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Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

In Deutschland führt sowohl der demografische Wandel der Gesellschaft als auch Verletzungen infolge von Traumata zu einem hohen Anteil von Personen mit behandlungsbedürftigen Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems oder Verletzungen an Gefäßen und inneren Organen. Zur Behandlung von Verletzungen an inneren Organen, Gefäßen oder Nerven sind meist komplexe Eingriffe (Anastomosen) erforderlich, bei denen aufwändige Fixierungen und Nahtführungen erforderlich sind. Diese komplizierten und aufwändigen Prozeduren sind häufig mit langen Eingriffszeiten verbunden, die wiederum direkt mit erhöhten Komplikationsraten korrelieren [1‑3]. Zur Überbrückung solcher Defekte werden zunehmend tubuläre Kunststoffimplantate entwickelt, die jedoch kein Einwachsen von Gewebezellen ermöglichen und damit dem Konzept der regenerativen Medizin entgegenstehen, das die Wiederherstellung von Körpergeweben und ‑zellen anstrebt. Darüber hinaus kommt es bei der Auffüllung der Defekte häufig zu Störungen der Regeneration durch die nicht an die Biomechanik angepassten strukturmechanischen Eigenschaften. Ferner verhindern die fehlende Interkonnektivität der Porenräume der Ersatzstrukturen das Einwachsen von Zellen, das Zellwachstum, die Nährstoffversorgung und den Abtransport der Stoffwechselprodukte.

Im Rahmen des in vitro Tissue Engineerings werden neben statischen Zellkultursystemen auch dynami­sche Systeme entwickelt. Diese basieren beispielsweise auf kontinuierlichen oder pulsierenden Flüssigkeitsströmungen oder auf einer zyklischen Dehnung des eingespannten Zellträgersystems bzw. der Unterlage [4]. Eine Nachbildung der natürlichen mechanischen Wachstumsstimuli ist mit solchen Bio­reaktorsystemen jedoch nicht möglich, da sich insbesondere in größeren Strukturen eine lokal erhöhte Strömungsgeschwindigkeit entlang der größten Durchgangsporen bzw. lediglich eine Überströmung des gesamten Zellträgersystems einstellt und in mechanisch stimulierten Systemen unerwünschte Spannungsspitzen und undefinierte Verzerrungen im Bereich der Klemmen und Auflagen auftreten.

Da der native Aufbau der vier wichtigsten Gewebetypen (Binde- und Stützgewebe, Nerven-, Muskel- und Epithelgewebe) aus denen Organe, wie Knochen, Blutgefäße, Muskeln, Sehnen und Bänder, gebildet sind, aus faserartigen Konstrukten besteht, lassen sich diese mit textilen Strukturen besonders gut biomimetisch nachbilden. Mithilfe vorbedachter Faseranordnungen können dreidimensionale, kom­plexe Geometrien mit interkonnektierenden Porenräumen aufgebaut werden, an der sich Zellen in ihrer Wachstumsrichtung orientieren können [5]. Deshalb sind faserbasierte High‑Tech Strukturen zur Überwindung der Limitationen aktuell verfügbarer Implantate besonders prädestiniert.

Daher wurden im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens TexMedActor (21022 BR/1) neuartige Textilstrukturen mit materialintrinsischem Formänderungsvermögen für die regenerative Medizin mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungsfeldern, insbesondere der Anastomose, entwickelt. Das verfolgte Konzept sieht hierbei die textiltechnologische Realisierung von Strukturen mit einem Formgedächtniseffekt vor. Die Textilien sollen gezielt vorbestimmte Geometrien annehmen können, um sich an Defekte interaktiv anzupassen und um komplexe Eingriffe zum Überbrücken bzw. zum Stützen von Defekten an inneren Organen wie Gefäßen und Nerven zu vereinfachen. Ein weiterer Wirkmechanismus soll darüber hinaus die elektromechanische Stimulation mit dem Ziel der aktiven, gezielten Anregung des Zellwachstums ermöglichen. Somit soll die Regeneration beschleunigt bzw. überhaupt erst ermöglicht werden, da die erforderlichen Stimuli zur gewebe- und zellangepassten Wachstumsanregung insbesondere bei schwach bzw. nicht durchbluteten Körpergeweben, wie Knorpeln, Sehnen, Bändern, oder bei Wundheilungsstörungen oder chronischen Wunden fehlen. Es sollen weiterhin neuartige Bioreaktoren mittels intrinsischen Eigenschaften der textilen Strukturen entwickelt werden, die den Wirkmechanismus zur elektromechanischen Stimulation nutzen, um selbst in hochkomplexen und großskaligen Zellträgerstrukturen die Zellen an jeder Stelle gleichmäßig zu stimulieren. Die mechanischen Reize gehen hierbei vom Material selbst aus. Diese materialintrinsische Stimulation stellt eine neue Methode für die optimale Zellkultivierung dar, sodass die Zellen auf den textilen Zellträgerstrukturen unter Verzicht auf extern angelegte Flüssigkeitsströmungen oder mechanische Verformungen stimuliert werden können. Damit sollen zwei anerkannte medizintechnische Probleme behoben werden: 1) Komplizierte, aufwändige und mit minimalinvasiven Verfahren schwer oder nicht zu realisierende Operationen an innenliegenden Organen, Gefäßen oder Nerven sowie 2) fehlende gewebe- und zellangepassten Stimuli zur Anregung des Wachstums seitens der bisher verwendeten Ersatzstrukturen und ‑materialien sowie derzeit verfügbarer dynamischer Zellkultursysteme.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21022 BR/1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Darüber hinaus möchten wir den Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses für ihre Unterstützung während der Projektbearbeitung danken.

Der Markt für nachhaltige Faserverbundlösungen ist besonders interessant für kleine und mittelständische Firmen, weil die Sensibilität für das ökologische Bewusstsein und der Wunsch nach nachhaltigen und zugleich hochwertigen Lösungen in Europa und insbesondere in Deutschland im internationalen Vergleich stark ausgeprägt ist. Gleichzeitig sind Naturfaserkunststoffe derzeit noch ein Nischenmarkt und der sich von Produkten abhebt, die ausschließlich über den günstigsten Preis verkauft werden. Folglich unterliegt dieser Markt weniger der Konkurrenz- und dem Preiswettbewerb aus Niedriglohnländern, beziehungsweise Großunternehmen, die über entsprechend große Stückzahlen, Skaleneffekte realisieren.

Ziel des Projekts ist die Nutzbarmachung von naturfaserverstärktem Kunst-stoff (NFK) mit gesteigerten Dämpfungseigenschaften für Strukturbauteile am Beispiel eines Federbeins für ein Ultraleichtflugzeug. Hierdurch soll eine ökologische Alternative zu konventionellem Leichtbaumaterial, wie Aluminium und Verbundwerkstoffen auf Basis von Glas- und Carbonfasern, bereitgestellt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, gliedert sich das Projekt in die Teilschritte: Computergestützte Auslegung des Strukturbauteils mittels FEA-Methoden, lastfalloptimierte Fertigung des Bauteils und Validierung im Feldtest. Dies erfolgt exemplarisch anhand eines Federbeins für ein Leichtbauflugzeug der Firma Viethen.

Der im Projekt gewählter Ansatz hat ein Ziel, eine kosten- und zeiteffiziente Methode für die Entwicklung von hochbeanspruchten Leichtbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit Verstärkung aus nachwachsenden Rohstoffen zu zeigen. Der Ansatz soll die Anreize für weitere Wirtschaftszweige geben, nachwachsende Rohstoffe durch abschätzbare Eigenschaften und Kostenstruktur in deren Produkten öfters zu verwenden. Darüber hinaus kann diese Projektmethode für bereits vorhandene Werkstoffkombinationen mit Verstärkung aus Glas- sowie Kohlenstofffasern angewendet werden und zu Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung beitragen.

Projektpartner
CompDesE, Firma Viethen

Das Forschungsvorhaben NFK-Federbein (UW-01-054B) wurde am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA), der Firma Viethen und der Firma CompDesE GmbH durchgeführt. Es wurde von der Landesregierung Nordrhein-Westfalen im Sonderprogramm Umweltwirtschaft im Rahmen der Corona-Hilfe gefördert.

Defizite aktueller Qualitätssicherungssysteme für Tape-Legeprozesse
In den letzten Jahren wurden Online-Qualitätssicherungssysteme für Automated Tape Laying (ATL) bzw. Automated Fiber Placement (AFP) Prozesse im Rahmen akademischer und industrieller Forschungsprojekten entwickelt, um die Produktivität dieser Prozesse zu steigern. Diese Systeme erfassen während der automatischen Faserablage entstandene Fehler, wie beispielsweise Gassen, Überlappungen und Falten. Allerdings können Fehler erst erkannt werden, wenn diese bereits abgelegt wurden. Eine aktive Fehlervermeidung ist mit diesen Ansätzen nicht möglich.

Auf Basis der Online-Daten dieser Qualitätsüberwachungsystemen wurden „In-situ“-Simulationsansätze entwickelt, die die "as-built"-Eigenschaften eines abgelegten Bauteils simulieren. Damit wird eine Entscheidung ermöglicht, ob ein entstandener Fehler im abgelegten Laminat verbleiben kann oder entfernt werden sollte. Da die Daten während des Ablegeprozesses erfasst werden, stehen jedoch nur sehr kurze Simulationszeiten zur Verfügung, wodruch eine genaue Vorhersage der Bauteileigenschaften erschwert wird. Ein weitere Nachteil dieser Systeme ist, dass sie zwar Defekte im Laminat bzw. Preform, aber nur in sehr begrenztem Umfang Defekte im Eingangsmaterial (z. B. Abweichung des Faservolumenanteils, geometrische Toleranzen) erkennen können. Dies ist insbesondere für thermoplastische Prepreg-Tapes entscheidend. Diese weisen deutlich häufiger Materialfehler auf als etablierte und ausgereifte Epoxid-basierte Prepreg-Tapes. Im Gegensatz zu Epoxid-Prepreg-Tapes werden materialbedingte Defekte (z. B. Porosität) zudem bei der laser-basierten In-situ-Konsolidierung von thermoplastischen Tapes durch den Entfall einer nachgeschalteten Autoklavkonsolidierung nicht mehr kompensiert. Daher ist die Materialqualität von thermoplastischen Prepreg-Tapes von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Prozesstabilität und Laminatqualität zu erreichen.

Aktive Fehlervermeidung durch kontinuierliche, zerstörungsfreie Qualitätsanalyse von UD-Tapes
Ziel des TapeCheckSim-Projektes ist es, das Auftreten von materialbedingten Fehlern bei der automatisierten Faserablage von thermoplastischen Prepreg- und Trockenfaser-Tapes zu vermeiden. Dies wird durch eine vorgelagerte Qualitätsanalyse des Materials realisiert. Zu diesem Zweck entwickeln die SURAGUS GmbH (Dresden, Deutschland) und die Textechno H. Stein GmbH & Co. KG (Mönchengladbach) geeignete Sensorsysteme, die durch eine kontinuierlichen, zerstörungsfreien Prüfung eine 100 % Inspektion des Tape-Materials ermöglichen. Materialfehler werden dabei auf der Tape-Spule erkannt und lokalisiert. Diese Informationen bilden den „digitalen Zwilling“ einer jeden Tape-Spule. Die Zusammenhänge zwischen der Tape-Qualität und den daraus resultierenden mechanischen Verbundeigenschaften werden am Insitut für Texiltechnik Aachen (ITA) untersucht.

Die Bahnplanungssoftware des Tape-Legesystems liefert Informationen über die Ablegeposition eines Materialabschnittes im Bauteil. In der „pre-build“ Bauteilsimulation, die am ITA entwickelt wird, werden die Ablegepositionen und die Materialeigenschaften eines Tape-Abschnittes zu einem digitalen Zwilling des fehler-behafteten Bauteils verknüpft. Das Simulationsmodell ermöglicht damit eine Prognose, ob der induzierte Fehler im Bauteil zu einem kritischen Bauteilverhalten führen würde bevor der Tape-Legeprozess überhaupt gestartet wurde. In einem kritischen Fall wird der entsprechende Tape-Abschnitt durch das Tape-Legesystem ausgeschnitten und somit nicht abgelegt. Die neue Prozesskette wird auf den Anlagen der AFPT GmbH (Dörth, Deutschland) implementiert. Die Implementierung der notwendigen Infrastruktur für den Datenaustausch zwischen den einzelnen Teilsystemen und die Datenverarbeitung wird von der nebumind GmbH (Taufkirchen) durchgeführt.

Durch den Entfall von hohen Nebenzeiten für die Prüfung und Fehlerkorrektur, trägt die aktive Fehlervermeidung zu einer Produktivitätssteigerung von Tape-Legeprozessen bei. Durch die Vermeidung von hohen Sicherheitsaufschlägen kann der Materialeinsatz weiter optimiert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Tape-Qualität und mechanischen Bauteileigenschaften vereinfachen die Materialauswahl und erhöhen die Zugänglichkeit der Tape-Legetechnologie für den Anwender.

Danksagung
Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau (TTP LB) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) (Förderkennzeichen: 03LB5001E) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Am ITM erfolgte im IGF-Projekt 20903 BR (Gekrümmte Profilpreformen) die simulationsgestützte Entwicklung und webtechnische Umsetzung integral gefertigter gekrümmter Profilpreformen mit anforderungsgerechter Querschnittsänderung entlang der Profillänge zur Verstärkung schalenförmiger FKV-Bauteile.