Die Optimierung der Anordnung von Objekten ist eine alte Herausforderung in der Wirtschaft. Anwendungsfälle erstrecken sich von der Stauraumoptimierung bei der Beladung von Lkws, Schiffen und Flugzeugen in der Logistik über die Packungsoptimierung bis zur Zuschnittoptimierung in den metall-, textil- und holzverarbeitenden Industrien. Die große Spanne an Szenarien und Randbedingungen erfordert jeweils angepasste Lösungsalgorithmen. Mit den neuen Herstellungstechnologien des Rapid Prototyping (zum Beispiel 3D-Druck oder Lasersintering), erlangt eine neue Ausprägung des Problemraums wirtschaftliche Bedeutung. Zur Lösung des Problems, soll untersucht werden, inwieweit sich etablierte Algorithmen der Stauraum- und Packungsoptimierung an die neuen Randbedingungen anpassen lassen und ob sich Algorithmen zur Zuschnittoptimierung in die dritte Dimension übertragen lassen.

Der 3D-Druck greift als Vervielfältigungsgerät in das Kernrecht des Urhebers ein. Der private Nutzer kann mit “Copy and Paste” alle Objekte drucken. Das Vervielfältigungsrecht des Urhebers wird durch eine private Nutzung von 3D-Druckern zu Hause, in FabLabs, Hackerspaces oder 3D-Druck Copyshops eingeschränkt werden. Das Urheberrecht als Eigentumsrecht aus Art. 14 GG wird mit dem Recht des Nutzers auf Information und Meinungsfreiheit nach Art. 5 GG abgewogen. Diese Abwägung ist in Zeiten der Digitalisierung, des Internets und der neuen Technologien eine der wichtigsten für das geistige Eigentum. Mit dem 3D-Druck steht und fällt die Frage nach der Vervielfältigungsfreiheit und der Suche nach alternativen Vergütungsmodellen. Schafft der § 53 Abs.1, Abs. 7 UrhG einen Interessenausgleich zwischen Urhebern und Nutzern? Die Arbeit untersucht die Vervielfältigung von Werken der angewandten Kunst unter dem Aspekt der Geburtstagszugentscheidung des BGH und macht die notwendige rechtlichen Änderungen deutlich. / 3D printing is not only a technical topic but also a topic for creators. The 3D printer intervenes the core right of creators and makes copyright issues obvious. 3D printing is a new usage under section § 31 UrhG. The private user can "copy and paste" to reproduce any objects. The question is how the right of the creator can be restricted by private use of 3D printers at home, in FabLabs, hackerspaces or 3D printing copy shops. Copyright as a property right in Art. 14 GG faces the user's right to information and freedom of expression under Art. 5 GG. Balancing these two fundamental rights is one of the crucial questions for intellectual property in times of digitization, internet and new technologies, as 3D printing is also about freedom of reproduction and alternative compensation models. To what extent creates section § 53 para. 1, para. 7 UrhG a balance of interests for applied art? This present works examines the reproduction of applied art under the “Geburtstagszugentscheidung” and the necessity of reforming legislation in the age of 3D printers.

Im Rahmen der additiven Fertigungsplanung bietet die geometriebasierte individuelle Fertigungsparametrisierung das Potential die Fertigungsgeschwindigkeit und -qualität weiter zu steigern. Dafür ist eine automatische Erkennung der zu fertigenden Geometriennotwendig, weshalb diese Arbeit die Eignung von faltungsbasierten künstlichen neuronalen Netzen zur Detektion von Regelgeometrien in Voxeldaten untersucht. Hierfür wird ein faltungsbasierter Detektionsalgorithmus entworfen und implementiert, welcher in der Lage ist, zylindrische, sphärische und ebene Flächen zu identifizieren. Dieser Algorithmus erreicht bei der Analyse von realen CAD-Daten eine Intersection over Union von 77,99% bzw. einen Dice-Score von 87,63 %. Dies entspricht den von vergleichbaren Algorithmen erreichten Genauigkeitswerten und bestätigt die Eignung des gewählten Ansatzes.:Kurzfassung III Abstract IV Abkürzungsverzeichnis VII Formelzeichen und Symbole VIII 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielstellung 2 1.3 Struktur der Arbeit 2 2 Stand der Forschung 4 2.1 Überblick CAM-Prozess 4 2.2 Geometrierepräsentationen 5 2.3 Deep Learning und faltungsbasierte neuronale Netze 9 2.3.1 Grundlagen des maschinellen Lernens 9 2.3.2 Künstliche Neuronale Netze 12 2.3.3 Faltungsbasierte neuronale Netze 15 3 Anforderungen und Konzeption 24 3.1 Vorgehensmodell und Anforderungen 24 3.2 Lösungskonzept 27 3.2.1 Struktur des Algorithmus 27 3.2.2 Versuchsplanung 31 4 Datengenerierung 32 4.1 Trainings- und Validierungsdaten 32 4.2 Testdaten 37 5 Auswahl, Training und Optimierung eines CNN-Algorithmus 39 5.1 Auswahl und Vorstellung des CNN-Algorithmus 39 5.2 Training des CNN-Algorithmus 41 5.3 Optimierung des CNN-Algorithmus 46 6 Transferlernen und Postprocessing 50 6.1 Transferlernen 50 6.1.1 Generierung von Trainings- und Validierungsdaten 51 6.1.2 Auswirkungen des Transferlernens 53 6.2 Postprocessing 55 6.2.1 Ersetzen von unsicheren Klassifizierungsergebnissen 55 6.2.2 Ersetzen von Ausreißern 57 7 Diskussion der Ergebnisse 58 7.1 Erreichte Detektionsleistung 58 7.2 Beschränkungen der Implementierung 61 8 Zusammenfassung 65 8.1 Zusammenfassung 65 8.2 Ausblick 66 Literaturverzeichnis 68 Abbildungsverzeichnis 75 Tabellenverzeichnis 77 Anlagenverzeichnis 78 Selbstständigkeitserklärung 79 / In the context of additive manufacturing planning, geometry-based individual manufacturing parameterization offers the potential to further increase manufacturing speed and quality. For this purpose, an automatic detection of the geometries to be manufactured is necessary, which is why this thesis investigates the suitability of convolution-based artificial neural networks for the detection of regular geometries in voxel data. Therefore, a convolutional-based detection algorithm is designed and implemented, which is able to identify cylindrical, spherical and planar surfaces. This algorithm achieves an intersection over union detection accuracy of 77.99% and a dice score of 87.63 %, respectively, when analyzing real CAD data. This is in line with the accuracy values achieved by comparable algorithms and confirms the suitability of the chosen approach.:Kurzfassung III Abstract IV Abkürzungsverzeichnis VII Formelzeichen und Symbole VIII 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielstellung 2 1.3 Struktur der Arbeit 2 2 Stand der Forschung 4 2.1 Überblick CAM-Prozess 4 2.2 Geometrierepräsentationen 5 2.3 Deep Learning und faltungsbasierte neuronale Netze 9 2.3.1 Grundlagen des maschinellen Lernens 9 2.3.2 Künstliche Neuronale Netze 12 2.3.3 Faltungsbasierte neuronale Netze 15 3 Anforderungen und Konzeption 24 3.1 Vorgehensmodell und Anforderungen 24 3.2 Lösungskonzept 27 3.2.1 Struktur des Algorithmus 27 3.2.2 Versuchsplanung 31 4 Datengenerierung 32 4.1 Trainings- und Validierungsdaten 32 4.2 Testdaten 37 5 Auswahl, Training und Optimierung eines CNN-Algorithmus 39 5.1 Auswahl und Vorstellung des CNN-Algorithmus 39 5.2 Training des CNN-Algorithmus 41 5.3 Optimierung des CNN-Algorithmus 46 6 Transferlernen und Postprocessing 50 6.1 Transferlernen 50 6.1.1 Generierung von Trainings- und Validierungsdaten 51 6.1.2 Auswirkungen des Transferlernens 53 6.2 Postprocessing 55 6.2.1 Ersetzen von unsicheren Klassifizierungsergebnissen 55 6.2.2 Ersetzen von Ausreißern 57 7 Diskussion der Ergebnisse 58 7.1 Erreichte Detektionsleistung 58 7.2 Beschränkungen der Implementierung 61 8 Zusammenfassung 65 8.1 Zusammenfassung 65 8.2 Ausblick 66 Literaturverzeichnis 68 Abbildungsverzeichnis 75 Tabellenverzeichnis 77 Anlagenverzeichnis 78 Selbstständigkeitserklärung 79

Die 3D-Drucktechnologie bietet eine Möglichkeit zur digitalen Funktionalisierung textiler Substrate. Jedoch hemmen fehlende Grundlagen, die geringe Materialpalette für textile Anwendungen, hohe Investitionskosten und lange Druckzeiten den Einsatz in der Textilindustrie. Die Arbeit befasst sich mit verschiedenen Einflüssen auf die Haftfestigkeit von 3D-Druck-Textil-Verbunden. Zudem werden die Effekte der 3D-Druckschichten auf die Eigenschaften der Textilien ermittelt. Dafür werden vier Gewebe und zwei Gestricke durch drei Druckmodule mit drei thermoplastischen Filamenten, einem thermoplastischen Granulat sowie einem Silikonkautschuk bedruckt. Die Einflüsse der Faktoren Textilart, Faserstoff, Textilausrichtung, Textildicke und -oberfläche sowie die Druckmodule mit den verarbeitbaren Druckmaterialien werden experimentell untersucht. Die größten signifikanten Effekte auf die Haftfestigkeit hat die Materialwahl, wobei der Effekt des Druckmaterials größer ist als der Einfluss des Textils. Die Druckschichten beeinflussen die textilen Eigenschaften unterschiedlich stark. Die thermoplastischen Materialien erhöhen die breitenbezogene Biegesteifigkeit der Textilien je nach Druckmaterial und Schichtdicke. Das Zugverhalten der Substrate wird durch die Druckschichten bis auf einzelne Ausnahmen kaum beeinflusst. Die Abriebbeständigkeit der Textilien kann durch 3D-gedruckte Strukturen soweit erhöht werden, dass sie Scheuerversuchen mit erhöhten Anforderungen gegenüber Sandpapier standhalten. Insgesamt ergänzt die Arbeit den Forschungsstand um Erkenntnisse zum 3D-Druck auf Textilien mithilfe unterschiedlicher Druckmodule. Zur verwendbaren Materialpalette gehören auch in anderen Veredlungsprozessen verwendete Materialien. Beispiele und Druckmuster veranschaulichen Anwendungspotenziale in den Bereichen der Sport-, Arbeits- und technischen Textilien.:Abkürzungen und Symbole Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Begriffe und Verfahren in der additiven Fertigung 2.1.1 Polymerisation/Stereolithographie 2.1.2 Sintern und Schmelzen 2.1.3 Extrusionsverfahren/Schmelzschichtung 2.2 Forschungsstand der additiven Fertigungsverfahren in der Textilindustrie 2.2.1 Textil- bzw. Bekleidungsherstellung 2.2.2 Textilmodifikation 2.2.3 Zusammenfassung zum Forschungsstand 2.3 Überblick zur Haftfestigkeit 2.4 Zielstellung 3 Maschinentechnik, Materialien und Methoden 3.1 Versuchsanlage am STFI 3.1.1 Filamentextruder 3.1.2 Nadelventil 3.1.3 Dispensersystem 3.2 Materialien 3.2.1 Textile Substrate 3.2.2 Druckmaterialien 3.3 Versuchsplanung und -durchführung 3.3.1 Datenvorbereitung und Druckparameter 3.3.2 Versuchsplanung 3.3.3 Prüfverfahren 3.4 Methoden der statistischen Auswertung 4 Untersuchung zur Haftfestigkeit 4.1 Einzeleffekte des Drucksubstrats 4.2 Einzeleffekte des Druckmaterials 4.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zu den Einzeleffekten auf die Haftfestigkeit 4.4 Interaktion der Parameter unterschieden nach Wahl des Textils 4.5 Interaktion der Parameter unterschieden nach verwendetem Druckmodul 4.6 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Haftfestigkeit 5 Charakterisierung der hergestellten Verbunde 5.1 Qualitative Beurteilung der Grenzflächen durch mikroskopische Aufnahmen 5.2 Dickenabweichung von der Sollschichtdicke 5.2.1 Abweichung von der Solldicke der reinen Druckschichten 5.2.2 Abweichung von der Sollschichtdicke der bedruckten Textilien 5.2.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Dickenabweichung von der Sollschichtdicke 6 Einfluss der applizierten 3D-Druckschichten auf die textilen Eigenschaften 6.1 Einfluss auf die Biegesteifigkeit 6.1.1 Biegesteifigkeiten der Ausgangsmaterialien 6.1.2 Biegesteifigkeiten der bedruckten Textilien 6.1.3 Einfluss der Biegerichtung auf die Biegesteifigkeiten 6.1.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Biegesteifigkeit 6.2 Einfluss auf das Zugverhalten 6.2.1 Zugverhalten der Ausgangsmaterialien 6.2.2 Zugverhalten der bedruckten Textilien 6.2.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Zugverhalten 6.3 Einfluss auf das Abriebverhalten 6.3.1 Abriebverhalten der Ausgangsmaterialien 6.3.2 Abriebverhalten der bedruckten Textilien 6.3.3 Einfluss der verwendeten Druckgeometrie auf das Abriebverhalten 6.3.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Abriebverhalten 6.4 Waschbeständigkeit der bedruckten Textilien 7 Bewertung der erzielten Ergebnisse 7.1 Bewertung und Vergleich der Ergebnisse mit dem Forschungsstand 7.2 Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks auf textilen Substraten 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Anhang 10.1 Anhang zum Kapitel Methoden der statistischen Auswertung 10.2 Anhang zum Kapitel Haftfestigkeit 10.3 Anhang zum Kapitel Mikroskopie 10.4 Anhang zum Kapitel Dickenabweichung 10.5 Anhang zum Kapitel Biegesteifigkeit 10.6 Anhang zum Kapitel Zugverhalten 10.7 Anhang zum Kapitel Abriebverhalten / 3D printing technology offers an opportunity for digital functionalization of textile substrates. But lack of fundamentals, the small range of materials for textile applications, high investment costs and long printing times inhibit its use in the textile industry. This thesis addresses various influences on the adhesion strength of 3D printed textile composites. In addition, the effects of the 3D printed layers on the properties of the textiles are determined. For this purpose, four woven and two knitted fabrics are printed by three printing modules with three thermoplastic filaments, one thermoplastic granulate and one silicone rubber. The influences of the factors textile type, fiber material, textile orientation, textile thickness and surface as well as the printing modules with the processable printing materials are investigated experimentally. The greatest significant effects on adhesion are due to the choice of material, with the effect of the printing material being greater than the influence of the textile. The printing layers affect the textile properties to different degrees. The thermoplastic materials increase the width-related bending stiffness of the textiles depending on the printing material and layer thickness. With a few exceptions, the tensile behavior of the substrates is hardly affected by the printing layers. The abrasion resistance of the textiles can be increased by 3D-printed structures to such an extent that they can withstand abrasion tests with increased requirements compared to sandpaper. All in all, the work adds to the state of research knowledge on 3D printing on textiles using different printing modules. The range of materials that can be printed also includes materials used in other finishing processes. Examples and printed samples illustrate potential applications in the fields of sports, work and technical textiles.:Abkürzungen und Symbole Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Begriffe und Verfahren in der additiven Fertigung 2.1.1 Polymerisation/Stereolithographie 2.1.2 Sintern und Schmelzen 2.1.3 Extrusionsverfahren/Schmelzschichtung 2.2 Forschungsstand der additiven Fertigungsverfahren in der Textilindustrie 2.2.1 Textil- bzw. Bekleidungsherstellung 2.2.2 Textilmodifikation 2.2.3 Zusammenfassung zum Forschungsstand 2.3 Überblick zur Haftfestigkeit 2.4 Zielstellung 3 Maschinentechnik, Materialien und Methoden 3.1 Versuchsanlage am STFI 3.1.1 Filamentextruder 3.1.2 Nadelventil 3.1.3 Dispensersystem 3.2 Materialien 3.2.1 Textile Substrate 3.2.2 Druckmaterialien 3.3 Versuchsplanung und -durchführung 3.3.1 Datenvorbereitung und Druckparameter 3.3.2 Versuchsplanung 3.3.3 Prüfverfahren 3.4 Methoden der statistischen Auswertung 4 Untersuchung zur Haftfestigkeit 4.1 Einzeleffekte des Drucksubstrats 4.2 Einzeleffekte des Druckmaterials 4.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zu den Einzeleffekten auf die Haftfestigkeit 4.4 Interaktion der Parameter unterschieden nach Wahl des Textils 4.5 Interaktion der Parameter unterschieden nach verwendetem Druckmodul 4.6 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Haftfestigkeit 5 Charakterisierung der hergestellten Verbunde 5.1 Qualitative Beurteilung der Grenzflächen durch mikroskopische Aufnahmen 5.2 Dickenabweichung von der Sollschichtdicke 5.2.1 Abweichung von der Solldicke der reinen Druckschichten 5.2.2 Abweichung von der Sollschichtdicke der bedruckten Textilien 5.2.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Dickenabweichung von der Sollschichtdicke 6 Einfluss der applizierten 3D-Druckschichten auf die textilen Eigenschaften 6.1 Einfluss auf die Biegesteifigkeit 6.1.1 Biegesteifigkeiten der Ausgangsmaterialien 6.1.2 Biegesteifigkeiten der bedruckten Textilien 6.1.3 Einfluss der Biegerichtung auf die Biegesteifigkeiten 6.1.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Biegesteifigkeit 6.2 Einfluss auf das Zugverhalten 6.2.1 Zugverhalten der Ausgangsmaterialien 6.2.2 Zugverhalten der bedruckten Textilien 6.2.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Zugverhalten 6.3 Einfluss auf das Abriebverhalten 6.3.1 Abriebverhalten der Ausgangsmaterialien 6.3.2 Abriebverhalten der bedruckten Textilien 6.3.3 Einfluss der verwendeten Druckgeometrie auf das Abriebverhalten 6.3.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Abriebverhalten 6.4 Waschbeständigkeit der bedruckten Textilien 7 Bewertung der erzielten Ergebnisse 7.1 Bewertung und Vergleich der Ergebnisse mit dem Forschungsstand 7.2 Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks auf textilen Substraten 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Anhang 10.1 Anhang zum Kapitel Methoden der statistischen Auswertung 10.2 Anhang zum Kapitel Haftfestigkeit 10.3 Anhang zum Kapitel Mikroskopie 10.4 Anhang zum Kapitel Dickenabweichung 10.5 Anhang zum Kapitel Biegesteifigkeit 10.6 Anhang zum Kapitel Zugverhalten 10.7 Anhang zum Kapitel Abriebverhalten

Wikipedia umschreibt die Topologieoptimierung als ein computerbasiertes Berechnungsverfahren, durch welches eine günstige Grundgestalt (Topologie) für Bauteile unter mechanischer Belastung ermittelt werden kann. Durch die Verwendung von 3D-Druck-Verfahren wird die Gestaltung der Komponenten revolutioniert, weil diese nicht mehr abhängig vom Fertigungsverfahren sind. Dabei werden auch optimale Gitterstrukturen innerhalb der Komponenten immer wichtiger. Diese neuen Herausforderungen können im Creo Umfeld mit ProTopCI (Hersteller CAESS, PTC Partner Advantage, Silver) elegant gelöst werden. Im Vortrag (mit Live-Demonstration) werden die neuen Möglichkeiten dieser innovativen Lösung beleuchtet: Modellerzeugung in Creo Simulate (FEM-Mode): - Verschiedene Lastfälle, - Kontakte, - Schraubenverbindungen, - CAD-Geometrie, - zu optimierende Bereiche, ... Technologische Randbedingungen zur Berücksichtigung des Fertigungsverfahren Innovatives Erzeugen/Optimieren der Gitterstrukturen Glätten, Exportieren der optimierten Geometrie

Durch die Verwendung von 3D-Druck-Verfahren wird die Gestaltung der Komponenten revolutioniert, weil die Form nicht mehr abhängig vom Fertigungsverfahren ist. Dabei werden auch optimale Gitterstrukturen innerhalb der Komponenten immer wichtiger. Diese Stützstrukturen können in Creo Parametric 4.0 mit dem neuen «Lattice-Feature» modelliert und Creo Simulate analysiert werden. Parallel dazu kann man mit ProTopCI (Hersteller CAESS, PTC Partner Advantage, Silver) eine Topologieoptimierung mit Stützstrukturen durchführen. Der Vortrag beleuchtet die Unterschiede dieser 2 Methoden.

Hintergrund: Die Anzahl von Knochenfrakturen im Zusammenhang mit Traumata, sowie osteoporosebedingten Fragilitätsfrakturen oder auch Knochendefekten in Folge von Tumorresektionen steigt stetig an. Die Nutzung autologen, aber auch allogenen und xenogenen Spendermaterials ist limitiert. Eine vielversprechende Alternative sind Knochenkonstrukte, die über einen Tissue Engineering-Ansatz hergestellt werden. Dabei werden resorbierbare Biomaterialien mit biologisch aktiven Substanzen wie Wachstumsfaktoren oder Zellen kombiniert. Diese funktionalisierten Konstrukte regen nach einer Implantation in den Patienten die gesunde Knochensubstanz zur Heilung an und resorbieren idealerweise zugunsten des nachwachsenden, natürlichen Knochens. Eine neuartige Form des Tissue Engineerings ist der 3D-Biodruck („Bioprinting“), bei dem biologisch aktive Proteine und/oder Zellen mit Biomaterialien vermischt werden und anschließend durch ein additives Fertigungsverfahren zu Konstrukten verarbeitet werden. Dies hat einige Vorteile: Z.B. die Fertigung eines patientenspezifischen Konstrukts, welches direkt an den Defekt angepasst ist, aber auch eine gute Einstellbarkeit der Porosität des finalen Konstrukts, was vorteilhaft für die Nährstoffversorgung und Vaskularisierung sein kann. Vor allem erlaubt es eine ortsaufgelöste Verteilung, wodurch beispielsweise Zellen in einem Konstrukt so positioniert werden können, dass diese zu einem gewebeähnlichen Knochenkonstrukt reifen können. Fragestellung: Im letzten Jahrzehnt wurden einige technologische Fragestellungen im Bereich des Bioprintings gelöst. Für das Knochen-Tissue Engineering sind bisher allerdings nur wenige Ansätze präsentiert wurden. Dies liegt unter anderem daran, dass im Bioprinting vor allem Hydrogele verarbeitet werden. Diese sind allerdings sowohl chemisch, als auch mechanisch weit von natürlichem Knochengewebe entfernt und daher weniger als Knochenersatz geeignet. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, ob (Bio-)printing eine für Knochen-Tissue Engineering-Strategien geeignete Methode ist. Dazu wurden zwei vielversprechende Ansätze verfolgt: (I) Mehrphasendruck von bioaktiven Calciumphosphatzementen in Kombination mit Zellen oder mit Wachstumsfaktoren funktionalisierten, biologisch aktiven Hydrogelen. (II) Entwicklung einer neuen Bioink, indem ein wachstumsfaktor- oder zellbeladenes Hydrogel mit einem bioaktiven Füllstoff geblendet wird. Die in der Doktorarbeit vorgestellten Studien sollen dabei insbesondere die Entwicklung dieser Ansätze darstellen, sowie deren Grenzen aufzeigen. Zusätzlich sollen grundlegende mechanische und biologische Eigenschaften der biogedruckten Knochenkonstrukte untersucht werden. Materialien und Methoden: Eine Technologie, die das Prinzip des Bioprintings ermöglicht, ist das sogenannte 3D-Plotten. Mit Hilfe eines Multikanal-Plotters können mehrphasige Konstrukte (Ansatz I), aber natürlich auch einphasige Konstrukte (Ansatz II) hergestellt werden. Für Ansatz I wurde ein klinisch zugelassener Calciumphosphatzement (CPC) als bioaktive Komponente verwendet. Für Ansatz II wurde ein bisher noch wenig erforschtes Nanomaterial namens Laponit verwendet, welches großes Potential für das Tissue Engineering besitzt. Die Biopoylmere Alginat und Methylcellulose bildeten die Grundlage für plottbare, wachstumsfaktor- und zellbeladene Pasten (Biomaterial-inks bzw. Bioinks). Zur Entwicklung einer spezifischen Bioink wurde humanes gefrorenes Frischplasma verwendet. Die rheologischen Eigenschaften neu entwickelter Biomaterial-inks und Bioinks, sowie die mechanischen Eigenschaften der geplotteten Hydrogele wurden charakterisiert. Weitere Untersuchungen schlossen die Quellung der Hydrogele und die Porosität der Konstrukte ein. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Formgenauigkeit der geplotteten Strukturen gelegt. Entsprechend der Untersuchungsansätze wurden verschiedene Zelltypen verwendet, insbesondere mesenchymale Stammzellen (MSC), die direkt mit der Paste verdruckt wurden. Als Modellwachstumsfaktor diente der angiogene vascular endothelial growth factor (VEGF). Dessen Freisetzung aus geplotteten Scaffolds wurde mittels ELISA überprüft; die biologische Aktivität wurde anhand des Wachstums von humanen Nabelschnurendothelzellen (HUVEC) untersucht. Ergebnisse: Zunächst wurde untersucht, ob Multikanal-Plotten geeignet ist, um CPC-Konstrukte patientenindividuell zu fertigen. Dies wurde mit Hilfe einer auflösbaren Methylcellulosepaste erreicht. Dieses Verfahren erlaubte die Herstellung von inneren Kavitäten, die mit anderen Herstellungsverfahren nicht möglich gewesen wären. Darüber hinaus konnte aus einem CT-Scan einer Hand ein Kahnbein extrahiert und virtuell modelliert werden, welches mit hoher Formgenauigkeit geplottet werden konnte. Es wurde gezeigt, dass dies auch auf biphasige Konstrukte aus CPC und einer Bioink anwendbar ist. Dies wurde durch die Entwicklung und Verarbeitung von Bioinks ermöglicht. Biogedruckte Zellen können in vitro und in vivo spezifische biologische Effekte bewirken. Dazu wurden innerhalb der Arbeit zwei Bioinks als plottbare Zellträgermaterialien entwickelt. Eine Bioink enthielt das Nanomaterial Laponit (Ansatz II), welches bereits in anderen Studien vorteilhafte Effekte für Knochen-Tissue Engineering-Ansätze gezeigt hat. Die neuentwickelte Laponit-haltige Bioink erlaubte die Fabrikation von Konstrukten mit hoher Formgenauigkeit. Darüber hinaus war die Zellviabilität, sowie die Zelldichteentwicklung erhöht im Vergleich zu einer Laponit-freien Kontrolle. Da Laponit eine heterogene Ladungsverteilung aufweist, wurde überprüft, inwieweit es ein geeignetes Freisetzungssystem für VEGF darstellt. Scaffolds, die aus einer VEGF-haltigen Paste hergestellt wurden, wiesen ein deutlich verändertes Freisetzungsprofil in Anwesenheit von Laponit auf, als Scaffolds ohne Laponit. So konnte eine initiale Freisetzung (Burstrelease) vermieden und gleichzeitig eine gleichmäßige Freisetzung beobachtet werden. VEGF war auch nach längerer Zeit im Scaffold noch biologisch aktiv. Die zweite Bioink wurde auf Basis gefrorenen, menschlichen Frischplasmas entwickelt. Blutplasma enthält Fibrinogen, das eine RGD-Sequenz für die Anheftung von MSC besitzt. Biogedruckte MSC, aber auch präosteoblastäre Zellen, zeigten eine hohe Neigung, sich in der Bioink aufzuspreizen, was für eingekapselte Zellen erschwert ist. Die plasmahaltige Bioink war dazu geeignet, zusammen mit CPC zu biphasigen Konstrukten (Ansatz I) verarbeitet zu werden. \par Dazu musste zunächst ein Postprozessierungsprotokoll für biphasige Konstrukte aus CPC und zellhaltigen Bioinks entwickelt werden. Aus vorherigen Studien ist bekannt, dass geplottete CPC-Konstrukte in wässrigen Lösungen Mikrorisse bilden, die die mechanischen Eigenschaften signifikant verschlechtern. Die Ausbildung der Mikrorisse kann durch eine Aushärtung in wasserdampfgesättigter Atmosphäre vermieden werden. In biphasigen Konstrukten mit Bioinks sollte diese Aushärtungsphase allerdings nur kurz sein, da eine lange Inkubation ohne wässrige Zellmedien zu einem Absterben der biogedruckten Zellen führen würde. Es konnte gezeigt werden, dass eine Inkubation für 20 min in wasserdampfgesättigter Atmosphäre ausreichend ist, um die Ausbildung von Mikrorissen im CPC zu vermeiden. Diese Zeitspanne konnte von den Zellen toleriert werden. In Kombination mit der plasmahaltigen Bioink wurde eine starke Proliferation und osteogene Reifung von biogedruckten präosteoblastären Vorläufern beobachtet. Schlussfolgerungen: In der vorliegenden Doktorarbeit wurde das Prinzip des extrusionsbasierten Biodrucks (3D-Plotten) verwendet, um biofunktionelle Konstrukte herzustellen. Dies erfolgte entweder durch die Beladung mit Wachstumsfaktoren oder mit Zellen vor der Fabrikation der Konstrukte. Bioaktive Materialien wurden entweder durch Multikanal-Plotten oder durch Supplementierung einer Bioink eingebracht. Beide Ansätze können prinzipiell sogar miteinander kombiniert werden. Die erzielten Ergebnisse belegen, dass Bioprinting eine geeignete Methode für das Knochen-Tissue Engineering darstellt. Patientenindividualisierte Konstrukte können mit dieser Technologie gefertigt werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend können weitere Untersuchungen in vivo die Wirksamkeit der vorgestellten Ansätze überprüfen und neue Therapieansätze für die Heilung von Knochendefekten entwickelt werden.:Abstract 9 Zusammenfassung 13 Index of Abbreviations 19 List of Figures 20 Preface 23 i generalis 1 introduction to the topic 29 1.1 Background 29 1.2 Terminology 29 1.3 Physiological Properties of Bone Tissue 31 1.3.1 Composition of Bone 31 1.3.2 Bone Cytology 33 1.3.3 Crosstalk 34 1.4 Bone Grafting 34 1.4.1 Biopolymers 35 1.4.2 Calcium Phosphates 38 1.4.3 Nanoclays 41 1.5 Additive Manufacturing in Medicine & Bioprinting 43 1.5.1 Additive Manufacturing in Tissue Engineering 43 1.5.2 Bioprinting Techniques 44 1.6 Bioinks & Biomaterial Inks 48 1.6.1 Rheology 48 1.6.2 Plottability & Shape Fidelity 49 1.6.3 Post-Processing 52 1.6.4 Biocompatiblity & Biodegradation 53 1.6.5 The Biofabrication Window 53 2 aim of the thesis 55 2.1 Preliminary Studies 55 2.2 Research Questions 57 ii specialis 3 A methylcellulose hydrogel as support for 3D plotting of complex shaped calcium phosphate scaffolds 61 4 Development of a clay based bioink for 3D cell printing for skeletal application 77 5 Bioprinting of mineralized constructs utilizing multichannel plotting of a self-setting calcium phosphate cement and a cell-laden bioink 97 6 A novel plasma-based bioink stimulates cell proliferation and differentiation in bioprinted, mineralized constructs 113 iii conclusio 7 Summary & Conclusion 133 7.1 Bioprinting of bone tissue constructs 133 7.2 Technological Improvements 134 7.3 Bioink Development 136 7.4 Limitations & Future Research Directions 138 Bibliography 140 Danke 155 Appendix Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 165 Erklärung über die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen 166 Auszug aus dem Journal Citation Report 166 Conferences 167 / Background: The number of trauma-related bone fractures, fragility fractures resulting from osteoporosis or bone defects after tumor resections is increasing. The usability of autologous, but also allogenous and xenogenous bone grafts is limited. Bone grafts being manufactured using a tissue engineering approach are a promising alternative. For this, resorbable biomaterials are combined with biological components such as cells and growth factors. These functionalized constructs stimulate the formation of novel bone tissue after implantation in the patient and resorb in favor of regrowing, native bone. A new form of tissue engineering is 3D bioprinting. Biologically active proteins and/or cells are mixed with biomaterials and get fabricated to constructs by a convenient additive manufacturing technology. This offers great advantages. For example, the patient-specific tissue engineered constructs can be manufactured fitting exactly to the respective defect. Further, it allows full control about the porosity of the final construct which is considered to be advantageous for nutrient supply and vascularization. Most crucial, it allows the spatial distribution of cells within the three-dimensional construct, which facilitate the maturation of the construct to the tissue-like graft. Research Questions: In the last decade some technological challenges in the field of bioprinting have been solved. Nevertheless, for bone tissue engineering only a small number of approaches had been developed. One of the reasons for this is that bioprinting technologies usually enable the processing of materials that are chemically and mechanically rather distant from the bone, particularly hydrogels. These materials are less suitable as bone substitutes. The aim of this work was to research new approaches of extrusion-based (bio-)printing for bone tissue engineering strategies. For this purpose two promising approaches were investigated: (I) Multichannel printing of bioactive calcium phosphate cements in combination with biologically active hydrogels which were loaded either with growth factors or cells. (II) Development of a new bioink by supplementation of growth factor- or cell-laden hydrogels with a bioactive filler material. The presented studies of this thesis demonstrate the feasibility of these approaches as well as their limits. In addition, fundamental mechanical and biological properties of the bioprinted bone constructs are investigated. Materials and Methods: A technology that makes the principle of bioprinting possible is the so-called 3D plotting. With the aid of a multichannel plotter, multiphasic constructs can be fabricated (approach I), but of course also monophasic constructs are possible (approach II). For approach I, a clinically certified calcium phosphate cement (CPC) was used as bioactive component. For approach II, a less investigated nanomaterial called Laponite was used which was shown before to hold great potential for tissue engineering applications. The biopolymers alginate and methylcellulose formed the basis for plottable, growth factor-laden (biomaterial inks) and cell-laden (bioinks) pastes. For the development of one specific bioink, human fresh frozen plasma was used. Rheological properties of the newly developed biomaterial inks and bioinks were characterized, additionally mechanical properties of plotted constructs were investigated. Further studies investigated the swelling of the hydrogels and the porosity of the constructs. Particular attention was payed to the shape fidelity of the plotted structures. Different cell types were used according to the aim of the subject of research; special attention was payed to the use of mesenchymal stem cells which were plotted directly in combination with the biomaterial, forming the bioink. The angiogenic vascular endothelial growth factor (VEGF) was used as model protein for release studies from bioprinted structures; its biological activity was investigated by proliferation studies of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC). Results Firstly, it was investigated whether multichannel plotting is a suitable technology for the fabrication of patient-specific CPC constructs. This was achieved by plotting of a fugitive methylcellulose support ink. This procedure allowed the manufacturing of inner cavities which would not have been possible with other scaffold fabrication methods. Moreover, it was possible to extract a scaphoid bone from a CT scan of a human hand which was modeled virtually and fabricated subsequently with high shape fidelity. Later it was demonstrated that this procedure can be adapted to biphasic constructs consisting of CPC and cell-laden hydrogels. This was achieved by developing and processing bioinks. Bioprinted cells can evoke biological effects in vitro and in vivo. For this purpose two bioinks were developed within this work acting as cell carrier materials. The first bioink contained the nano material Laponite (approach II) which has demonstrated positive effects for bone tissue engineering before. The novel Laponite-based bioink enabled the fabrication of constructs with high shape fidelity. Furthermore, cell viability and cell density were increased compared to a Laponite-free control. Since Laponite offers a heterogeneous charge distribution, it was investigated whether it is a suitable delivery system for VEGF. Scaffolds with Laponite demonstrated a distinct different release profile compared to Laponite-free scaffolds. Thus an initial burst-like release could be avoided and at the same time a uniform release could be observed. The released VEGF was biologically active also after longer time in the scaffold. The second bioink was developed using fresh frozen human blood plasma. Plasma contains fibrinogen which holds a RGD motif for the attachment of MSC. Bioprinted MSC and preosteoblastic cells showed a high affinity to spread within the bioink, which is difficult to achieve for encapsulated cells. The plasma-based bioink was suitable for the combined fabrication of biphasic constructs with CPC (approach I). To achieve this, firstly a suitable post-processing for biphasic constructs consisting of CPC and cell-laden bioinks had to be developed. From previous studies it is known that plotted CPC constructs form microcracks in aqueous media during setting, which impair mechanical properties. The formation of the microcracks can be avoided by setting in water-saturated atmosphere. In biphasic constructs with bioinks this phase should only be short since a long incubation in absence of aqueous cell culture media would lead to cell death within the bioink. It could be shown that incubation for 20 min in water-saturated atmosphere is convenient to avoid the formation of microcracks in CPC strands. This time could be tolerated by the cells. In combination with the plasma-based bioink, a strong proliferation and osteogenic maturation of bioprinted preosteoblastic cells could be observed. Conclusion: In this thesis, the principle of extrusion-based bioprinting (3D plotting) was used to fabricate biofunctionalized constructs. This was achieved by loading cells or growth factors before manufacturing of the constructs. Bioactive materials could be embedded into the constructs by either multichannel plotting or by supplementation of a bioink with a bioactive filler material. In principle both approaches even could be combined with each other. The results obtained prove that bioprinting is a suitable method for bone tissue engineering. Patient-specific constructs can be fabricated by this technology. Based on these results, further studies should be performed in vivo to investigate the potency of the approaches for the development of new regenerative therapies to treat bone defects.:Abstract 9 Zusammenfassung 13 Index of Abbreviations 19 List of Figures 20 Preface 23 i generalis 1 introduction to the topic 29 1.1 Background 29 1.2 Terminology 29 1.3 Physiological Properties of Bone Tissue 31 1.3.1 Composition of Bone 31 1.3.2 Bone Cytology 33 1.3.3 Crosstalk 34 1.4 Bone Grafting 34 1.4.1 Biopolymers 35 1.4.2 Calcium Phosphates 38 1.4.3 Nanoclays 41 1.5 Additive Manufacturing in Medicine & Bioprinting 43 1.5.1 Additive Manufacturing in Tissue Engineering 43 1.5.2 Bioprinting Techniques 44 1.6 Bioinks & Biomaterial Inks 48 1.6.1 Rheology 48 1.6.2 Plottability & Shape Fidelity 49 1.6.3 Post-Processing 52 1.6.4 Biocompatiblity & Biodegradation 53 1.6.5 The Biofabrication Window 53 2 aim of the thesis 55 2.1 Preliminary Studies 55 2.2 Research Questions 57 ii specialis 3 A methylcellulose hydrogel as support for 3D plotting of complex shaped calcium phosphate scaffolds 61 4 Development of a clay based bioink for 3D cell printing for skeletal application 77 5 Bioprinting of mineralized constructs utilizing multichannel plotting of a self-setting calcium phosphate cement and a cell-laden bioink 97 6 A novel plasma-based bioink stimulates cell proliferation and differentiation in bioprinted, mineralized constructs 113 iii conclusio 7 Summary & Conclusion 133 7.1 Bioprinting of bone tissue constructs 133 7.2 Technological Improvements 134 7.3 Bioink Development 136 7.4 Limitations & Future Research Directions 138 Bibliography 140 Danke 155 Appendix Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 165 Erklärung über die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen 166 Auszug aus dem Journal Citation Report 166 Conferences 167

Die Optimierung der Anordnung von Objekten ist eine alte Herausforderung in der Wirtschaft. Anwendungsfälle erstrecken sich von der Stauraumoptimierung bei der Beladung von Lkws, Schiffen und Flugzeugen in der Logistik über die Packungsoptimierung bis zur Zuschnittoptimierung in den metall-, textil- und holzverarbeitenden Industrien. Die große Spanne an Szenarien und Randbedingungen erfordert jeweils angepasste Lösungsalgorithmen. Mit den neuen Herstellungstechnologien des Rapid Prototyping (zum Beispiel 3D-Druck oder Lasersintering), erlangt eine neue Ausprägung des Problemraums wirtschaftliche Bedeutung. Zur Lösung des Problems, soll untersucht werden, inwieweit sich etablierte Algorithmen der Stauraum- und Packungsoptimierung an die neuen Randbedingungen anpassen lassen und ob sich Algorithmen zur Zuschnittoptimierung in die dritte Dimension übertragen lassen.

Im Rahmen des Forschungsprojektes ,,Entwicklung eines 3D Hochgeschwindigkeits-Rotationsdruckverfahren' an der Hochschule Mittweida, wird sich mit dem Erzeugen eines CAD-Modells eines Patientenschädels und der passgenauen Modellierung einer orthopädischen Helmschale für diesen beschäftigt. Ziel ist es die zeitintensive Modellherstellung mittels Gips einzusparen und die endgültige Helmschale im .stl-Format zu erzeugen. Weiter wird, mittels einer visuellen Programmierumgebung, ein Programm erzeugt um die Helmschale in einem polaren Koordinatensystem für den geplanten Hochgeschwindigkeits-Rotations-3D-Drucker auszurichten, zu slicen und die Koordinaten der einzelnen Punkte der Bahnkurven der Extruder auszugeben.

Das Potenzial, welches der 3D-Druck im Tissue Engineering für Weichteilgewebe und Knochenersatz hinsichtlich Formgebung und Materialanpassung bietet, wird zunehmend genutzt, weiterentwickelt und ausgebaut. Die Diversität der dabei betrachteten, biologisch aktiven Biomaterialien setzt voraus, dass unterschiedliche Technologien wie Stereolithographie (STL), Fused Deposition Modelling (FDM), Selektives Lasersintern (SLS) in verschiedenen Ausbaustufen zum Einsatz kommen. In medizinischen Anwendungen und besonders im pharmazeutischen Bereich, sind neben den drei räumlichen Dimensionen zusätzlich weitere Dimensionen hinsichtlich der Produkteigenschaften interessant. Einerseits besteht diese Mehrdimensionalität aus strukturellen und geometrischen Gradienten (An, Teoh, Suntornnond & Chua, 2015; Jones et al., 2007; Neri Oxman, Steven Keating & Elizabeth Tsai, 2012). Zusätzlich sind aber auch stoffliche Abstufungen der prozentualen Anteile wichtig. Das betrifft beispielsweise die Einbringung von Wirkstoffen in die generativ aufgebauten Strukturen (Goole & Amighi, 2016; Kalaskar, 2017; Ursan, Chiu & Pierce, 2013). Meist werden dabei scharf abgegrenzte Abstufungen der Materialeigenschaften gezeigt. Dies erfolgt im 3D-Druck beispielsweise durch die Nutzung unterschiedlicher Dosierköpfe in einem Prozess für die jeweiligen Materialien/Materialabstufungen oder durch die getrennte Herstellung der einzelnen Bereiche und anschließendem Fügen der Scaffolds (Diaz-Gomez et al., 2019). Ein allmählich ansteigender/abflachender gradueller Verlauf des zugemischten Anteils (Wirkstoff/Marker) wird bisher nicht beschrieben. Gelingt eine Regelung der Wirkstoffzumischung während des generativen Prozesses, entstehen neue Freiheitsgrade in der Gestaltung der Eigenschaften, wie beispielsweise der pharmazeutischen Wirksamkeit der Produkte. Im biomedizinischen Kontext sind durch Gradientengestaltung innerhalb eines Implantates, unterschiedliche Wirkstoffkonzentrationen oder funktionelle Parameter, wie Festigkeit, Verformbarkeit oder Reaktivität einstellbar. Bei der Zumischung innerhalb des 3D-Drucks ist auch der Einsatz solcher Wirkstoffe denkbar, die bei konventionellen Herstellungsprozessen herausgelöst oder zersetzt würden. Innerhalb der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen der Pharmazeutischen Technologie (Institut für Pharmazie, Medizinische Fakultät) der Universität Leipzig und der Fakultät Maschinenbau und Energietechnik (Maschinenbautechnisches Institut) an der HTWK Leipzig wurde ein miniaturisierter Doppelschneckenextruder (DSE-DK) als Dosierkopf in eine 3D-Druckanlage integriert. Mit der auf dem FDM-Verfahren basierenden Technologie konnte bereits nachgewiesen werden, dass Polymere wie Polycaprolacton (PCL) verarbeitet und mit zugemischten Pulvern homogenisiert werden können (Flath et al., 2016). Es wurden innerhalb eines 3D-Druckprozesses Materialmischungen aus einer aufgeschmolzenen Polymerphase und einem zugeführten Pulver erzeugt. In diesem Aufbau konnten alle Materialien als Pulver zugeführt und dosiert werden. Ziel der hier betrachteten Arbeiten war es, den DSE-DK für pastöse Ausgangsstoffe zur Erweiterung des Einsatzspektrums nutzbar zu machen. Zusätzlich sollten Pasten/Pulver Mischungen und die Möglichkeit der Herstellung von graduellen Zusatzstoffkonzentrationen während der dreidimensionalen Verarbeitung untersucht werden. [... aus der Einleitung]