Das am FMZ bereits langjährig erforschte Verfahren Melt Electrowriting (MEW) ist eine Kombination der Verfahren Electrospinning und 3D-Druck. So lassen sich sehr dünne thermoplastische Kunststofffilamente (1 bis 30 µm) additiv zu präzisen Konstrukten beziehungsweise Kunststoffgelegen verarbeiten. (Bildquelle: SKZ)

Das am FMZ bereits langjährig erforschte Verfahren Melt Electrowriting (MEW) ist eine Kombination der Verfahren Electrospinning und 3D-Druck. So lassen sich sehr dünne thermoplastische Kunststofffilamente (1 bis 30 µm) additiv zu präzisen Konstrukten beziehungsweise Kunststoffgelegen verarbeiten. (Bildquelle: SKZ)

Das am FMZ bereits langjährig erforschte Verfahren Melt Electrowriting (MEW) ist eine Kombination der Verfahren Electrospinning und 3D-Druck. So lassen sich sehr dünne thermoplastische Kunststofffilamente (1 bis 30 µm) additiv zu präzisen Konstrukten beziehungsweise Kunststoffgelegen verarbeiten. Deren Einsatz birgt in der regenerativen Medizin und dem sogenannten Tissue Engineerings (TE; künstliche Herstellung biologischer Gewebe) ein besonders hohes Anwendungspotenzial.

Hochporöse und stabile Implantate 3D-drucken

Beispielsweise ermöglicht MEW das Verarbeiten von medizinisch relevanten Kunststoffen zu hochporösen und gleichzeitig stabilen Implantaten. Dadurch kann das Auf- und Einwachsen von menschlichem Gewebe in das Konstrukt kontrolliert ablaufen und den Genesungsprozess optimal unterstützen, ohne zusätzlich biochemische Wirkstoffe einzusetzen. Dies ermöglicht bislang unerreichte Produkteigenschaften und eliminiert zeit- beziehungsweise risikointensive Zulassungsverfahren. Zudem sinken die Materialkosten deutlich. Darüber hinaus reichen kleine Mengen an Polymerwerkstoffen für diese Anwendungen aus, wodurch die genannten Vorteile durch eine viel schwächere Immunreaktion des Patientenkörpers ergänzt werden.

MEW-gefertigte hochporöse Zellträgerkonstrukte mit quadratischer Grundstruktur und akkurat gestapelten Strängen aus Polycaprolacton (PCL) verschiedener Durchmesser. Während das erste Konstrukt (A-C) submikrostrukturierte Fasern mit 820 nm Durchmesser und 100 µm Maschenweite hat, zeigen die anderen Aufnahmen (D und E) eine größere MEW gefertigte Struktur mit 10 µm Strängen und 200 µm Maschenweite. (Bildquelle: SKZ)

MEW-gefertigte hochporöse Zellträgerkonstrukte mit quadratischer Grundstruktur und akkurat gestapelten Strängen aus Polycaprolacton (PCL) verschiedener Durchmesser. Während das erste Konstrukt (A–C) submikrostrukturierte Fasern mit 820 nm Durchmesser und 100 µm Maschenweite hat, zeigen die anderen Aufnahmen (D und E) eine größere MEW gefertigte Struktur mit 10 µm Strängen und 200 µm Maschenweite. (Bildquelle: SKZ)

MEW verbindet somit die kundenspezifische Produktgestaltung mit geringen Anlagen- sowie Betriebskosten. Das Verfahren bietet sich dadurch insbesondere für den Einsatz in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) an. Um diesen additiven Fertigungsansatz jedoch zur industriellen Reife zu entwickeln, erforscht das Team der beiden Forschungsstellen einflussnehmende Prozessparameter auf die Geometrie, Qualität und Produktionsgeschwindigkeit produzierter Konstrukte. Dieses Projekt, das IGF-Vorhaben 19054 N des Lehrstuhls FMZ der Universität Würzburg und des SKZ, wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.


Die beliebtesten 3D-Drucker und Filamente des Jahres 2017


Ohne giftige Lösungsmittel besser für Medizinprodukte geeignet

Das MEW basiert, wie seine Vorgängertechnologie Electrospinning, auf einer elektrohydrodynamischen Triebkraft, mit der sich ein kontinuierlicher Fluidstrahl erzeugen lässt. Dieser definierte Strahl besteht aus einer Polymerlösung beziehungsweise -schmelze. Den Vorschub erzeugt entweder Gasdruck, eine Spritzenpumpe oder ein Miniextruder, jeweils in Verbindung mit einer Spinndüse. Diese Düse und das Fluid werden durch eine elektrische Hochspannungsquelle (bis zu 25 kV) gegenüber einem geerdeten Kollektor vorzugsweise an der Spitze aufgeladen. Das beschleunigt die verwendete Lösung oder Schmelze im elektrischen Feld stark, was das extrudierte Polymer verstreckt. Der Faserdurchmesser verringert sich hierbei um mehrere Größenordnungen. Es lassen sich so Fasern mit Durchmessern in einem Bereich von 45 μm, aber auch von 820 nm erzeugen.

Vergleich zwischen Konstrukten aus biokompatiblem Polyester (Polycaprolacton), die mittels Fused Layer Modeling (A und B) und Melt Electrowriting (C und D) hergestellt wurden. Auffällig sind die viel feineren Strukturen beim Meld Electrowriting. (Bildquelle: SKZ)

Vergleich zwischen Konstrukten aus biokompatiblem Polyester (Polycaprolacton), die mittels Fused Layer Modeling (A und B) und Melt Electrowriting (C und D) hergestellt wurden. Auffällig sind die viel feineren Strukturen beim Melt Electrowriting. (Bildquelle: SKZ)

Beim klassischen Electrospinning von Polymerlösungen führt eine Wechselwirkung von viskoelastischen Kräften, Verdampfen des verwendeten Lösungsmittels, Ladungsträgerabstoßung und Luftreibung zu vielerlei Störungen. Diese lassen sich trotz verschiedener Techniken, um die elektrischen Felder zu kontrollieren, nicht gänzlich eliminieren. Im Gegensatz dazu sind Kunststoffschmelzen dickflüssiger und erstarren je nach Laborbedingungen teilweise schon auf dem Weg zum Kollektor. Sie sind somit deutlich resistenter gegen Deformationsprozesse, wodurch sich ein homogener und kontrollierter Strahlverlauf zur additiven Fertigung erzeugen lässt. Darüber hinaus bietet der Verzicht auf häufig toxische organische Lösungsmittel Vorteile speziell beim Herstellen von Medizinprodukten. So kann eine aufwendige Anlagentechnik zum Abführen und Rückgewinnen von Lösungsmitteln aus der umgebenden Atmosphäre und dem fertigen Konstrukt entfallen.

Ein weiterer Vorteil beim Verarbeiten des Kunststoffs ohne Lösemittel ist die dadurch geschaffene Materialvielfalt. Neben Polycaprolacton (PCL) lassen sich viele weitere Kunststoffe über MEW verarbeiten. Voraussetzung hierfür ist ein hoher ohmscher Widerstand, welchen die meisten Kunststoffe aufgrund des chemischen Aufbaus jedoch ohnehin haben. So wiesen die Forscher bereits die Spinnbarkeit für die Polymere Polyethylen (PE) sowie Polypropylen (PP), Polylactid (PLA), Polylactid-co-Glycolid (PLGA), Polyethylenterephthalat (PET) und Polymethylmethacrylat (PMMA) mittels Melt Electrospinning nach.


Marktübersicht 3D-Druck und additive Fertigung

Der Begriff 3D-Drucker umfasst hier alle Geräte und Maschinen, mit denen Teile aufbauend erstellt werden können. Diese Teile können Modelle, Prototypen, Kleinserienteile, Serienteile in unbegrenzter Zahl, Prototypen-Werkzeuge, Werkzeug-Einsätze und andere Produkte sein. Verarbeitbare Materialien sind neben Kunststoffen auch Metalle, Keramik, Holz und andere Werkstoffe. Damit folgt die Definition der Drupa 2016.

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Prototyp einer Melt-Electrowriting-Anlage im Einsatz

Um die auf das elektrostatische Feld einflussnehmenden Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Konstruktionsbedingungen, wie Bauteilhöhe, gezielt einzustellen, entwickelt das FMZ zusammen mit dem SKZ die nächste Evolutionsstufe der MEW-Maschinen. Durch die Kombination der langjährigen Prozesserfahrung des FMZ und der Kompetenzen des SKZ im 3D-Druck und im Bau der dafür benötigten Maschinen entstand bereits der erste Prototyp.

Die noch laufende Optimierung der Prozessparameter auf der neuen Anlage soll eine hohe Produktionsgeschwindigkeit bei einer reproduzierbaren Produktqualität ermöglichen. Die Qualität und die Produktionsrate lassen sich anschließend anhand des Strangdurchmessers inklusive Homogenität beziehungsweise der Streuung des Durchmessers bewerten. Dazu kommen die kritische Translationsgeschwindigkeit des Kunststoffstrahls, der resultierende Massenstrom sowie die kritische Bauteilhöhe.

Nach dem Projekt ist es direkt möglich, durch Folgeprojekte mit der Industrie am bestehenden Wissen anzuknüpfen. So können die Ergebnisse nicht nur in der Medizinbranche, sondern auch in vielen anderen Industriezweigen zum Einsatz kommen. Mögliche Anwendungsfelder sind zum Beispiel die Filtertechnologie, Bioreaktoren oder Kosmetikprodukte. Realisierbar sind unzählige weitere Anwendungen, bei denen es auf feinste hochpräzise Kunststoffstrukturen ankommt.

Über die Autoren

Christian Fischer

ist Projektleiter im Fachbereich Additive Fertigung beim SKZ in Würzburg.

Prof. Dr. Jürgen Groll

ist Inhaber des Lehrstuhls für Funktionswerkstoffe der Medizin und Zahnheilkunde an der Universität Würzburg.