. 6.2: Die zweite Evolutionsstufe der Grundplatte .......................................................................... 20

Abb. 6.3: Die dritte Evolutionsstufe der Grundplatte ........................................................................... 21

Abb. 6.5: Ansicht der Oberseite des fertigen Prototyps der Grundplatte ............................................ 22

Abb. 6.4: Ansicht der Unterseite des fertigen Prototyps der Grundplatte ........................................... 22

Abb. 6.6: Prototyp der Spritzenhalterung ............................................................................................. 23

Abb. 6.7: Darstellung der kongruenten Magnetreihen und Passung von Halterung und Grundplatte 23

Abb. 6.8: Detailansicht des Prototyps der oberen Wellenbrücke ......................................................... 25

Abb. 6.9: Schrittweise Evolution des Prototyps der oberen Wellenbrücke .......................................... 25

Abb. 6.10: Der vorläufige Prototyp des zweiteiligen Spritzenschlittens ............................................... 26

Abb. 6.11: Ober- und Unteransicht des fertigen Prototypen des zweiteiligen Spritzenschlittens ....... 27

Abb. 6.12: Das Zusammenspiel der beiden Miniaturschalter und Kontaktflächen .............................. 27

Abb. 6.13: Spritzenschlitten mit eingesetztem Schlüssel ...................................................................... 28

Abb. 6.14: 3D-Ansicht des umkonstruierten Extruderschlitten ............................................................ 28

Abb. 6.15: 3D-Ansichten des fertigen Extruder-Prototyps .................................................................... 29

Abb. 7.1: Prototypen der oberen Wellenbrücke ................................................................................... 30

Abb. 7.2: Früher Prototyp der Spritzenkolbenschlittens mit Übergangspassung ................................. 30

Abb. 7.3: Zwei Ansichten des fertigen Prototyps des Spritzenkolbenschlittens ................................... 31

Abb. 7.4: Zwei Ansichten des Aufbaus der Spritzenheizung ................................................................. 32

Abb. 7.5: Oberseite und Unterseite der finalen Grundplatte unmittelbar nach der Fertigung ............ 33

Abb. 7.6: Drei Ansichten der teilbestückten Grundplatte aus PLA-HT .................................................. 33

Abb. 7.7: Ausgedruckte und bestückte finale Versionen der oberen Wellenbrücke ............................ 34

Abb. 7.8: Drei Ansichten des zusammengebauten Extruders ............................................................... 35

Abb. 7.9: Der fertige Extruder eingesteckt in den experimentellen Bioprinter .................................... 36

Abb. 8.1: Schematischer Aufbau eines Konzepts zur UV-Quervernetzung von Hydrogelen ................ 37

Abb. 8.2: Konzept zur Erweiterung des Extruders zur Quervernetzung mit CaCl2-Lösungen .............. 38

Abb. 8.3: Detailansichten der Erweiterungskonzepte zur Quervernetzung ......................................... 38

Abb. 10.1 Detailaufnahme der angeschlossenen Adapterkabel ........................................................... 40

Abb. 10.2 Detailaufnahmen der Druckvorbereitungen am Bioprinter ................................................. 41

Abb. 10.3 Aufnahmen des Druckvorgangs und einige Druckergebnisse ……………………………………………42

Einleitung

Entwicklung und Prototypenbau eines mechanischen Extruders für das 3D-Bioprinting von zell-beladenen Hydrogelen (Biotinte) 1

1. Einleitung

Das Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption, Konstruktion und der Prototypenbau eines mechanischen

Druckkopfs zum Vergießen von zellbeladenen Hydrogelen für das Tissue Engineering. Darüber hinaus

wird eine anschließende Validierung, durch praktische Druckversuche an dem vorgesehen Bioprinter,

angestrebt.

Diese Abschlussarbeit wurde im Auftrag und in Zusammenarbeit mit der Forschungsabteilung CANTER

der Hochschule München erstellt. Das „Centrum für Angewandtes Tissue Engineering und

Regenerative Medizin“ ist eine Kooperation der Hochschule München, LMU und TUM und arbeitet an

den Schnittstellen der Bereiche „Chirurgie, Regenerative Medizin, Zell- und Molekularbiologie,

Bioingenieurwesen, Biophysik, Maschinenbau und Medizintechnik“. Das Bestreben der Abteilung ist

die (In Vitro) Generierung von funktionellem Gewebeersatz, der die individuellen Bedürfnisse der

betroffenen Patienten befriedigt. [1, 2, 3]

Dieser Entwicklungsprozess wird maßgeblich durch den regen interdisziplinären Know-how-Transfer

und die lokale Bündelung von Kompetenzen begünstigt. Durch die laufende Vergabe von Abschluss-

und Projektarbeiten wird der Nachwuchs der wissenschaftlichen Gemeinschaft gefördert und der

Raum für immer wieder neue gedankliche Ansätze, Ideen und Methoden eröffnet.

Derzeitiger Schwerpunkt der Abteilung ist die Entwicklung eines 3D-BioPrinters, dessen

Konstruktionsdaten nach Fertigstellung im Rahmen des Open Source Programmes weltweit entgeltfrei

zur Verfügung gestellt werden soll, um die Forschung in diesem Bereich voranzutreiben. Prinzipiell wird

so jeder Forschungs- und Lehreinrichtung, die über ein ausreichendes Budget, Zellkultur-Ausstattung

und einen 3D-Drucker verfügt, der schnelle und direkte Einstieg zur eigenen Forschung bzw.

Fortbildung ermöglicht. [1, 2, 3]

Theorie und Grundlagen


2. Theorie und Grundlagen

2.1 3D-Druck allgemein

Aktuelle Prognosen errechnen für das Jahr 2018 einen weltweiten Umsatz von 5,4 Mrd. US-Dollar im

Bereich 3D-Druck und weitere 10,8 Mrd. im Bereich der zugehörigen Dienstleistungen und Materialien.

Obgleich der aktuelle Konsens besteht, dass es sich hierbei um einen Hype und nicht mehr einer

weiteren industriellen Revolution handelt, bleibt man fest von einem steten Wachstum und dem

enormen Potential dieser Technik überzeugt. [4, 5]

Im Unterschied zu den traditionellen Fertigungsverfahren bei denen das Werkstück durch Abtragen

von Material, beispielsweise durch Fräsen, in seine fertige Form überführt wird, handelt es sich bei

dem 3D-Druck um ein generatives Schichtbauverfahren. Konkret bedeutet das, dass basierend auf

einem am Computer generierten 3D-Model durch das schichtweise Hinzufügen von Material ein

komplexer Volumenkörper „aus dem Nichts“ aufgebaut wird. Außerdem ist im Allgemeinen kein

zusätzliches Werkzeug oder Nachbearbeitung zwingend nötig.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei prinzipiellen Arten von 3D-Druck-Technologien. Die

Kategorie der „Selective Binding Printers“ nutzt die Einbringung von Energie in ein mit Rohmaterial

gefülltes Druckbett, um es schichtweise zur Bindung anzuregen. Hierzu zählt das Selektive Lasersinter,

bei der die fokussierte Strahlung eines Lasers z.B. Polymergranulat in die gewünschte Form

verschmilzt. [6, 7, 8]

Werden dreidimensionale Strukturen durch die Ausbringung von Rohmaterial durch eine Düse oder

Kanüle generiert, spricht man von „Selective Deposition Printers“. Für die im Nachfolgenden

behandelte Untergruppe der „Fused Deposition Modeling“ Drucker kommt hierbei eine beheizte Düse

in Verbindung mit einem kontrolliert hindurchgeführten thermoplastischen Material zum Einsatz.

Sobald dieses flüssig ausgetreten ist, erhärtet es erneut an der gewünschten Stelle, um sich mit ggf.

bereits extrudierten Schichten zu komplexen Formen zu verbinden. [6, 7, 8]

Anfangs vor allem als schnelle und kostengünstige Methode zum Rapid Prototyping, d.h. der Erstellung

von modellartige Prototypen verwendet, etwa im Bereich der Produktentwicklung, gewinnen

Druckergebnisse dieses Herstellungsprozesses zunehmend Bedeutung als fertiges Endprodukt.

Mit dem Aufkommen moderner immer kostengünstigerer Modelle findet diese Technologie nun auch

Einzug in die Hobbyräume des privaten Enthusiasten (OneUp V2 von Q3 3D Printers ist bereits ab 199$

erhältlich) und kleinen Unternehmen (z.B. der Ultimaker 2 von Ultimaker ab 1895 € Netto). Die schier

endlosen Anwendungsmöglichkeiten spannen von dem Modellbau und dem heimischen Ersatz von

defekten Kunststoffteilen über die Erstellung von plastischer Kunst und dem Rapid Prototyping von

Werkstücken bis hin zur individuellen Anpassung von Prothesen und Implantaten in der Medizin.

Darüber hinaus erweitert sich die Palette der hierbei eingesetzten Materialien laufend und eröffnet

immer neue Möglichkeiten. Ebenfalls trägt der Trend zur simultanen Verwendung von mehreren

Stoffen zur Vielfalt bei, wie bei der Mischung von spröden und elastischen Polymeren in einem

Druckprozess. [6, 7, 8, 9, 10]

Neben den an die Anforderungen angepassten und weitverbreiteten Polymeren wie PLA und ABS,

können durch verschiedene Prozesse eine breite und wachsende Palette an Materialien verwendet

werden, zu denen Glas, Keramiken und Metalle, aber auch Lebensmittel und lebende Zellen in

speziellen medizinischen Gelen zählen. [6, 7, 8]



Darüber hinaus erlauben die hierbei möglichen Formen, welche ihre Grenzen praktisch nur noch in der

Vorstellungskraft des Anwenders bzw. des verwendeten Algorithmus finden, einen zuvor unerreichten

Level an Komplexität. Eben dies, die Kombination von Werkstoffen wie Titan, die freidefinierbaren

Hohlräume, allgemeine Gestaltungsfreiheit und rasche Fertigung machen das Konzept auch

interessant für den Leichtbau in Luft- und Raumfahrt. Neben Beispielen wie dem Design von hohlen

und besonders leichten Turbinenrotoren ist eine Produktion zur Wartung und Reparatur vor Ort auf

Raumstationen denkbar, wahlweise mit kurzfristig von der Erde übermittelten Konstruktionsdaten.

Des Weiteren beschleunigt das sich ständig erweiternde Netzwerk aus Plattformen zum Austausch von

Konstruktionsdaten und Wissen im Internet die flächendeckende Nutzbarkeit dieser Technologie

durch Personen ohne passende spezielle Ausbildung. Nutzer können, selbst ohne eigene CAD

Kenntnisse, nach wahlweise kostenpflichtigen oder gratis zur Verfügung gestellten vorgefertigten

Modellen online suchen (z.B. auf http://www.thingiverse.com) und diese am eigenen Drucker

verwenden oder externe Anbieter zu Produktion beauftragen. Auf Webseiten wie

https://www.3dhubs.com können bereits Auflagen von nur einem Exemplar in Auflösung und Material

der Wahl zur lokalen Abholung oder Lieferung per Post bestellt werden. Derartige Auflagen (1 Stück)

wären, in Bezug auf Produktionskosten und -zeiten (einige Tage), in traditionellen Techniken, wie dem

Spritzgussverfahren, gänzlich undenkbar.

Besagter freier Austausch zeigt sich auf einer humanistischen Ebene in der Online Community

„Enabling the Future“, die sich dem Ziel verschrieben hat, vor allem bedürftige Kinder mit einfachen,

kostengünstigen und funktionellen Prothesen zu versorgen. Durch ihre Bemühungen ist beispielsweise

die Prothese „Raptor Hand“ entstanden, welche es Menschen die keine Finger haben erlaubt Dinge

greifen und halten zu können (siehe Abbildung 2.1). Sollte den Betreffenden kein eigener Drucker zur

Verfügung stehen und die finanziellen Mittel für einen externen Auftrag fehlen, finden sich stets

Freiwillige um in einer Patenschaft Druck und Kosten zu übernehmen. [11]

Abb. 2.1: Die Handprothese „Raptor Hand“, der Community „Enabling the future“

https://www.3dhubs.com/



Jonathan Brand, ein kanadischer kontemporärer Künstler, erzeugt basierend auf Erinnerung und Fotos

CAD Modelle um sie anschließend als plastische Kunst im 3D-Druck zu fertigen und auszustellen. Die

lebensgroße Kopie eines Honda Motorrads von 1974 ist eines seiner bekanntesten Werke, das durch

seine Detailtreue und lichtdurchlässige Optik besticht. Letztere ist der durch dieses Druckverfahren

möglichen dünnen Wandstärke von nur 1mm geschuldet und macht das Stück so einzigartig, wie in

Abbildung 2.2 zu erkennen ist. [12, 13]

Neuere 3D-Drucker-Systeme werden bereits in Kombination mit speziellen 3D-Scannern angeboten,

so dass sie ohne eigenen Konstruktionsaufwand des Anwenders als 3D-Kopierer fungieren können

bzw. diesen massiv reduzieren. Ein von „Artec 3D Scanners“ vorgestellter Scanner ist in der Lage einen

kompletten Menschen in 12 Sekunden einzuscannen. Im Anschluss generiert die hierzu passende

Software in unter vier Minuten eine sofort druckbereites 3D-Model. [14] Ein weiteres spannendes

Anwendungsfeld dieser Technologie ist die Replikation von unbezahlbaren archäologischen und

historisch signifikanten Unikaten zu Ausstellungs- und Lehrzwecken (siehe Abb. 2.3.)

Abb. 2.2: Durch 3D-Druck entstandene Kopie einer 1974 Honda CB500 von Jonathan Brand

Abb. 2.3: Schematische Schritte bei der Replikation durch 3D Scanner und Drucker



2.2 3D-Druck im Bereich Tissue Engineering

Tissue Engineering bezeichnet ein interdisziplinäres Forschungsfeld an der Schnittstelle zwischen

Ingenieurwissenschaften, Biologie und Medizin, dessen Ziel die Generierung von funktionellem

biokompatiblem Gewebeersatz ist. [15]

Gerade in einer Gesellschaft mit steigendem durchschnittlichem Alter, medizinischem Fortschritt und

nötigem Wohlstand wächst die Nachfrage nach künstlich erzeugte Gewebe rapide an. Der potentielle

Markt erstreckt sich von der Behandlung von Unfallopfern, Menschen mit genetischen Defekten und

akuten Erkrankungen bis hin zur Verbesserung über den Soll-Zustand hinaus zu kosmetischen Zwecken

oder etwa der Steigerung der sportlichen Leistungsfähigkeit.

Die Strategien zur Erzeugung von funktionellem Ersatz sind vielfältig, verfolgen jedoch prinzipiell das

gemeinsame Ziel, zukünftig ganze Organe oder sogar Gliedmaßen, aufgebaut aus körpereigenen oder

genetisch veränderter nicht immunogene Zellen, herstellen zu können. Hierdurch könnte man darüber

hinaus die Risiken, Komplikationen und Kosten die mit traditionellen Transplantationen verbunden

sind minimieren und gleichzeitig hochindividuell auf die Bedürfnisse des jeweiligen Kunden eingehen.

Ferner könnten durch künstliche Organe Medikamentenstudien beschleunigt und allgemein ein

Großteil der Studien die aktuell noch den Einsatz von Versuchstieren erfordern reduziert werden.

Unter Einsatz der 3D-Druck-Technologie wurden bereits einige Verfahren etabliert, die sogenannte

Scaffolds, d.h. Gitterstrukturen aus biodegradierbaren Polymeren, erzeugen, um diese in einem

zweiten Schritt mit körpereigenen Zellen zu besiedeln und anschließend zu implantieren. [16,17]

Drucker dieser Art, wie der „BioScaffolder“ von Syseng gibt es bereit zu Anwendung und Forschung zu

kaufen. [18] Ein hierfür typischer Arbeitsablauf ist Abbildung 2.3 zu entnehmen.

Auf diese Weise können beispielsweise Knochendefekte überbrückt bzw. gefüllt und zur effektiveren

Heilung angeregt werden, wie es Vladimir S. Komlev in seiner aktuellen Forschung mit biokompatiblen

Calcium-Phosphat-Keramik-Transplantaten beschreibt. [19]

Ein Team um Daniel L. Cohen publizierte bereits 2010 über ihre Experimente mit 3D-Druck in situ

Knochendefekte zu schließen. Verfahren dieser Art sollen in Zukunft eine minimalinvasive und

effektive Möglichkeit zur Rekonstruktion von Gewebeschäden unmittelbar am lebenden Organismus

darstellen. [20]

Abb. 2.4: Exemplarischer Arbeitsablauf beim Einsatz eines Scaffold-basierten Implantats



„Scaffold-free“ 3D-Bioprinting bezeichnet den jüngeren Forschungsansatz, der innerhalb der CANTER

Community Anwendung findet. Hierbei wird auf die Verwendung von Scaffolds verzichtet und

stattdessen direkt lebende Zellen, eingebettet in spezielle medizinische Gele, verdruckt. Diese

sogenannten Hydrogele, die ihren Namen durch den hohen Wasseranteil bekommen, haben die

Aufgabe die Zellen zu tragen und fungieren als ein für den Druck und das Überleben kompatibles

Medium. Integraler Bestandteil hierfür nötiger spezieller 3D-Drucker, sogenannter Bioprinter, ist der

Druckkopf, dessen Charakteristiken exakt auf die verwendete Biotinte abgestimmt sein muss, um ein

strukturell akkurates Produkt bei gleichzeitig hoher Zellviabilität zu erzeugen. [21, 22]

In der Forschungsabteilung CANTER wird derzeit vor allem mit den beiden FDM basierenden

Konzepten der pneumatischen Extrusion und mechanischen Kolben-Extrusion experimentiert (siehe

Abbildung 2.4). Ziel hierbei ist es im direkten Vergleich objektive Daten und Erfahrungen sammeln zu

können, um einen hochautomatisierten wiederholbaren Druckprozess zu etablieren. Dies ist dringend

notwendig um eine immer effektivere Forschung mit zellbeladenen Hydrogelen zu gewährleisten und

vorhandene Variablen, sowie systematische und statistische Fehler zu minimieren.

Ein prinzipielles Interesse an der simultanen Verfolgung mehrere Konzepte ergibt sich aus den

grundlegend verschiedenen Arten des Krafteintrags, inklusive der jeweiligen Vor- und Nachteile.

Pneumatische Systeme erlauben beispielweise eine praktisch stufenlose Regelung des Drucks und

damit der eingebrachten Kraft, die lediglich von der Stabilität der Konstruktion und

Druckluftversorgung nach oben limitiert wird. Vorteil der mechanischen Extrusion hingegen ist unter

anderem eine effektivere Retraction Funktion, d.h. ein Rückstellen der Kraft (hier: ein Fahren des

Kolbens in die Gegenrichtung) zwischen den Extrusionspunkten um den unkontrollierten Ausfluss des

Abb. 2.5: Inkjet (A), Mikroextrusion (B) und lasergestützte (C, D) Druckverfahren



Gels zu verhindern. Stellt der Druckablass bei einem pneumatischen Drucker alleine noch kein großes

Problem dar, ist eine Lösung die kontrolliert Unterdruck aufbauen kann technisch schwerer

umzusetzen, als einen mechanischen Motor eine an das Druckmedium und Temperatur angepasste

Schrittanzahl rückwärtsfahren zu lassen.

Der für das CANTER typische mehrschichtige Forschungsansatz zeigt sich ebenfalls bei den

verschiedenen Konzepten zur Quervernetzung der Hydrogele. Konkret werden zwei unterschiedliche

Methoden erprobt, um die flüssig extrudierte Biotinte zur strukturellen Integrität zu verhelfen. Neben

ersten Versuchen mit UV-Licht und speziellen Photoinitiatoren, die beispielsweise als freie Radikale

bestimmte funktionelle Gruppen der Hydrogelketten miteinander verbinden und so zu einer

Aushärtung führen. Durch Definierung der Art und Anteile dieser funktionellen Gruppen und die

eingebrachte Energiemenge kann der Grad und der Verlauf der Quervernetzung aktiv beeinflusst

werden. [23]

Eingehende Erfahrungen konnten bereits mit einem CaCl2 basiertem System gemacht werden, bei

dem es durch Komplexbildung von funktionellen Gruppen zur Veränderung der mechanischen

Eigenschaften kommt. Entscheidend für das Ergebnis ist, neben der Konzentration der Lösung, vor

allem die Art der Aufbringung. Der direkte Druck in ein mit Calciumchlorid gefülltes Gefäß hat sich früh

als impraktikabel erwiesen, da das Gel durch den hohen Wasseranteil in der Lösung unkontrolliert

aufquillt. Experimentelle aktuelle Lösungsansätze sind der Druck in einem CaCl2-Nebel durchfluteten

Raum bzw. die kontrollierte Aufbringung durch Sprühgänge zwischen den jeweiligen Schichten.

Vorteile gegenüber der Verwendung von Scaffolds sind unter anderem das Wegfallen der Limitationen

bei der Auswahl und Verträglichkeit der biokompatiblen Materialen für die Stützgerüste, inklusive

Degradationskinetik und Abbauprodukte. Darüber hinaus können wesentlich höhere physiologische

Zelldichten erreicht werden und Zell-Zell-Interaktionen verbessert werden. [21,22,24]

Ein zunehmendes Interesse und Fortschritt in diesem Bereich des Tissue Engineering kann durch

Zunahme der Publikationen und Forschungsgruppen beobachtet werden. Beispielweise

veröffentlichte ein Team um Cyrille Norotte ihre Ergebnisse zur Generierung von tubulären Strukturen

als vaskulärer Gewebeersatz (siehe Abb. 2.5). Durch die simultane Verwendung von zwei Druckköpfen

wurden Schichten aus Zylindern mit zellbeladenem Hydrogel und zellfreiem Stützmaterial auf Basis

von Alginat aufgebaut. Nach ausreichender Kultivierung und damit eingehenden Verknüpfung der

korrespondierenden Zylinder wird das Stützmaterial entfernt und das hohle röhrenförmige Gewebe

gewonnen. [24]

Abb. 2.6: Bioprinten von tubulären Strukturen aus zellulären Zylindern A) Schematischer Bauplan, B) Schichtweise Auftragung, C) Bioprinter, D) Druckergebnis, E) Endprodukt



Manu S. Mannoor et al. erforschten in ihrer Publikation 2013 die Möglichkeit der dreidimensionalen

Verwebung von biologischem Gewebe mit funktionaler Elektronik. Diese künstlichen Organe besitzen

in der nahen Zukunft das Potential zur funktionalen Überlegenheit gegenüber ihrer natürlichen

Pendants. Als Machbarkeitsnachweis generierten sie einen Prototypen eines bionischen Ohres aus

einer Kombination von zellbeladenem Hydrogel als formgebende Matrix, vermischt mit einem

Polymer aus leitenden Silbernanopartikeln und einer mit Knorpelzellen ummantelten induktiven

Antenne (siehe Abb. 2.7). [25, 26]

Stephanie Knowlton et al. publizierten im Juli diesen Jahres zu den Vorteilen und neuen Chancen die

der 3D-Druck im Bereich der Krebsforschung eröffnet. Die im Moment weitflächig verwendeten 2D

Krebsmodelle zeigen nachweislich andere Eigenschaften auf nahezu allen Ebenen der Zellorganisation.

Darunter sind Faktoren wie die Gen- und Proteinexpression, Migrationsverhalten, Morphologie,

Viabilität und das Ansprechverhalten auf Medikamente. Für eine effektive Grundlagenforschung und

Medikamentenstudien ist ein möglichst realitätsnahes Model essenziell und die aktuellsten Ergebnisse

mit künstlich generierten dreidimensionalen Krebsgeweben zeigen bereits hohes Potential ihre 2D

Gegenstücke in der nahen Zukunft obsolet zu machen. [27]

Die Firma n3D Biosiences, Inc. bietet bereits ein 3D-System auf Basis von magnetischen Nanopartikeln

(siehe Abb. 2.8) zur Organisation von Zellverbänden in Multiwellplatten an. Dieses soll beispielsweise

Toxizitätsscreenings in hohem Durchsatz anhand von 3D-Gewebestrukturen ermöglichen, wie es in

einer Publikation von David M. Timm et al. (2013) näher erläutert wird. Nachteil gegenüber den

zukünftig Perspektiven die das FDM orientierte 3D-Bioprinting haben wird sind u.a. die stark

eingeschränkte räumliche Gestaltung, Skalierbarkeit und Möglichkeit zur simultanen Verwendung

mehrerer Zellarten. [28, 29]

Abb. 2.7: 3D gedruckter Prototyp eines bionischen Ohrs

Abb. 2.8: "Magnetic Levitation" Konzept der Firma n3D Biosiences

Aufgabenstellung


3. Aufgabenstellung

Im Folgenden soll der Entwicklungsstand zu Beginn dieser Arbeit vorgestellt und durch den Versuch

einer Validierung des Konzepts eine Anforderungsliste für einen neuen Prototyp erstellt werden.

3.1 Vorstellung der Ausgangsbasis des Konzeptes eines Druckkopfes

Das Projekt einen mechanischen Extruder für den Bioprinter des CANTER zu erstellen, wurde in dem

vorhergehenden Semester durch Simson Huber bearbeitet und resultierte ein zu validierendes

Konzept. Unter anderem durch Verwendung einer wertenden Anforderungsliste und einem hierzu

ausgearbeiteten morphologischen Kasten, wurde ein passendes Antriebskonzept ausgewählt und ein

erster Prototyp konstruiert. [30]

Durch eine motorbetriebene Spindel wird ein Schlitten bewegt, welcher den Kolben einer

handelsüblichen auswechselbaren Spritze ausdrückt, um das zellbeladene Gel zu verdrucken.

Mit Hilfe einer uniformen Grundplatte soll ein schneller Wechsel zwischen verschiedenen Druckköpfen

möglich sein. Auf Lösungen für Rückziehbarkeit der Spritze und einer Temperierung wurde zu diesem

Zeitpunkt verzichtet. Abbildung 3.1 zeigt eine 3D-Darstellung des fertigen Prototyps. [30]

Abb. 3.1: Konzept eines mechanischen Extruders, konstruiert von Simon Huber

Aufgabenstellung


In der Zeit bis zur Aufnahme des Projekts durch den Verfasser, wurden bereits einige Verbesserungen

durch das Team vorgenommen, bevor alle nötigen Teile bestellt bzw. zur internen Fertigung

freigegeben wurden. Die Änderungen beziehen sich auf Aussparrungen im Aluminiumrückgrat, zur

Gewichtseinsparung und der Konstruktion eines optimierten Schlittens, der den Spritzenkolben oben

fest arretieren soll. Darüber hinaus ist bei der unteren Spritzenhaltung, statt dem vorgesehenen

Klemmstück, auf ein System aus Neodym-Magneten umgestellt worden, um die Handhabung zu

erleichtern.

Siehe Abb. 3.2 für eine 3D-Darstellung der Konstruktionsdaten des überarbeiteten Prototyps und

Detailaufnahmen der wichtigsten zusätzlichen Eigenschaften.

Nach einer kurzen Vorstellung, der in dieser Arbeit verwendeten Materialien und Methodik, soll in

einem nächsten Schritt der Versuch der Validierung dieses aktuellen Konzeptes gestartet werden.

Abb. 3.2: Konzept eines mechanischen Extruders nach Überarbeitung (durch S. Schwartz und J. Thaler des CANTER) A) Gesamtansicht, B) Detailansicht Spritzenklemmung, c) Detailansicht obere Arretierung

A

B C

Material und Methoden


4. Material und Methoden

4.1 SolidWorks und Cura

Die Ausfertigung der Konstruktionen mit 3D-CAD findet in der Forschungsabteilung mit Hilfe von

SolidWorks, des Softwareunternehmens „Dassault Systèmes SolidWorks Corp.“ statt. Durch die

verhältnismäßig intuitiv aufgebaute Bedienungsoberfläche und den Einsatz der inhaltlich

eingeschränkteren Version SolidEdge in vorangehenden Lehrveranstaltungen in der Hochschule, ist

eine verringerte Einarbeitungszeit bei vollständig ausreichender Funktionalität innerhalb des CANTER

gewährleistet. So entstandene Konstruktionsdateien werden anschließend in ein für die Slicer-

Software verwendbares Format (hier: *.STL) überführt. [31]

Ziel der für den in der Abteilung verwendeten und herstellerseitig empfohlenen Slicer-Software Cura

ist es die Konstruktionsdaten in Befehlszeilen für den tatsächlichen Druckprozess, Schicht für Schicht

zu übersetzen („slice“ englisch für Scheibe/Schicht)(siehe Abb. 4.1). Durch die hierbei definierten

Verfahrenswege, Verfahrensgeschwindigkeit und Extrusionsmenge wird die Auflösung (=Schichtdicke)

definiert. Prinzipiell ist der ideale Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Druckqualität für die

jeweilige Anwendung eingehend empirisch zu ermitteln und folgend dem Anspruch an das zu

fertigende Teil und den verfügbaren Zeitrahmen anzupassen. Darüber hinaus ist die Software dafür

zuständig, die vorwiegend von SolidWorks als Vollkörper übernommenen Objekte in Hohlkörper mit

variabel definierbaren Wandstärken zu überführen, die Hohlraum mit angemessener Füllstruktur zur

Erhöhung der internen Stabilität zu füllen und Konstruktionen mit Überhang gegebenenfalls durch

temporäre Stützgerüste zu sichern. [32]

Eine genaue Abstimmung der verwendeten Software auf die Hardware ist ein wichtiger Prozess zur

Etablierung einer effektiven Fertigungsanlage, die exakt arbeitet und wertige, reproduzierbare Teile

liefern soll.

Abb. 4.1: Schematischer Übergang der in SolidWorks erzeugten STL Datei in einen G-Code durch Cura



4.2 Ultimaker² + PLA

Das CANTER verfügt über einen eigenen 3D-Drucker, um den Entwicklungsprozess maßgeblich zu

beschleunigen, da so für einen Großteil der benötigten Teile nicht auf externe Lieferanten

zurückgegriffen werden muss. Dadurch entfallen eventuell anfallende Lieferzeiten und auch die

Produktionskosten werden dauerhaft gesenkt.

Bei der Anschaffung eines Druckers wurde sich für den Ultimaker 2 der Firma Ultimaker entschieden,

da hier das Preis-Leistungs-Verhältnis für die aktuelle Anwendung ideal ist. Er kommt durch seine hohe

Auflösung von bis zu 20 Mikrometern, Druckgeschwindigkeiten von bis zu 300m/s und seinem

intuitiven LCD-Interface sowohl dem Streben nach zügig erstellten hochwertigen Druckergebnissen,

als auch der einfachen Handhabung durch das gesamte Personal nach. Ferner lässt sich durch eine

variable Düsentemperatur von bis zu 260°C eine Vielzahl von Materialien verwenden. [33]

Durch die Erweiterung mit einem beheizten Druckbett, für den die Steuerung bereits werkseitig

integriert ist, wurde der Fertigungsprozess weiter optimiert. In der Zukunft ist eine Testreihe mit

verschiedenen Druckplattenmaterialien geplant, um so eventuelle Vorteile von z.B. Carbon gegenüber

der derzeit verwendeten mit Kaptonklebeband (nähere Erläuterung in Kapitel 7) beschichteten

Glasplatte zu ermitteln.

Abgesehen von der regelmäßigen Wartung, wie der Kalibrierung des Druckabstandes und der

Materialwechsel, läuft der Druckprozess nach Eingabe des in Cura erstellten G-Codes, gespeichert auf

einer handelsüblichen SD-Speicherkarte, vollautomatisch ab (siehe Abb. 4.2). Im Anschluss an einen

kurzen Abkühlprozess kann der Druck zur Verwendung bzw. weiteren manuellen Bearbeitung

entnommen werden.

Als Druckmaterial wird PLA (=Polylactide) Filament in der Stärke 2,85mm verwendet, ggf. in der

hitzebeständigeren „HT“ Version, wenn es die Anforderungen an ein Werkstück erfordern.

Abb. 4.2: Schematischer Übergang von G-Code in ein reales Bauteil durch den Ultimaker2



4.3 Manuelle Nachbearbeitung der Druckteile

Unter der manuellen Nachbearbeitung der Druckteile versteht man unter anderem das Entfernen von

überschüssigem Stützmaterial, das lediglich den Druckprozess positiv beeinflussen soll und nicht

direkter Bestandteil des Endproduktes ist. Des Weiteren gilt es teilweise entstehende unerwünschte

Oberflächenstrukturen zu glätten und eventuelle Gräte zu entfernen um die spätere Handhabung zu

verbessern und Angriffsflächen für mögliche Defekte durch Ausbrechen zu minimieren.

Da der Druckprozess gewissen Toleranzen unterworfen ist, kommt es oft vor, dass Bohrungen etwas

nachgearbeitet werden müssen. Die Konstruktion von absichtlich minimal zu kleiner Bohrungen mit

anschließender Aufbohrung ist der Überdimensionierung mit eventuell zu geringer Kontaktfläche mit

Bolzen/Wellen z.B. bei Presssitzen zu bevorzugen, um einen ausreichenden Kraftschluss

sicherzustellen.

In der folgenden Abbildung sind Teile direkt nach dem Druckprozess, nach Ablösung von der

Druckplattform und Wenden auf die Unterseite, zu sehen. Darüber hinaus eines der Teile während der

anschließenden manuellen Ausarbeitung – hier sind die Lagen des Stützgerüstet gut zu erkennen.

Abb. 4.3: Druckteile direkt nach der Fertigung (A) und bei der manuellen Entfernung des Stützgerüstes (B)

A

B



4.4 Übernommene Kaufteile für den Prototypen

Schrittmotor Aktuator NEMA 17 mit integrierter Spindel (nach Spezifikationen von Simon

Huber gefertigt). Der Linear-Hybrid-Aktuator mit der Bezeichnung „NEMA 17“ wurde inklusive

integrierter Spindel und Kunststoffmutter von dem Hersteller „A-Drive Technology GmbH“

bezogen.[30, 34]

Die Ansteuerung übernimmt die im 3D-Bioprinter derzeit integrierte Steuerung, die in der Lage ist die

Schrittauflösung um den Faktor 4 zu erhöhen. Mit Hilfe des Datenblattes wird die zu Erwartende

Extrudierte Menge durch die in dem Labor angestrebte Spritzenspitze berechnet. Zu beachten sind

gewisse Toleranzen bei der Fertigung aller Teile und damit den Werten für die Einwegspritze, Kanüle

und Spindelsteigung.

Bei 400 Schritten pro Umdrehung ergeben sich 0,9° und 0,0030mm Spindelsteigung h1 pro Schritt. Mit

einem Spritzeninnenradius r1 von 7,5mm und 0,205mm Radius r2 für eine schwarze Kanüle (Gauge 22)

ergibt sich für das in der Spritze verdrängt Volumen pro Schritt: [35]

𝑣 = 𝜋 ∗ (𝑟1)2 ∗ ℎ1 = 𝜋 ∗ (7,5𝑚𝑚)2 ∗ 0,0030𝑚𝑚 = 40,14𝑚𝑚³

h2 = ¼ ∗40,14𝑚𝑚³

𝜋 ∗ (0,205𝑚𝑚)² ≈ 76mm

In dieser Kombination müsste der Druckkopf also pro Schritt den Weg von 76mm abfahren um einen

Zylinder mit dem Radius 0,205mm zu verdrucken. Sollte die extrudierte Menge in der Praxis zu hoch

sein empfiehlt sich eine elektronische Untersetzung durch einen geeigneten Schrittmotortreiber um

die Auflösung des Linearmotors zu erhöhen und/oder eine andere Kanüle zu verwenden.

Präzisions-Wellenstahl in den Dimensionen 171mm (Länge) x 6mm (Durchmesser), Werkstoff

CF53, gehärtet und geschliffen der Firma Mädler [30]

Linearkugellager, Typ LM6UU [30]

ENSAT-S Gewindeeinsätze der Firma Kerb Konus [30]

Abb. 4.4: Übersicht von Beispielfotos der Kaufteile in Reihenfolge ihrer Erwähnung A) Schrittmotor, B) Wellenstahl, C) Linearkugellager, D) Gewindeeinsätze

A B

D C



4.5 Schematische Aufbau des 3D-Bioprinter

Das Labor verfügt der derzeit über zwei prinzipiell unterschiedliche 3D-Bioprinter (siehe Abb. 4.5).

Neben dem ersten Drucker, der auf Basis eines Laser-Sinter-Druckers modifiziert wurde, ist durch

interne studentische Entwicklung ein Prototyp der neuen Generation entstanden. Dieser dedizierte

3D-Bioprinter inkorporiert die kumulierten Erfahrungen mit dem ersten experimentellen Drucker und

wird laufenden weiter an die Anforderungen des Tissue Engineering angepasst. In Kürze wird bereits

eine zweite Ausführung vorhanden sein um die Forschung weiter zu beschleunigen. Dieser Typ von

CANTER Bioprinter ist auf Open Source Software aufgebaut und besteht, neben normierten weltweit

in der Regel leicht verfügbaren Kaufteilen, vor allem aus Teilen die von jedem handelsüblichen

Kunststoff 3D-Drucker erstellt werden können. Somit wird aktiv das Ziel verfolgt einen praktisch

jederzeit verhältnismäßig einfach, schnell und kostengünstig replizierbaren 3D-Bioprinter zu

entwickeln. Hierbei soll der Grundstein gelegt werden, um eine rasche zukünftige Forschung mit einem

freien Austausch innerhalb der wissenschaftlichen Gesellschaft zu ermöglichen.

Im Folgenden soll noch etwas näher auf den experimentellen Bioprinter eingegangen werden, da der

mechanische Extruder vorwiegend hier vorgesehen ist in Verbindung mit weiteren Projekten wie einer

neuen Art der automatisierten Quervernetzung der gedruckten Gele. Die offene Bauweise und der

großzügige Platz für Versuchsaufbauten prädestinieren den ersten Drucker für dieses Projekt.

Der aus kräftigen Aluminium Schnellbauprofilen gefertigte Rahmen trägt die sehr präzise verfahrende

Kugelumlauf-Führungen zur mechanischen Ausführung der einzelnen Achsen. Sowohl die X- als auch

Y-Achse bewegt den Druckkopf, wohingegen die Z-Achse durch heben bzw. senken der Bauplattform

erzielt wird. Ohne vorhandene Positionsabfrage der Achsen, verlässt sich das System auf

Endkontaktschalter an allen notwendigen Stellen, um Beschädigungen zu verhindern. Im Gegensatz zu

dem neuen kompakten Prototypen ist dieses Modell in der Lage bleibenden Schaden an allen

Bauteilen, im Falle einer unkontrollierten Fehlfunktion, zu verursachen und bedarf deshalb dieser

Vorkehrungen. Selbige Kontaktschalter dienen ebenfalls dazu die Home-Position (=Ausgangsposition)

anzufahren. In seiner derzeitigen Bestückung verfügt der Drucker über einen maximalen Druckraum

von 100mm x 100mm x 150mm. [36]

Abb. 4.5: Die 3D-Bioprinter Prototypen des CANTER A) Experimenteller Bioprinter, B) neuer Prototyp des CANTER Bioprinters

A B

Versuch der Validierung des übernommenen Konzepts


5. Versuch der Validierung des übernommenen Konzepts

Nachdem eine Eingangskontrolle aller Kaufteile zur Zufriedenheit erfolgt ist, sollen im nächsten Schritt

die ersten Teile mit Hilfe des Ultimaker² gefertigt werden. Hierbei zeigten sich sofort einige

Besonderheiten dieses Fertigungsprozesses.

Erstens ist zu erwähnen, dass für ein strukturell integres Produkt ein konstruktionelles Runden

sämtlicher scharfer Kanten essenziell ist, um der möglichen Ablösung einzelner Schichten vorzubeugen

und insgesamt die Stabilität zu erhöhen. Darüber hinaus kommt es durch den Abkühlprozess zu einem

gewissen Schrumpfen der Teile, das vor allem bei Bohrungen wahrgenommen werden und einen

geplanten Zusammenbau verhindern kann. An diesem Punkt angelangen gilt es, sich zwischen einer

Anpassung des Bauplanes, inklusive eines neuen Druckversuchs oder der manuellen Erweiterung durch

Aufbohren der fehlerhaften Bohrungen, abzuwägen. Letzteres birgt das Potential, die oft aus Gründen

der Produktionsgeschwindigkeit, Material- und Gewichtsersparnis relativ dünn gewählte Wandstärke

gefährlich zu reduzieren, mit entsprechenden Folgen für den Formerhalt des Werkstückes.

Infolge dieser Erkenntnis wurden einige Probeteile vermessen und deren Ist-Werte mit den Soll-

Werten der Konstruktionszeichnungen verglichen um einen möglichen Korrekturfaktor, nominal oder

prozentual, zu ermitteln. Diese empirische Ermittlung ergab für den ausschließlich im Folgenden

eingesetzten Ultimaker² (da Abweichungen selbst zwischen unterschiedlichen Exemplaren desselben

Typs nicht auszuschließen sind) und Software, in dem relevanten Bereich der Größenordnungen eine

Abweichung von 0,25mm im Durchmesser.

Die für den Fertigungsprozess korrigierten Teile konnten nun gedruckt und zur Validierung

zusammengebaut werden. Hierbei wurden folgende Erfahrungen gemacht:

1. Die Ensat Gewindeeinsätze sind für diese Anwendung nur bedingt zu empfehlen. Sie erfordern

ein zeitaufwendiges Schneiden von Gewinden in die PLA-Grundplatte. Die dadurch verringerte

Wandstärke wird durch die Gewindeeinsätze und das anschließende Montieren von Bauteilen

und Schrauben überbelastet und neigt zum Einreißen, so dass eine exakte Führung nicht sicher

gewährleistet werden kann.

2. Die vorgesehenen Halteplatten scheinen konstruktionsbedingt bereits einen ausreichenden

Presssitz für die Führungswellen zu haben, ohne das die passenden Schrauben zur

Verspannung eingesetzt werden.

3. Das Rückgrat und die Halteplatten sind insgesamt unverhältnismäßig massiv gewählt

4. Die Grundplatte ist nicht deckungsgleich mit der Aufnahme der im Labor vorhandenen Drucker

5. Die Durchgangsbohrungen um die Grundplatte an den Extruderschlitten des Druckers zu

verschrauben sind in ihrem Durchmesser als Gewindebohrung ausgelegt

6. Es ist kein Platz für Unterlegscheiben bei der Montage des Motors vorgesehen

Da es ernsthafte Bedenken über eine Verwendung des Druckkopfs in dieser Ausführung gibt, weil das

Gewicht fertig zusammengebaut mit erwarteten fast 1 kg und der hohe Schwerpunkt die derzeitige

Aufnahme beschädigen könnte. Beziehungsweise ist zu erwarten, dass die Pendelneigung bei den

schnellen Druckbewegungen mindestens langfristig zu einem Ermüdungsbruch der Aufnahme und

kurzfristig zu unpräzisen Druckergebnissen führen würde.

Unmittelbares Potential zur Gewichtsreduzierung stellt die Wegrationalisierung des

Aluminiumrückgrates inklusive dem oberen Klemmenhalter inklusive der Befestigungsschrauben dar,

um eine zeitnahe Montage und erste Probe des Antriebskonzeptes zu ermöglichen (siehe Abb. 5.1).



Ziel der ersten eigeneständigen Konstruktion ist ein kompakter stabiler Halter zwischen Grundplatte

und dem unteren Klemmenhalter. Nach Konstruktion mit Hilfe der bekannten Korrekturfaktoren für

den verwendeten Ultimaker², wurde dieser gedruckt und das Rückgrat des Druckkopfes ersetzt.

Abb. 5.2: Detaildarstellung des „Halter Mini“ (A) und Wiegen des umgebauten Druckkopfes (B)

Abb. 5.1: Wiegen des fast vollständigen Druckkopfes (A) und des potentiellen Gewichtsersparnisses (B)

A B

A B



Im direkten Vergleich konnten so circa 310 Gramm eingespart werden, was etwa einem Drittel des

Gesamtgewichts entspricht. Abbildung 5.2 zeigt eine 3D-Ansicht des neuen Halters und das neue

Gewicht des zum gleichen Grad wie zuvor montierten Prototyps.

Der Zusammenbau der Magnetklemmvorrichtung für den Korpus der Spritze durch Einkleben von

leistungsfähigen Neodym-Magneten zeugte von dem hohen Potential dieser Art von Kraftschluss für

das Projekt. Eine spielfreie Einfassung der Spritze blieb jedoch aus. Ein eingeklebtes Stück Moosgummi

oder etwas Vergleichbares müsste für eine ausreichende Sicherheit des Spritzengehäuses sorgen. Eine

exakte Konstruktion ohne Gummieinsatz ist auf Grund der Streuung der Durchmesser der

Einwegspritzen hier nicht ohne weiteres möglich.

Die improvisierte Ansteuerung des Motors über den Bioprinter erfolgte erfolgreich und wurde so im

Team als vorläufiges „Proof of Concept“ (dt.: Machbarkeitsnachweis) für das Motor- und

Steuerungskonzept ausgelegt und eine Neukonstruktion mit einer überarbeiteten und erweiterten

Anforderungsliste beschlossen. Für den Probelauf des Motors musste der Kolbenschlitten manuell

angepasst werden, da dieser sonst bei zunehmend entleerter Spritze in die Halteschrauben des

Rückgrats stieß.

Neuerungen sollten unter anderem die ursprünglich geplante Heizung, eine beidseitige Arretierung

der Spritze, die aktuelle Grundplatte und eine allgemeine Minimierung der Baugröße/höhe, Teilezahl,

Montageaufwand und vor allem aber auch Gewicht und Schwerpunkt umfassen.

Konzeption und Konstruktion eines neuen Prototypen


6. Konzeption und Konstruktion eines neuen Prototypen

Auf Grund der Erfahrungen mit dem ersten Prototyp, durch CANTER-interne Meetings und Absprachen

wurden Kriterien für einen neuen Prototyp geschaffen.

Die erweiterte Anforderungsliste umfasst folgende Punkte:

Aktualisierung der Grundplatte

Optimierung für den 3D-Druck -> Minimierung speziell angefertigter Kaufteile

Vollständige Entleerbarkeit der Einwegspritze -> Material- und Kosteneinsparung

Etablierung der Retraction Funktion durch beidseitige Arretierung der Spritze

Automatisierung des Spritzenwechselprozesses

Positionsabfrage/ -sensor bzw. Kalibrierungsmöglichkeit auf Home Position

Notschalter/kontakte um Beschädigungen des Druckkopfes vorzubeugen

Eliminierung der Hebelwirkung durch den Spalt zwischen Rückgrat und Grundplatte

Erweiterbarkeit durch zusätzliche Module z.B. zur Quervernetzung der Gele

Integration einer gesteuerten Heizung der Biotinte

Minimierung von Gewicht, Bauhöhe, Schwerpunkt und Pendelneigung

Einhaltung der derzeit vorliegenden bauraumbedingten Limitationen im neuen 3D-Bioprinter

6.1 Neudesign der Grundplatte Um den neuen Ansprüchen möglichst genau zu entsprechen, wird in einer schrittweisen Evolution eine

neue Grundplatte entwickelt.

In einem ersten Schritt wird ein passendes Gegenstück zu dem aktuellen Aufnahmeschlitten des 3D-

Bioprinters erzeugt, um die Grundfläche zu aktualisieren und eine exakte Passung zu ermöglichen.

Ebenfalls ist die zentrale Lage der Motorspindel in der Grundplatte und der horizontale Abstand zur

Mitte des Spritzenkolbens durch den verfügbaren Bauraum und die geleistete Vorarbeit diktiert und

wird passend auf das neue Konzept übertragen. Abbildung 6.1 zeigt eine erste Ansicht der neuen

Grundplatte. Hier ist der Motor bereits weiter nach unten versetzt an der Grundplatte montiert

vorgesehen.

Abb. 6.1: Die erste Evolutionsstufe der Grundplatte. A) Oberseite, B) Unterseite

A B

Bohrungen zur Verschraubung des Motors



Als eine der wichtigsten Neuerung des Designs sollen die Führungswellen direkt in die Grundplatte

montiert werden. Hierzu sind Bohrungen für einen Presssitz der Wellen vorgesehen, die über eine

Brücke oberhalb der Motorbohrung miteinander verstrebt und somit versteift werden soll. Dieses

Konzept vereint gleichzeitig mehrere Kriterien der Anforderungsliste. Durch das Wegfallen des

massiven Rückgrats aus Aluminium und der dazugehörigen beiden speziell angefertigten

Halteklammern kann sowohl Gewicht, Bauraum, Kosten und Produktionszeit gespart werden und eine

Auslegung des Designs auf die hauseigene Produktion mit Hilfe der 3D-Druck-Technologie findet statt.

Ebenfalls wird der Spalt zwischen Klemmhalter und Grundplatte des ursprünglichen Prototyps und die

damit eingehende Hebelwirkung eliminieren. Darüber hinaus wird jetzt eine Ummantelung der Spritze

mit Vorkehrungen für eine integrierte Heizung konstruiert, die sich an das Konzept des bereits in der

Forschungsgruppe etablierten pneumatischen Extruders orientiert. In dem Kapitel 7.2 „Zusammenbau

des Heizelementes“ wird näher auf diesen Aspekt eingegangen. Dieser nun vorliegende Rohbau des

Konzepts wird in Abbildung 6.2 dargestellt.

6.2 Optimierung des Druckkopfdesigns auf den 3D-Druck In einem weiteren Schritt werden alle Vorkehrungen für einen Ausdruck der Konstruktion getroffen.

Dies geschieht, um dem Team einen theoretisch nutzbaren Prototypen vorstellen zu können. Hierbei

gewonnenes Feedback zu der bisherigen Herangehensweise und der zusätzlicher Wissensgewinn über

den weiteren Verlauf des Projektes sollen die Generierung eines für alle Beteiligte und zukünftige

Nutzer zufriedenstellenden Prototyps sicherstellen.

Die Fokussierung auf die Fertigung durch 3D-Druck stützt sich auf die nachhaltigen Vorteile in Bezug

auf Produktionsgeschwindigkeiten, der freieren gestalterischen Vielfalt und damit einhergehenden

Flexibilität bei der Konstruktion und konstanten zukünftigen Optimierung des Prototyps.

Hierzu gehört das Runden jeglicher Kanten, das sich in hohem Grad an der Ausarbeitung der

Wellenbrücke erkennen lässt (siehe Abb. 6.3). Ebenfalls wurde das Kompartiment der Spitzenheizung

um 90 Grad gedreht, um den für die Halterung im Drucker nötigen Raum freizugeben. Zusätzlich sind

so die vorgesehenen zwei Bohrungen für die Klemmung der Heizung (oben in der Seitenwand) und

wichtiger, die unterste Bohrung für die Anbringung eventueller zusätzlicher Module, auch im

eingebauten Zustand, leichter zugänglich.

Abb. 6.2: Die zweite Evolutionsstufe der Grundplatte inkl. Heizungsgehäuse und Wellenbrücke

Wellenbrücke

Heizungsgehäuse



Durch einen regen Austausch von Ideen und Feedback, konnte nach Studium der aktuellen

Konstruktionsentwürfe innerhalb des Teams folgende konstruktive Kritik gesammelt werden:

Notwendigkeit einer Wellenbrücke am oberen Ende der Führungswellen zur zusätzlichen

Versteifung und Sicherstellung eines idealen Laufes des Kolbenschlittens

Weitere Reduzierung der Bauhöhe und des Schwerpunktes durch Versetzung des Motors und

der Wellenbrücke nach unten

Idealerweise die Schaffung einer ebenen Oberfläche auf der Oberseite um die Produktion zu

Vereinfachen und (Stütz)Material einzusparen

Vorsehung von Kabeldurchführungen durch die Grundplatte

Zusätzliche Aussparung des Spritzenheizungsmantels um den Wellen des Extruderschlittens

des 3D-Druckers auszuweichen

Mit Hilfe dieser neuen und den vorhandenen Anforderungen wird die Konstruktion weiter verfeinert

und erweitert.

6.3 Arretierungskonzept des Spritzentanks in der Grundplatte Um die Arretierung des Spritzenkolbens an der Grundplatte zu gewerkstelligen ist eine

halbkreisförmige Anordnung von bis zu acht Neodym-Magneten vorgesehen, um eine an die Spritze

anzubringende Halterung aufzunehmen. Zusätzliche Durchgangsbohrungen sollen die Kabelführung

durch die Grundplatte ermöglichen. Der Versatz der Wellenbrücke inklusive der Motorhalterung nach

unten, bündig zur Oberfläche der Grundplatte, ermöglicht die gleichzeitige Erfüllung mehrerer

relevanter Kriterien. Neben der Einsparung von Stützmaterial bei der Herstellung, wird der

Schwerpunkt positiv beeinflusst und eine noch stabilere Verbindung zwischen den Führungswellen

geschaffen.

Des Weiteren wird das neue Design, durch Integration eines Miniaturkontaktschalters in die

Grundplatte, dem Anspruch nach einem Notschalter für den Kolbenschlitten gerecht. Besagter Schalter

wird durch ein Relais zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Funktionen erfüllen können und so

auch zur Steuerung eines für später geplanten automatisierten Spritzenwechsels dienen.

Abb. 6.3: Die dritte Evolutionsstufe der Grundplatte. Optimiert für den 3D-Druck.

Heizungsgehäuse

um 90Grad gedreht

Optimierte

Wellenbrücke

Alle Kanten gerundet



Nach konstruktiver Freigabe des für die Wellen des Extruderschlittens notwendigen Raum und die

Anpassung aller Kanten und Maße an den 3D-Druckprozess steht der vorläufig fertige Prototyp der

Grundplatte nun zur Ansicht in Abbildung 6.4 und 6.5 zur Verfügung.

Abb. 6.5: Ansicht der Unterseite des fertigen Prototyps der Grundplatte

Abb. 6.4: Ansicht der Oberseite des fertigen Prototyps der Grundplatte

Kabeldurchführung Gehäuse für den Tastschalter

Magnetaufnahmen

Bohrungen zur

Befestigung der Heizung

Bohrung für

Erweiterungen

Aussparung für die Druckerwelle

Verstärkung um Welle

Planare Oberfläche



6.4 Konstruktion der Spritzenhalterung zur Arretierung des Spritzentanks In einem nächsten Schritt wird eine, zu der Magnetaufnahme deckungsgleiche, Spritzenhalterung

konzipiert. Diese soll ein einfaches Aufstecken und Wiederabnehmen von der Einwegspritze

ermöglichen und trotzdem sicheren Halt zwischen der Halterung und der Spritze, respektive der

Halterung und der Grundplatte gewährleisten.

Hierzu wurde ein teilkreisförmiger in sich teilweise geschlitzter Aufbau gewählt, der sich schnell und

leicht um die Flügel genormter Einwegspritzen schieben lässt und durch für ihre Größe kräftige

Neodym-Magneten an der Grundplatte arretiert werden kann. Hierfür nötige Scheibenmagneten

wurden in einer Dimensionierung von 6,0 x 2,0 mm aus N45 Nickel mit einer Haltekraft von 700g

ausgewählt. Diese bieten einen idealen Kompromiss aus Durchmesser, Tiefe und Kraft für die gewählte

Anwendung. [37]

Durch exakte Vermessung aller relevanten Komponenten und Konstruktion, mit Hilfe der ermittelten

Korrekturfaktoren und Einbringung der Erfahrung aus dem vorhergehenden Konstruktionsprozesses

konnte zügig ein funktionsfähiger Prototyp erstellt werden. Folgend wird der Prototyp der

Spritzenhalterung in Abbildung 6.6 in zwei Ansichten und zur besseren Visualisierung der Verwendung

und Passung auf der Grundplatte zusammen mit dieser in Abbildung 6.7 dargestellt.

Abb. 6.7: Darstellung der kongruenten Magnetreihen und Passung von Halterung und Grundplatte

Abb. 6.6: Prototyp der Spritzenhalterung. A) Unterseite, B) Oberseite

A B



6.5 Integration von Kontaktschaltern in des Designkonzept Zur Realisierung der Notschalter bzw. einer Möglichkeit zur Kalibrierung wurden Miniaturtastschalter

der Maße 6x6x4,3mm ausgewählt, für die jeweils in der Grundplatte und der Wellenbrücke oben ein

nötiges Gehäuse vorgesehen wurde. [38]

Vorteile gegenüber anderer denkbarer Lösungen, welche im Vorhinein einzeln abgewogen wurden,

sind vor allem die geringe Größe und Gewicht. Darüber hinaus sind einfache Verfügbarkeit,

Anwendung und sehr niedrige Anschaffungskosten ebenfalls im Einklang mit dem Open-Source

Projekt.

Anbei ein Auszug aus dem Prozess der Lösungsfindung:

Lösungskonzept „Lichtschranke“:

Anbringung zweier Laserschranken und einer jeweils korrespondierenden Nocke, als Stoppkontakt an

oberem und unterem Ende.

Vorteile:

Kontaktlose Auslösung -> keine Kraftübertragung nötig

Nachteile:

Höheres Gewicht

Größerer Platzbedarf

Höhere Anschaffungskosten

In unserer speziellen Anwendung überwiegen die Nachteile.

Lösungskonzept „Laserdistanzmessung“

Anbringung eines Laserdistanzmessgerätes an die Grundplatte, der die Distanz zum Spritzenschlitten

misst, bei bekanntem Abstand der oberen Wellenbrücke.

Vorteile:

Kontaktlose Auslösung -> keine Kraftübertragung nötig

Kontinuierliche Messergebnisse/Distanzabfrage

Nachteile:

Aufwendigere Steuerung zur Signalabfrage

Hohe Anschaffungskosten

Höheres Gewicht

Größerer Platzbedarf

Unverhältnismäßige Funktionalität für diese Anwendung. Die Nachteile überwiegen hier.



6.6 Konstruktion der oberen Wellenbrücke Als nächstes Teil wird eine obere Wellenbrücke konzipiert und konstruiert. Diese soll vor allem den

gleichmäßigen, spielfreien und reibungsarmen Lauf des zukünftigen Spritzenschlittens gewährleisten.

Darüber hinaus soll ein weiterer Stoppkontakt integriert werden, um einen sicheren oberen

Anschlagpunkt zu haben. Letzteres ermöglicht nun eine Kalibrierung des Schlittens in beide Richtungen

und wird Teil der Steuerung für den Spritzenwechsel sein.

Die folgende Abbildung 6.8 stellt die schrittweise Evolution des Designs, analog zu der bisherigen

konstruktiven Vorgehensweise, dar. Angefangen von einem groben Schema, lediglich mit den nötigen

Bohrungen, wird in einem mehrstufigen Prozess bis hin zum fertigen Teil, nach und nach die

Anforderungen inkorporiert.

Abbildung 6.9 liefert eine weitere 3D-Detailsansicht des fertigen Prototyps der (oberen) Wellenbrücke.

Abb. 6.9: Detailansicht des Prototyps der oberen Wellenbrücke

Abb. 6.8: Schrittweise Evolution des Prototyps der oberen Wellenbrücke

Gehäuse für den Tastschalter

Kabeldurchführung

Presssitz der Führungswelle

Aussparung der Motorspindel

Kompakte stabile Verstrebung



Zur Erfüllung der geltenden Kundenanforderungen ist eine Neukonstruktion des Spritzenschlittens

ebenfalls unumgängliche. Mit dieser wird sich der nächste Abschnitt befassen.

6.7 Anpassung des Schlittens entsprechend der veränderten Anforderungen Ausgehend von den in früheren Phasen festgelegten Maßen, Design und Kaufteilen (Gleitlager und

Motormutter) wird ein zweiteiliger Schlitten konzipiert, welcher das Einlegen eines

Einwegspritzenkolbens von oben ermöglichen soll und anschließend dennoch fest arretiert.

Die in Abbildung 6.10 dargestellte vorläufige Konstruktion löst das Problem der Arretierung mit Hilfe

einer Mischung aus einer Serie von Magneten und einer Übergangspassung, um zusätzlich Kräfte

aufzufangen. Durch die Versenkung der Motormutter in den Spritzenschlitten wird die Bauhöhe weiter

reduziert, welche vor allem durch die Größe der Mutter und Lager diktiert wird. In Kombination mit

der aktuellen Grundplatte ist die Spritze zukünftig vollständig entleerbar und hat ausreichend Fahrweg

nach oben, um einen komfortablen Spritzenwechsel zu erlauben.

Nach Ausdruck und Erprobung des Passungskonzepts, hat sich in der Praxis ergeben, dass die für einen

ideale Passung und Kraftübertragung nötigen Toleranzen für die Übergangspassung in dem genutzten

Labormaßstab nicht einzuhalten sind.

Dies zum Anlass wird ein neuer Prototyp entwickelt, der sich auf die empirisch bestätigte Verbindung

durch Magneten konzentriert, unter Wegfall der Übergangspassung. Darüber hinaus soll nun die

untere Mutterscheibe durch drei leichtere und kleinere passende selbstsichernde M3 Muttern ersetzt

werden. Ferner wird zur Realisierung eines unteren Anschlags- bzw. Kontaktpunktes ein zu dem

Miniaturschalter in der Grundplatte korrespondierendes System konstruiert. Letzteres setzt sich aus

einem Kanal für eine M3 Schraube und eine dazu passende Kammer gepresste selbstsichernde M3

Mutter zusammen und bleibt so von oben zugänglich stets einstellbar.

Abbildung 6.11 zeigt Ansichten des neuen fertigen Prototypen des zweiteiligen Spritzenschlittens.

Die darauf folgende Abbildung 6.12 zeigt das Zusammenspiel des oberen und unteren

multifunktionalen Sensorkonzepts. Hier ist bereits die zu druckende Verlängerung des oberen Tasters

zu sehen, deren Zweck die Gewährleistung der Auslösung des oberen Sensorkreises zwischen dem

Miniaturschalter und dem Kontaktpunkt auf dem Schlitten ist, vor dem eventuellen Auftreffen der

Schraubenköpfe der Motormutter. Zur Erleichterung der Trennung der beiden Komponenten ist eine

Aussparung in dem abnehmbaren Teil geplant, welche mittels passendem Schlüssel ein Aushebeln

ermöglichen wird.

Abb. 6.10: Der vorläufige Prototyp des zweiteiligen Spritzenschlittens. A) Deckel, B) Basis

A B Übergangspassung



Abb. 6.11: Ober- (A) und Unteransicht (B) des fertigen Prototypen des zweiteiligen Kolbenschlittens

Abb. 6.12: Das Zusammenspiel der beiden Miniaturschalter und Kontaktflächen

Linearkugellager

Motormutter mit Schrauben

Magnetaufnahmen

Verstellbarer Anschlag

Wellenbrücke mit Tastschalter

Unterer Kontaktschalter

Selbstsichernde Mutter M3

Eingang zur Verstellung

des unteren Anschlags

A

B



In der folgenden Abbildung 6.13, ist eine 3D-Ansicht des fertig konstruierten passenden Schlüssels zu

sehen. Zur einfacheren Trennung der Schlittenhälften wird dieser von oben eingesetzt und gedreht.

6.8 Anpassung des Extruderschlittens der Bioprinter Durch die weitereichenden Änderungen des Grundplattendesigns ist eine Anpassung des

Extruderschlittens der 3D-Bioprinter notwendig. Der ursprünglich kleinere halbkreisförmige Ausschnitt

für die Einwegspitze wurde hier durch einen an das jetzt vorhandene Heizungsgehäuse inkl.

Spritzenführung angepasste Aussparung ersetzt, wie sie in Abbildung 6.14 dargestellt ist.

Abb. 6.13: Spritzenschlitten mit eingesetztem Schlüssel. Trennung der Hälften durch Drehen des Schlüssels.

Abb. 6.14: 3D-Ansicht des umkonstruierten Extruderschlitten

Aussparung für die Spritzenheizung

Schlüssel



Dieser Schritt schließt die konstruktiven Arbeiten in SolidWorks an dem Extruder ab und liefert alle

nötigen Daten für den Ausdruck und den künftigen Zusammenbau eines Prototyps. Abbildung 6.15

zeigt mehrere 3D-Ansichten des gesamten Aufbaus, eingesteckt in den Extruderschlitten.

Abb. 6.15: 3D-Ansichten des fertigen Extruder-Prototyps. A) Seitliche Gesamtansicht, B) Draufsicht, C) Detailaufnahme der Unterseite

A

B

C

Zusammenbau des neuen Prototypen


7. Zusammenbau des neuen Prototypen

Der Prozess des Zusammenbaus der finalen Prototypen profitierte maßgeblich von allen vorher

gesammelten Erfahrungen beim Ausdruck, Nachbearbeitung und Analyse der vorläufigen Teile. Durch

die konsequente Anwendung des in Abschnitt 5 erläuterten Korrekturfaktors konnten nachträglich

nötige Erweiterungen von Bohrungen effektiv minimiert werden. Ebenfalls sind die regelmäßige

Wartung und Kalibrierung des 3D-Druckers kritische Einflussgrößen auf das Druckergebnis. Ferner ist

auf eine korrekte Funktion jeglicher Software zu achten, da fehlerhafte Konstruktionsdaten nach dem

Slicen unbefriedigende Ergebnisse zur Folge haben können. Zwei Beispiele für Druckteile mit

fertigungsbedingten Mängeln sind in Abbildung 7.1 zu sehen, welche drei Prototypen der oberen

Wellenbrücke zeigt. Hier sind bei zwei Bauteilen deutlich Druckfehler zu erkennen, welche die

strukturelle Integrität gefährden und als Sollbruchstellen fungieren (B und C). Links im Bild ist einer

früherer Prototyp Beispielhaft für ein vergleichsweise sehr gutes Druckergebnis erkennbar (A).

Darüber hinaus erneut erwähnenswert ist an dieser Stelle das ursprünglich vorgesehene Konzept zur

Verbindung der beiden Hälften des Spritzenkolbenschlittens. Wie in Abbildung 7.2 zu sehen ist, weisen

die Teile auf den ersten Blick eine hohe formtreue auf. Die Teile erreichen jedoch faktisch nicht die

nötigen Toleranzen um einen passenden Sitz und vorgesehene Kraftaufnahme durch das Einstecken

des Nockens des Deckels in die Aussparung der Basis zu ermöglichen.

Abb. 7.1: Prototypen der oberen Wellenbrücke. B) und C) mit Druckfehlern.

Abb. 7.2: Früher Prototyp der Spritzenkolbenschlittens mit Übergangspassung

A

B C

Eingebauter Tastschalter



7.1 Zusammenbau des Kolbenschlittens Im Gegensatz hierzu konnte der fertige Prototyp bereits nach kleineren regulären Nacharbeiten (vgl.

Abschnitt 4.3) zur Zufriedenheit mit Gleitlagern, der Motormutter inkl. passender Befestigung durch

drei M3 Zylinderkopfschrauben und selbstsichernden Muttern, sowie der Vorrichtung für den

feineinstellbaren unteren Anschlag montiert werden (siehe Abb. 7.3). Derzeit werden die zwei

kongruenten Teile mit Hilfe von lediglich sechs Magnetpaaren erfolgreich arretiert. Bei Bedarf kann die

Anzahl bis zu verdoppelt werden, um eventuell entstehende zusätzliche Kräfte, beispielsweise durch

Verwendung von Gelen mit sehr hoher Viskosität, zu kompensieren. Zusätzlich zu dem konstruierten

Presssitz der Magnete empfiehlt sich der Einsatz eines passenden Zwei-Komponenten-Epoxidharz-

Klebstoffes um einen dauerhaften Halt, trotz Temperaturschwankungen und relativ starker Kräfte, zu

garantieren. Darüber hinaus sollte beim Einkleben und dem damit verknüpften finalen Ausrichten

dieser darauf geachtet werden, für unmittelbaren Kontakt der gegenüberliegenden Magneten zu

sorgen, damit maximale Anziehungskräfte wirken können.

Abb. 7.3: Zwei Ansichten des fertigen Prototyps des Spritzenkolbenschlittens

Linearkugellager

Motormutter mit Schrauben

Magneten

Verstellbarer Anschlag



7.2 Zusammenbau des Heizelementes Die konstante Temperierung der Einwegspritze wird durch einen Aufbau aus einem 22 x 18 x 77 mm

Aluminiumrohr, welches mit einer Heizfolie des Typs THF-77110 (12Watt Leistung, 77x110 mm)

umwickelt und durch einen Temperatursensor Modell 104 GT-2 100kOhm Beta 4267K ergänzt ist

sichergestellt, siehe Abbildung 7.4. Für ausreichende Fixierung und Wärmeleitung kommt eine

Kombination von Wärmeleitpaste, Wärmeleitkleber und Kapton-Klebeband als äußerste Schicht zum

Einsatz. Letzteres bezeichnet eine selbstklebende Folie aus Polyimide des Herstellers DuPont, welche

Dauereinsatztemperaturen von bis zu 230°C toleriert. Wie bereits in Kapitel 6 erwähnt, orientiert sich

dieses Konzept an dem des bereits etablierten pneumatischen Extruders der CANTER

Forschungsgruppe und wird durch die vorhandene Steuerung der jeweiligen Drucker geregelt, analog

zu den bei FDM üblichen Düsenheizungen.

7.3 Zusammenbau der Grundplatte Für den Druck der Grundplatte wurde ein spezielles „HT-PLA“ Filament eingesetzt, das zum

kontinuierlichen Einsatz bei Temperaturen bis 90°C freigegeben ist. Hiermit soll Stabilität und

Formtreue trotz der integrierten Heizung und damit verbundenen Temperaturschwankungen

sichergestellt werden. Ebenfalls ist vom Motor ggf. Abwärme zu erwarten. Bei dem Druck zeigte sich

ein für den 3D-Druck typisches Phänomen des „Warpings“, d.h. die Ablösung von der Druckplattform

und Aufbiegen der äußersten Kanten von großen eben gedruckten Flächen. Gründe hierfür können

unter anderem eine ungleiche Wärmeverteilung und damit ungleiches Schrumpfen während dem

Druckprozess bzw. mangelnde Adhäsion an der Druckplattform sein. Empirische Erfahrungen haben

gezeigt, dass die Temperatureigenschaften des HT-PLA ebenfalls begünstigend wirken. Zukünftig

könnte kurzfristig ein Druck der Grundplatte im Abstand von circa 5mm von der Druckplattform durch

eine zusätzliche Stützstruktur in Erwägung gezogen werden, um unmittelbaren Kontakt zu vermeiden.

Abb. 7.4: Zwei Ansichten des Aufbaus der Spritzenheizung

Aufgeklebter Temperatursensor

Leitungen der Heizfolie

Leitungen des

Temperatursensors

Aluminiumrohr



Dies würde sich jedoch negativ auf die Nachbearbeitungszeit und Oberfläche der Grundplatte

auswirken. Langfristig sind die Pläne innerhalb des Labors die Verwendung einer alternativen

Druckplattform mit besseren Wärmeleit- und Adhäsionseigenschaften. In der praktischen Anwendung

und Einpassung haben sich jedoch keine funktionseinschränkenden Abweichungen bei dem aktuellen

Druckteil ergeben. Abbildung 7.5 zeigt die Grundplatte unmittelbar nach dem Druck in zwei Ansichten.

Insgesamt ist das Druckergebnis durchaus zufriedenstellend, was Formtreue und Detail betrifft und die

nötige Stützstruktur konnte gegenüber früheren Konzepten weitgehend minimiert werden.

Zur Verwendung der aktuellen Grundplatte mussten lediglich drei M3 Gewinde geschnitten werden,

zur arretieren der Spritzenheizung und Anbringung eventueller Erweiterungen zu einem späteren

Zeitpunkt. Nach dem Einpressen der beiden Führungswellen wurden Motor, Heizung und der

Miniaturschalter montiert. Alle Kabel wurden vorsorglich verlängert, gebündelt und durch die

entsprechenden vorgesehen Führungen gelegt. Abbildung 7.6 zeigt mehrere Ansichten der nun

teilweise zusammengesetzten Grundplatte mit vier eingeklebten Magneten.

Abb. 7.5: Oberseite (A) und Unterseite (B) der finalen Grundplatte unmittelbar nach der Fertigung

Abb. 7.6: Drei Ansichten der teilbestückten Grundplatte aus PLA-HT A) Detailaufnahme Heizung/Arretierung, B) Oberseite, C) Unterseite

A

B

C

A B



7.4 Zusammenbau von Wellenbrücke und Spritzenhalter Nach einem ersten Druckversuch und anschließender Feinabstimmung der CAD-Daten, konnte ein

funktionstüchtiger Prototyp des Spritzenhalters gefertigt werden. Dieser kann, passend zur

Grundplatte, mit bis zu acht Magneten bestückt werden, von denen im Moment lediglich 50% besetzt

sind. Ferner rastet der Spritzentank nun, durch einen akustisch wahrnehmbares leises „Klick“

Geräusch, spielfrei in der Halterung ein. Durch seitliches Abdrehen um die Achse der Spritze ist der

Kraftschluss der Magneten benutzerfreundlich zu lösen, sobald die Spitze wieder entfernt werden soll.

Der finale Prototyp der oberen Wellenbrücke wurde nach der Ausarbeitung analog zur Grundplatte

mit einem der Tastschalter (des Typs TE Connectivity 1825910-2) inklusive passender Verkabelung

bestückt. Abbildung 7.7 zeigt die fertig verkabelte Wellenbrücke, noch vor dem Aufkleben der

Tastenverlängerung, neben einem Foto der ausgedruckten finalen Version des unteren

Spritzenhalters.

7.5 Finaler Zusammenbau aller Komponenten Der weitere Zusammenbau gestaltet sich durch die Vorbestückung der Hauptelemente

verhältnismäßig einfach und kann so jederzeit in umgekehrter Reihenfolge beispielsweise zu

Wartungszwecken oder Modifizierung durchgeführt werden. Zur Befestigung des Kolbenschlittens

wird dieser über die zwei Führungswellen, bis zum Kontakt mit der Motorspindel, eingeführt. Durch

manuelle Drehung der Antriebsspindel auf das Gewinde der Motormutter kann der Schlitten an die

gewünschte vorläufige Position gebracht werden. Im Anschluss auf das gleichmäßige Einpressen der

oberen Wellenbrücke, kann deren Verkabelung mit der restlichen zur besseren Handhabung an

geeigneter Stelle zusammengeführt werden. Nach Aufsetzten dieser oberen Führungshilfe ist sofort

ein wesentlich gleichmäßigerer und reibungsärmerer Lauf des Kolbenschlittens bemerkbar. Um

zusätzliche Stabilität zu erlangen und auf lange Zeit garantieren zu können, sollten die Wellen zukünftig

(etwa bei der ersten Wartung) zusätzlich fest mit 2K-Epoxidharz in die Grundplatte eingeklebt werden.

Hierdurch könnte die Kontaktfläche zwischen Metall und Polymer über die Limitationen der

Toleranzen des 3D-Druck Prozesses hinweg maximiert werden. Auf diesen Schritt wurde vorläufig

verzichtet, da die nötige finale Länge und Legierung der Führungen noch nicht bestimmt wurde.

Zusammen mit den anderen Mitgliedern des 3D-Teams wurde ein zukünftiges Konzept für die

elektrische Verbindung der Druckköpfe mit den Druckern beschlossen. Dieses besteht aus zwei 15-

poligen Sub-D Verbindern, die um eine Verwechslung unmöglich zu machen jeweils einmal in

weiblicher und männlicher Variante vorhanden sind. Es werden jeweils die nötigen Leitungen für

niedrige Ströme und hohe Ströme auf einen Stecker zusammengelegt. Die Belegung des mechanischen

Kolbenextruders lautet wie folgt:

Abb. 7.7: Ausgedruckte und bestückte finale Versionen der oberen Wellenbrücke (A) und des Spritzenhalters(B)

A B



Stecker A (weiblich):

Pin 2,3: Spule 1 des Motors

Pin 4,5: Spule 2 des Motors

Pin 11,12: Heizfolie

Stecker B (männlich):

Pin 1,2: 100kOhm Widerstand*

Pin 3,4: Temperaturfühler der Heizung

Pin 11,12: Miniaturschalter in der Grundplatte

Pin 13,14: Miniaturschalter in der oberen Wellenbrücke

*Der Widerstand simuliert eine Druckplattform-Temperatur von 25°C um Fehlermeldungen zu

vermeiden.

Abbildung 7.8 zeigt drei Ansichten des fertig zusammengesetzten Extruders inkl. Einer beispielhaft

eingesetzten Einwegspritze (ohne Kanüle).

Abb. 7.8: Drei Ansichten des zusammengebauten Extruders A) Vorderansicht, B) Geöffnete obere Spritzenarretierung, C) untere Arretierung und Stecker

A B

C



Zur Verwendung an dem experimentellen großen Bioprinter, wurde das CAD-Model des

Extruderschlittens von Josef Thaler des CANTER, um eine passende Aufnahme an der Rückseite

erweitert. Vier M3 Zylinderkopfschrauben sichern den Extruderschlitten fest an der Aufnahme des

Druckers. Der Extruder lässt sich einfach von oben in den Schlitten einsetzen und kann mit bis zu sechs

Schrauben befestigt werden, wobei sich in der Praxis zwei bis drei gegenüberliegende Schrauben als

ausreichend erwiesen haben. Nachdem der Druckkopf angeschraubt und die beiden Stecker

verbunden sind ist der Druckkopf bereit verwendet zu werden. Abbildung 7.9 zeigt zwei Ansichten des

eingesetzten Extruders und eine Detailaufnahme des vorläufigen Gehäuses für die Anschlüsse (rot).

7.6 Übersichten über Zeit- und Materialbedarf der Druckteile: Bauteil Zeitbedarf bei Ausdruck in folgender Qualität Materialbedarf

Normal High (hoch) Ulti (sehr hoch)

Extruder Schlitten 10h 7min 16h 32min 24h 37min 6,20m; 49g

Extruder Schlitten Alt. 13h 56min 22h 43min 33h 42min 9,35m; 74g

Grundplatte 12h 3min 19h 43min 29h 17min 7,12m; 57g

Miniaturtaster Ext. 0h 1min 0h 1min 0h 2min 0,01m; 0g

Schlitten Basis 5h 10min 8h 27min 12h 33min 3,43m; 27g

Schlitten Deckel 1h 45min 2h 53min 4h 20min 1,29m; 10g

Schlüssel 0h 11min 0h 18min 0h 28min 0,10m; 1g

Spritzenhalter 1h 32min 2h 32min 4h 20min 1,02m; 8g

Wellenbrücke 0h 32min 0h 52min 1h 18min 0,25m; 2g

∑ 45h 17min 74h 1min 110h 37min 28,77m; 228g

CaCl2 Erweiterung 1h 10min 1h 56min 2h 54min 0,59m; 5g

UV Erweiterung 2h 49min 4h 39min 6h 59min 1,55m; 12g

Abb. 7.9: Der fertige Extruder eingesteckt in den experimentellen Bioprinter A) Vorderansicht, B) Anschlüsse an dem Drucker, C) Druckkopf inkl. Wellenbrücke von oben

A

B

C

Erweiterungen zur Quervernetzung der Hydrogele


8. Erweiterungen zur Quervernetzung der Hydrogele

Um den Druck in Zukunft weiter zu vereinfachen, automatisieren und standardisieren werden in den

folgenden Abschnitten zwei Konzepte für anschraubbare Erweiterungen des Druckkopfs zur

Quervernetzung unterschiedlicher Hydrogele vorgestellt.

Während diese Konzepte in dieser Abhandlung nur knapp erwähnt bleiben sollen, werden die

prinzipielle Wirkungsweise und deren Automatisierung durch ähnliche Konzepte Bestandteile weiterer

Abschlussarbeiten innerhalb des CANTER bilden. Grund hierfür ist das hohe Potential im

Zusammenhang mit der Erstellung von konstanten, wiederholbaren und schnellen Ergebnissen. Hier

sei der derzeit übliche Druckablauf mit der Quervernetzung mit CaCl2 erwähnt, die durch eine

Sprühflasche manuell nach jeder einzelnen gedruckten Schicht ausgeführt werden muss. Zusätzlich zu

einer hohen Streuung der aufgebrachten Menge, Tröpfchengröße und räumlicher Verteilung der

Lösung ist hierfür ein hoher personeller und zeitlicher Aufwand nötig.

Anforderungen an Erweiterungen sind, dass sie jeweils an beiden Typen von Druckköpfen des Labors

angebracht und verwendet werden können. Darüber hinaus ist gute Positionierbarkeit und die

Möglichkeit der gleichmäßigen Verteilung der eingebrachten Komponente zu gewährleisten.

8.1 UV-Quervernetzung Das Konzept für eine direkt an den Extruder anbringbare Ringstruktur mit integrierten leistungsstarken

UV-LEDs zur Quervernetzung von Hydrogelen soll in Abbildung 8.1 schematisch anhand einer 3D-

Ansicht dargestellt werden. Detailansichten zu beiden Konzepten sind Kapitel 8.2 in Abbildung 8.3 zu

finden.

Abb. 8.1: Schematischer Aufbau eines Konzepts zur UV-Quervernetzung von Hydrogelen

Erweiterungen zur Quervernetzung der Hydrogele


8.2 CaCl2-Quervernetzung Zur Optimierung der erwähnten Defizite der vorhandenen Vorgehensweise, wird ein Konzept für die

automatisierte Quervernetzung für CaCl2 vorgestellt. Basierend auf internen Absprachen wurde eine

Kombination aus einer an den Extruder anbringbaren Düse und einem Saugbechersystem ausgewählt.

Ein im Labor installierter Kompressor liefert den nötigen Druck, der durch einen präzisen Druckregler

eingestellt, mit Hilfe eines elektronisch gesteuerten Magnetventils, eine definierte Lösung von CaCl2,

durch eine Düse mit 90° Sprühwinkel senkrecht zum Werkstück abgibt. Dies geschieht automatisch

nach jeder gedruckten Schicht, aus konstantem Abstand und Position.

Abbildung 8.2 zeigt den schematischen Aufbau eines Halterungskonzeptes inklusive Düse.

Abb. 8.2: Konzept zur Erweiterung des Extruders zur Quervernetzung mit CaCl2-Lösungen

Abb. 8.3: Detailansichten der Erweiterungskonzepte zur Quervernetzung A) CaCl2, B) UV

A

B

Steuerung und Automatisierung


9. Steuerung und Automatisierung

Die Ansteuerung des Extruder-Motors funktioniert analog zu dem des Filament-Motors eines

regulären 3D-Druckers der mit Thermoplasten wie PLA funktioniert. Wichtig hierbei ist die passende

Umrechnung der Schritte auf das extrudierte Volumen, wie es in Kapitel 4.4 beispielhaft berechnet

wurde. Das Zusammenspiel von Motorgeschwindigkeit, Verfahrensgeschwindigkeit und

Kanülen/Düsengröße muss jeweils empirisch für die jeweiligen Gele und Temperaturen ermittelt

werden.

Eine Temperaturregelung ist in der regulären Steuerung des 3D-Bioprinters bereits vorgesehen für

Druckbett und Düsentemperatur. Letztere verwenden wir in unserer Anwendung für die

Spritzenheizung zusammen mit Heizfolie, dem Aluminiumkörper und dem passenden Sensor.

Um den Spritzenwechsel zu automatisieren sind neben der leichten Zugänglichkeit an den

Kontaktpunkten des Druckkopfes zwei Kontaktschalter vorgesehen. Diese werden neben ihrer

Bedeutung als Not-Schalter bzw. Kalibrierungssensoren z.B. zu Beginn jedes Druckvorganges, dafür

verwendet, um einen Spritzenwechsel zu ermöglichen. Die Steuerung wird dahingehend erweitert,

dass der Schlitten bis zum oberen Miniaturschalter fährt und dort auf Bestätigung am unteren Schalter

wartet. Hat der Benutzer eine neue für den Druck vorgesehene Spritze inklusive unterem Magnethalter

eingelegt, den Schlitten oben verriegelt und durch Knopfdruck bestätigt, fährt der Schlitten bis zur

nächsten Bestätigung langsam nach unten. Nachdem die Spritze beidseitig arretiert ist und Biotinte

auszutreten beginnt, wird durch den Nutzer bestätigt und der Schlitten bleibt bereit zum Druckvorgang

stehen. Sollte eine Bestätigung durch den Benutzer ausbleiben, trifft der Kontaktpunkt des Schlittens

auf den Miniaturschalter auf und beendet so den Vorgang, bevor die Apparatur Schaden nehmen kann.

Dieser Vorgang kann in Zukunft auch während längeren Druckaufträgen dazu verwendet werden um

nach Verbrauch einer ersten Einwegspritze und dem damit verbundenen Auftreffen des Schlittens auf

den unteren Schalter, dem Prozess neues Material zur Verfügung zu stellen.

Geplant ist eine Implementierung dieses Prozesses direkt in den G-Code, so dass ein Spritzeneinlegen

fester Bestandteil des Druckprozess werden kann und keiner externen Steuerung bedarf. Trotz aller

nötiger Hard- und Software Unterstützung durch das vorhandene Open-Source System musste die

Etablierung dieser Funktion auf Grund von technischen und terminlichen Schwierigkeiten in die

Zukunft verlegt werden.

In Verbindung mit den zukünftigen Plänen für eine automatisierte Kalibrierung des Druckabstandes,

der durch die Verwendung von Einwegspritzen mit gewissen Toleranzen notwendig gemacht wird und

der automatisierten Quervernetzung ist so zeitnah ein wesentlich anwenderfreundlicherer

Druckprozess etablierbar.

Erste kurze Versuche haben die Funktionstüchtigkeit der Ansteuerung des Motors inkl. „Retraction“,

sowie der gesteuerten Temperierung der Spritze, ergeben.

Proof of Concept


10. Proof of Concept

Die geplante Etablierung des Druckkopfes als zweites Werkzeug, neben dem bereits vorhandenen

pneumatischen Extruder, inklusive anderer Belegung der Stecker zur Erkennung, musste leider auf

Grund von technischen Schwierigkeiten fallen gelassen werden. In den praktischen Versuchen stellte

sich eine Inkompatibilität der aktuellen Steuerung heraus, was eine Anpassung der Stecker nötig

machte, um eine uniforme Belegung vorzuweisen. Damit zukünftig das ursprüngliche Konzept einfach

wieder aufgegriffen werden kann, wurden hierzu entsprechende Adapterkabel angefertigt (siehe Abb.

10.1). Dies hat zur Folge, dass die Steuerung aktuell nicht selbstständig zwischen den verschiedenen

Extrudern unterscheiden kann und der Benutzer deshalb jeweils G-Codes mit passenden Koordinaten

(Offsets) verwenden muss, um die Unterschiede der Extrudergeometrien zu kompensieren.

Eine erste erneute Ansteuerung des Motors blieb ohne Erfolg. Als Ursache konnte ein fehlerhaftes

Netzteil entdeckt werden, welches diverse Bauteile mit 24 statt den vorgesehenen 12 Volt versorgt

hatte. In Folge dessen eröffnete sich ein weitreichender Prozess, alle Bauteile die hierbei Schaden

genommen haben zu identifizieren und zu ersetzen. Als letztes Hindernis blieb der Schrittmotortreiber

zunächst unentdeckt, wurde dann jedoch in diesem Zuge gleich gegen einen hochwertigeren ersetzt,

welcher zu einer Unterteilung in 32 Schritten im Stande ist. Empirische Versuche bei dem Druck haben

ergeben, dass bei zu hoch gewählter Steuerungsspannung des Schrittmotortreibers eine hohe

Temperaturentwicklung im Motor die Folge ist, die selbst in der Spindel deutlich wahrgenommen

werden kann. Eine darauffolgende Testreihe hat vorläufig eine Spannung von 1,3 Volt ergeben, bei der

das Drehmoment ausreichend ist, um selbst die schnell verfahrende „Retraction“-Funktion

auszuführen und dabei nur moderate Erwärmung in der Apparatur zeigt.

In der mehrtägigen Erprobung der Funktion des Extruders kamen zwei unterschiedliche Hydrogele zum

Einsatz. Erste Versuche mit einem verhältnismäßig einfach aufgebauten und günstigen Gel aus 5%

Alginat in PBS haben die bisher besten Ergebnisse geliefert und eigenen sich auf Grund ihrer relativ

niedrigen Viskosität gut zur Etablierung des Spritzenrückzugs während des Druckens, da andernfalls

schnell ein Nachlaufen der Flüssigkeit bemerkt werden kann. Als Testfiguren dienten vorwiegend

quadratische Strukturen mit unterschiedlich komplexen Füllstrukturen (z.B. Honigwaben- und

Gittermuster) die es im Mehrschichtverfahren zu dreidimensionalen Körpern aufzubauen galt.

Eine Quervernetzung des Gels fand mit Hilfe einer 1 Molaren Calciumchlorid-Lösung statt, aufgebracht

durch eine Zerstäuberflasche. Zu diesem Zweck wurde der G-Code dahingehend modifiziert, nach jeder

Abb. 10.1 Detailaufnahme der angeschlossenen Adapterkabel - das rote Klebeband dient der einfachen Zuordnung

Proof of Concept


abgeschlossenen Lage den Druckkopf in die „Home“ Position zu fahren, um dem Bediener den hierfür

nötigen Raum und Zeit zur Aufbringung der Lösung zur Verfügung zu stellen. Gedruckt wurde auf einem

mit Filterpapier beschichteten Druckbett, bestehend aus einem feinen Edelstahlgitter integriert in eine

vakuumgestützte Absaugvorrichtung. Dieser Aufbau dient als ein Untergrund mit guten

Adhäsionseigenschaften und sorgt gleichzeitig dafür, dass überschüssige eingebrachte CaCl2-Lösung

kontinuierlich abgeführt und ein ungewolltes Aufquellen der gedruckten Strukturen minimiert wird

(siehe Abb. 10.2).

Zu Beginn des Druckprozess wird die Spritze mit dem frisch durch Rühren homogenisierten und

vortemperierten Hydrogel gefüllt, mit dem Spritzenhalter bestückt und durch die Basis des

Kolbenschlittens in die Führung der Heizung des Extruders eingesteckt. Anschließend kann der

Schlitten durch den Deckel verriegelt werden und wahlweise manuell oder durch Ansteuerung des

Motors kontrolliert heruntergefahren werden, bis Gel auszutreten beginnt (siehe Abb. 10.2). Nach

Ausrichtung des Druckabstandes der Spritzenspitze unter Verwendung des manuellen Feinreglers des

Druckers ist der Extruder druckbereit.

Abb. 10.2 Detailaufnahmen der Druckvorbereitungen am Bioprinter A) Druckplattform des Bioprinters inklusive Vakuum-Absaugvorrichtung, B) (A) mit aufgelegtem Filterpapier, C) Druckkopf mit eingesetzter Spritze inklusive Spritzenhalter, D) Verriegelte obere Arretierung vor Abwärtsfahrt zu unteren Arretierung

A B

D C

Proof of Concept


Um einen Machbarkeitsnachweis für den in dieser Arbeit generierten Kolbenextruders zu stellen

wurden so vorgegangen einige Probedrucke erstellt (siehe Abb. 10.3). Hierbei wurden bereits alle

grundsätzlich nötigen Parameter wie Schrittzahl, Extruder-Offset und Retraction vorläufig empirisch

bestimmt (siehe G-Code im Anhang). Eine Detailaufnahme eines hierbei gut gelungenen

Druckexemplars und einige weitere Testdrücke sind in Abbildung 10.4 dargestellt.

Weitere Versuche mit einem zweiten Hydrogel aus 5% Alginat in Kombination mit 6% Gelatine in PBS

haben sich als weniger Erfolgreich erwiesen. Dieses viskosere Gel mit den damit eingehenden

theoretisch einfacher druckbaren Charakteristika hat sich in der Praxis als ungeeigneter erwiesen und

weicht durch seine schlechte Verträglichkeit mit lebenden Zellen zusätzlich vom Gesamtkonzept ab.

Die eingehende Intention hierbei war die Nutzung der höheren Viskosität und der damit verbundenen

besseren mechanischen Eigenschaften zum Ausdruck noch klarer definierter Testkörper. In der Praxis

hat sich gezeigt, dass das Gel auf Grund der thermischen Erstarrung der Gelatine bereits zunehmend

in der unbeheizten Spritzenspitze aushärtet und diese schnell vollständig verstopft und so zu

schlechteren Ergebnissen als mit dem gelatinelosen Gel führt.

Abb. 10.3 Aufnahmen des Druckvorgangs und einige Druckergebnisse A) Extruder während des Druckvorgangs, B) Mehrlagiger dreidimensionaler Druck mit 5% Alginat Hydrogel, c) weitere Testdrucke unterschiedlicher Strukturen

A B

C

Diskussion und Ausblick


11. Diskussion und Ausblick

Auf Basis des übernommenen Antriebskonzepts und unter Einbeziehung bereits vorhandener Kaufteile

konnte in mehreren Schritten ein neuer funktionstüchtiger Prototyp eines mechanischen Kolben-

Extruders für das 3D-Bioprinting von zell-beladenen Hydrogelen konzipiert, konstruiert und aufgebaut

werden. Durch den regen interdisziplinären Wissensaustausch und regelmäßiges Feedback innerhalb

der wissenschaftlichen Gemeinschaft des CANTER konnten bestehende Anforderungen klar definiert

und laufenden angepasst und erweitert werden, um einen zukunftsorientierte Plattform zur Forschung

zu schaffen.

Durch Besinnung auf ein minimalistisches Design, das sich hauptsächlich auf die interne Fertigung in

FDM 3D-Druck mit PLA stützt wurden Ressourcen (u.a. Kosten und Zeit) geschont und die Möglichkeit

einer kurzfristigen Replikation und Modifikation eröffnet. Es wurde der Grundstein für ein

hochautomatisiertes Druckverfahren gelegt, welches es dem Benutzer erlaubt sich auf die Forschung

mit unterschiedlichen Druckparametern, etwa der verwendete Hydrogele, Temperatur und

Quervernetzungsmechanismen zu konzentrieren, gelegt. In diesem Zusammenhang wurden unter

anderem eine Temperierung des Druckmediums, die nötige Mechanik und Elektronik für einen in die

Steuerung integrierten automatisierten Spritzenwechsel und die Vorbereitung auf Erweiterungen zur

Quervernetzung geschaffen. Dies geschah innerhalb der vorgegebenen Limitationen (beispielsweise

des verfügbaren Bauraumes) und unter Anwendung bereits etablierter Konzepte und vorrätiger

Kaufteile. Darüber hinaus wird durch den neuen Prototyp dem Anspruch des Open-Source Konzeptes

Rechenschaft getragen, da dieser bis auf den Motor nun nur noch aus selbstausdruckbaren Teilen und

für den 3D-Druck üblichen Normteilen aufgebaut ist. Besagter spezialangefertigte Motor könnte

gegebenenfalls durch einen regulären günstigeren NEMA 17 Motor, der mit einer passenden

Gewindestange modifiziert wird, substituiert werden.

Bei der Konstruktion des Prototyps ist bewusst auf eine leichte Modifizierbarkeit und die Schaffung

einer experimentalen Plattform geachtet worden. Dies ist beispielsweise an den großzügigen

Kapazitäten für weitere Magneten zu erkennen, die nach der empirischen Ermittlung der für die später

etablierten Hydrogele nötigen Anzahl entsprechend angepasst werden können. Hierdurch könnte

weiter Gewicht und Volumen eingespart werden. Ebenfalls empfiehlt sich die Umstellung auf in ihrer

Länge exakt angepasste Führungswellen aus rostfreiem Edelstahl, da vor allem durch den Umgang mit

ionischen Lösungen wie CaCl2, sehr schnell oberflächliche Korrosion an den vorhanden Wellen

aufgetreten ist.

Zu einem späteren Zeitpunkt sollte innerhalb des CANTER entschieden werden ob eine Abweichung

von der bestehenden Vorgehensweise des Druckens von Teilen in PLA mit 20% Füllungsgrad hin zu

einem Konzept aus Teilen mit niedrigerem Volumen und höherer Füllungsdichte sinnvoll wäre.

Eventuelle Vorteile könnten, neben einer potentiellen weiteren Reduzierung des Gewichts, vor allem

ein geringerer Raumbedarf innerhalb des Bioprinters sein. Fernen ist in diesem Zusammenhang die

Anwendung einer FEM Analyse auf die finalen Teile ein vielversprechender Ansatz.

Zur Optimierung des Kolbenschlittens sollte der Einsatz von kompakteren, leichteren kugelloser

Lineargleitlagern debattiert werden, um die Bauhöhe weiter zu reduzieren. Darüber hinaus könnte der

hierbei vorhandene Flaschenhals der überdimensionierten Kunststoff-Trapezmutter des Motors

probeweise durch ein direkt in den Schlitten geschnittenes Gewinde ersetzt werden. Sollte die

mechanischen Eigenschaften des verwendeten Polymers nicht ausreichen, bietet sich alternativ ein

kompakteres Konzept aus Edelstahl an.

Diskussion und Ausblick


Das in dieser Arbeit ausschließlich verwendete Fertigungsverfahren des 3D-Drucks hat sich als sehr

vorteilhaft erwiesen. Abgesehen von in den in Kapitel 7 erwähnten Komplikationen und einem zufällig

erhöhten Wartungsaufwand, konnten schlussendlich stets funktionelle Teile erzeugt werden. Nur

durch den reduzierten logistischen und zeitlichen Aufwand war es möglich simultan zur Konstruktion

bereits vorläufige Prototypen und Testdrucke zu erstellen und anschließend rechtzeitig einen fertigen

Extruder zu fertigen und erproben.

Durch erste Druckversuche, zur empirischen Ermittlung passender Steuerungsparameter, konnten

bereits erfolgreich dreidimensionale Strukturen mehrschichtig gedruckt und quervernetzt werden.

Insgesamt stellte sich der Druckprozess hochsensibel auf jegliche Eingaben und Veränderungen der

Parameter dar und zeigt über das bereits erreichte Ergebnis hinaus hohes Potential zeitnah weiter

optimierbar zu sein. Für die Verwendung von thermisch hochsensibler Hydrogele empfiehlt sich eine

Modifizierung der Temperierung, um zukünftig auch die Spritzenspitze miteinzubeziehen. Im Anschluss

an die Optimierung der prinzipiellen Druckparameter für Extrusion, Retraction und

Fahrgeschwindigkeit und der Implementierung des Spritzenwechsels als fester Bestandteil in den G-

Code des Bioprinters, sollte abschließend ein Prozess für die Quervernetzung automatisiert werden.

An dieser Stelle möchte ich mich herzlich für die großartige Zusammenarbeit und das stets

überwältigend positive, von gegenseitigem Respekt und Hilfsbereitschaft geprägte, Arbeitsklima bei

allen Beteiligten und Mitgliedern des Centrums für Angewandtes Tissue Engineering und Regenerative

Medizin bedanken.

Literaturverzeichnis


12. Literaturverzeichnis

[1] http://hm.edu/allgemein/aktuelles/veranstaltungen/veranstaltungsdetail_42306.de.html *

[2] http://www.fb06.fh-muenchen.de/fb/index.php/de/labhome.html?labid=74 *

[3] https://www.hm.edu/allgemein/forschung_entwicklung/forschungsfelder/

canter_1/canter.de.html *

[4] http://de.statista.com/infografik/2220/prognose-zur-entwicklung-der-3d-druck-branche/ *

[5] https://hci.rwth-aachen.de/tiki-download_wiki_attachment.php?attId=1882 *

[6] Hod Lipson, Melba Kurman (2013): “Fabricated: The New World of 3D Printing”. Indianapolis,

Indiana: John Wiley & Sons, Inc.

[7] Petra Fastermann (2014): „3D-Drucken, Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert.“

Krefeld, Deutschland: Springer Vieweg

[8] Petra Fastermann (2012): „3D-Druck/Rapid Prototyping, Eine Zukunftstechnologie – kompakt

erklärt.“ Düsseldorf, Deutschland: Springer Vieweg

[9] http://q3dprinter.com/ *

[10] https://shop.ultimaker.com/product/8/ultimaker-2 *

[11] http://enablingthefuture.org/faqs/media-faq/ *

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Quellen der Abbildungen

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2.6 Norotte, Cyrille et al. “Scaffold-Free Vascular Tissue Engineering Using Bioprinting.”

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4.1 http://pcappleworld.com/wp-content/uploads/2014/04/Screen-Shot-2014-04-19-at-1.03.20-

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4.2 http://pcappleworld.com/wp-content/uploads/2014/04/Screen-Shot-2014-04-19-at-1.03.20-

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*Alle markierten Quellen aus dem Internet: Stand 08.09.2015

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http://www.nature.com/polopoly_fs/7.25315.1429023153!/image/9244_CM_web.jpg_gen/derivatives/landscape_630/9244_CM_web.jpg

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https://www.maedler.de/Images/250-250/Bilder_Ecomm/Productpics/Wellenstahl_CF53.jpg



Anhang

A) Inhalt der beiliegenden CD

Diese Arbeit im PDF Format

Alle finalen Konstruktionsdateien

Datenblätter der Kaufteile

Sammlung von Fotos die im Rahmen dieser Arbeit entstanden sind

Sammlung von 3D-Render Grafiken der Bauteile

Slic3r Konfigurationsdateien und beispielhafter G-Code

Videomaterial

Poster für das Forschungsforum 2015 an der HM

B) Explosionszeichnung des Extruders

C) Konstruktionszeichnungen

D) Vorläufige Slic3r Konfigurationsdaten

E) Poster für das Forschungsforum 2015 an der HM; Ein Einblick in Zwischenstand und Ausblick

dieser Arbeit

Erklärung


Erklärung

Hiermit erkläre ich gemäß der Rahmenprüfungsordnung der Hochschule München, dass ich die

vorliegende Arbeit mit dem Titel „Entwicklung und Prototypenbau eines mechanischen Extruders für

das 3D-Bioprinting von zell-beladenen Hydrogelen (Biotinte)“ selbständig verfasst, noch nicht

anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen oder

Hilfsmittel benutzt sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet habe.

München, 28.09.2015 ………………………………………………………….

Benedikt Kaufmann

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