Osteochondral defects comprise cartilage and bone tissue in the joint region and create challenges for orthopedic surgery, also because intrinsic regeneration capacities of the articular cartilage are limited. Furthermore, tissue layer-specific characteristics regarding cell types, mechanical properties and biochemical composition need to be considered. Research questions: In this work, concepts were developed which allow mimicking of osteochondral interfacial layers in a patient-individual and zonally specified manner by 3D extrusion (bio)printing. This feature of patient specificity was proven on different levels within this project: Besides the option for application of patient-own, expanded stem cells or chondrocytes within a scaffold to support regeneration and neo-tissue formation, a workflow was implemented which enables the consideration of magnetic resonance imaging (MRI) data and zonal geometry of the defect. With the materials suitable to achieve this design and a bioprinting-compatible process, the impact of such a system on embedded cells was investigated. A zonally structured, partly mineralized construct was evaluated regarding its capability to allow or support chondrogenesis of primary human chondrocytes (hChon). Furthermore, a strategy based on core-shell bioprinting technology was developed which allows simultaneous embedding of different cell types in a zonally defined distribution with a targeted effect by incorporated growth factors while reducing the off-target effects that would be expected when applied homogeneously via the surrounding medium. In addition, hybrid multi-material scaffolds were developed to adjust the stiffness of these systems. Materials and methods: To define design and patient-specific requirements for an osteochondral implant, an anonymized MRI dataset of a patient with osteochondritis dissecans (OCD) was used. The main constituent of the developed fabrication system was a bioink based on 3% alginate and 9% methylcellulose (algMC) with hChon. Laponite was added to alg-MC-based inks in order to control the release of differentiation factors for a sustained delivery in multi-zonal osteochondral constructs. A printable calcium phosphate cement (CPC) was used as a mineral phase. For the bioprinting process, multi-channel extrusion was applied for an alternating printing of hChon-laden algMC and CPC in order to mimic a zone of mineralized cartilage. Cell fate was investigated on biochemical and gene expression level. A coaxial extrusion module was applied for the co-extrusion of a bioink (shell) – algMC or plasma-functionalized algMC loaded with hChon or human pre-osteoblasts (hOB), respectively – and a biomaterial ink (core) doped with the corresponding growth factors TGF-β3 or BMP-2 as central target-specific factor depot. By melt electrowriting technology (MEW), additional scaffolds from polycaprolactone (PCL) microfibers with a freely adjustable fiber structure were generated. To trigger the mechanical stiffness of cell-laden hydrogels, these scaffolds were manually added to the bioprinting process as an extra support. Results: Suggested strategies of 3D extrusion (bio)printing for clinically relevant dimensions (Publication I)were successfully applied on algMC-based inks, bioinks and CPC to generate multi-material cell-laden constructs of an individual, patient-specific shape. With the use of flexible and reversible software solutions, MRI data from an OCD patient were utilized for the design and later fabrication of a bi-zonal implant (Publication II). The resulting implant showed a suitable geometry fitting into a model of the lesioned femoral condyles fabricated by stereolithography. For surgical fixation of such a potential implant, an individual implantation adapter was developed. The same materials processable via multi-channel printing were compatible with bioprinting of hChon isolated from the femoral head of human hip arthroplasty patients. The majority of cells survived the printing process and cultivation conditions in monophasic scaffolds consisting of cell-laden algMC, and in biphasic scaffolds with a zonally separated or interwoven mineral zone of calcium phosphate cement. Cells in both setups, representing plain articular cartilage and calcified cartilage, were able to re-differentiate and demonstrated the characteristic ECM marker production and gene expression. The calcium-deficient CPC led to a decrease of calcium ions and an initial increase of phosphate ions in the surrounding medium. In the presence of the CPC phase, chondrogenesis was enhanced (Publication III). The core-shell bioprinting concept allowed the spatially defined differentiation of cells (hChon or hOB), encapsulated in a bioink extruded as shell compartment, adjacent to a respective factor-loaded core depot with specific differentiation factors. The biomaterial inks for the core depot were successfully adjusted regarding viscosity and release kinetics by addition of nanoclay (Laponite) nanoparticles. Optical coherence tomography (OCT) was introduced as a tool to monitor the coaxial strand pattern and the location of embedded cells in a contactless manner. The applied inks allowed adjustment of release properties of components such as growth factors BMP-2 and TGF-β3. In hChon, characteristic genes such as collagen 2 or aggrecan were upregulated, while hOB were able to express the typical genes ALP, BGLAP and IBSP. Although both incorporated differentiation factors also demonstrated enhancing effects on both compartments, respectively, the induced adverse effects of hypertrophy in the cartilage zone and collagen 2 expression in the bone zone were successfully prevented. This was done by applying the factors with a sustained release via a Laponite-supported ink as the core depots, instead of homogeneously supplementing the surrounding cell culture medium (Publication IV). By adding PCL microfiber mesh scaffolds, fabricated by MEW, with a decreasing fiber density from 1000 to 250 µm, the Young’s modulus of the algMC scaffolds increased from 10 kPa to more than 50 kPa. The resulting hybrid scaffolds were proven cytocompatible; bioprinted hChon reacted to this hybrid algMC structure with a PCL density of 750 µm with an improved release of sulphated glycosaminoglycans (Publication V). Conclusions: A fully integrated approach for a multiphasic implant design, embedding of primary cells and simultaneous application of respective growth factors was realized by 3D extrusion (bio)printing. Concepts for bioprinting of mineralized cartilage based on algMC and CPC and for local factor delivery in osteochondral tissue substitutes by core-shell bioprinting were developed. The presented approaches allow an adjustable zonal design and full control over spatial differentiation and fate of bioprinted cells. The versatility of this modular system allows addition of further features as demonstrated for the combination with PCL microfiber scaffolds to adjust mechanical properties of the cartilage zone. Another option can be the mechanical stimulation of magnetically deformable algMC-magnetite scaffolds. These valuable insights for the field will serve as basis for further applications in vitro and in vivo. They might open up new research directions with a potential translation to other material combinations and other tissue defect types.:Table of Contents List of abbreviations List of figures Legal note 1. Introduction 1.1 The osteochondral interface – function, anatomy and histology 1.2 Pathology of cartilage and osteochondral tissue 1.3 State of the art: treatment of cartilage defects and osteochondral defects 1.4 Tissue engineering for osteochondral regeneration 1.5 Biomedical additive manufacturing and bioprinting 1.6 Hydrogels for bioprinting 1.7 Multi-component and multiphasic strategies to add specific cues and features to bioprinted tissue models 1.8 Additive Manufacturing of patient-specific bone and cartilage substitutes 2. Aims of the thesis List of publications included in the thesis 3. Strategies for biofabrication of volumetric constructs with an individual shape (Publication I) Publication I: Review article 4. Workflow for an MRI-guided, bi-zonal implant design (Publication II) 41 Publication II: Article Publication II: Published supporting information 5. Chondrogenesis in 3D bioprinted constructs and its compatibility with a mineral phase (Publication III) Publication III: Article Publication III: Published supporting information 6. Concept for a zonally defined factor delivery (Publication IV) Publication IV: Article Publication IV: Published supporting information 7. Hybrid bioscaffolds for tailoring mechanical properties of cartilage tissue substitutes (Publication V) Publication V: Article 8. Discussion and outlook References SUMMARY ZUSAMMENFASSUNG Acknowledgements List of other publications (co-)authored by the candidate Scientific congress contributions during PhD phase Journal ranking in Journal Citations Report Appendix I – Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens Appendix 2 – Erklärung zur Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen / Osteochondrale Defekte umfassen Knochen- und Knorpelgewebe innerhalb des betroffenen Gelenks und stellen die klinische Orthopädie vor Herausforderungen dar, auch da die intrinsische Regenerationsfähigkeit des Gelenkknorpels stark limitiert ist. Zudem sind in den zu unterscheidenden Gewebeschichten spezifische Charakteristika wie unterschiedliche Zelltypen, mechanische Eigenschaften und die biochemische Zusammensetzung zu berücksichtigen. Fragestellungen: In der vorliegenden Arbeit wurden Konzepte entwickelt, mit dem sich per 3D-Extrusions(bio)druck Gewebeschichten dieser osteochondralen Grenzschicht zonenspezifisch und patientenindividuell nachbilden lassen. Diese patientenindividuellen Merkmale wurden innerhalb des Projektes auf mehreren Ebenen nachgewiesen: Zum einen können patienteneigene Stammzellen oder Chondrozyten nach Vermehrung im Labor innerhalb einer Gerüststruktur (“Scaffold”) zur Unterstützung der Regeneration und Gewebeneubildung angewandt werden. Zum anderen wurde ein Workflow vorgestellt, der die Berücksichtigung einer individuellen, per Magnetresonanztomographie (MRT) detektierten, schichtweisen Geometrie einer Läsion erlaubt. Mit Hilfe von Materialien, die diese Formgebung ermöglichen, wurde in einem Biodruck-kompatiblen Prozess der Einfluss eines solchen Systems auf eingebettete Zellen untersucht: Ein zonal aufgebautes, teilweise mineralisiertes Konstrukt wurde hinsichtlich dessen Eignung, Chondrogenese humaner Knorpelzellen (hChon) zu ermöglichen oder zu unterstützen, evaluiert. Zudem wurde eine auf der Kern-Mantel-Biodrucktechnologie basierende Strategie entwickelt, die das Einbetten unterschiedlicher Zelltypen mit zonal definierter Verteilung kombiniert mit einem gezielten Effekt durch inkorporierte Wachstumsfaktoren. Hierbei sollten unerwünschte Nebeneffekte der im Kern dargebrachten Faktoren auf die jeweils andere Zellsorte, die man bei homogener Faktorengabe über das umgebende Medium erwarten würde, reduziert werden. Weiterhin sollte mittels hybrider Multi-Material-Scaffolds die Steifigkeit des Systems angepasst werden. Material und Methoden: Um ein Design und patientenindividuelle Anforderungen für ein osteochondrales Implantat zu definieren, wurde ein anonymisierter MRT-Datensatz eines Osteochondrosis dissecans(OCD)-Patienten genutzt. Hauptbestandteil des entwickelten Fabrikationssystems war eine Biotinte aus 3% Alginat und 9% Methylcellulose (algMC) mit hChon. Laponit wurde zu den auf algMC basierenden Tinten hinzugefügt, um die Freisetzung von Differenzierungsfaktoren zu kontrollieren und damit eine verzögerte Gabe in mehrschichtigen osteochondralen Konstrukten zu ermöglichen. Ein druckbarer Kalziumphosphatzement (CPC) wurde als Mineralphase genutzt. Im Biodruckprozess wurde der Mehrkanaldruck angewandt, um durch alternierende Extrusion von hChon-beladenem algMC und CPC die mineralisierte Knorpelschicht nachzubilden. Die Zellentwicklung wurde auf biochemischer Ebene und hinsichtlich der exprimierten Gene untersucht. Ein koaxiales Extrusionsmodul wurde zur Ko-Extrusion einer Biotinte (Mantel), bestehend aus algMC beladen mit hChon oder Plasma-funktionalisierter algMC beladen mit humanen Prä-Osteoblasten (hOB), und einer korrespondierenden faktorenbeladenen Biomaterialtinte (Kern) genutzt. Dieses zielspezifische Faktorendepot enthielt jeweils TGF-β3 oder BMP-2. Durch die Technik des Melt Electrowritings (MEW) wurden zusätzliche Scaffolds aus Polycaprolacton(PCL)-Mikrofasern mit einer justierbaren Faserstruktur generiert. Um die Steifigkeit von zellbeladenen Hydrogelen anzupassen, wurden diese Scaffolds als mechanischer Support manuell während des Biodruckprozesses eingebracht. Ergebnisse: Die zugrundeliegenden Strategien des 3D-Extrusions(bio)drucks in klinisch relevanten Dimensionen (Publikation I) wurden an algMC-basierten Tinten, Biotinten und CPC erfolgreich angewandt, um zellbeladene Konstrukte patientenindividueller Form aus mehreren Materialien zu generieren. Durch den Einsatz flexibler und reversibler Software-Lösungen, wurden MRT-Daten eines Patienten mit einem osteochondralen Defekt verwendet, um ein zweischichtiges Implantatdesign zu entwerfen und zu fertigen (Publikation II). Dieses Implantat wies eine adäquate Passgenauigkeit in einem Modell der Läsion in den Femurkondylen, hergestellt per Stereolithografie, auf. Zur chirurgischen Fixierung eines solchen potenziellen Implantats wurde ein individueller Adapter für einen chirurgischen Stößel entwickelt. Das gleiche Materialsystem, prozessierbar mittels Mehrkanaldrucks, erwies sich als kompatibel zum Biodruck von hChon, isoliert aus dem Femurkopf von Hüft-Totalendoprothese-Patienten. Die meisten der Zellen überlebten den Druckprozess und die Kultivierungsbedingungen in monophasigen Scaffolds bestehend aus zellbeladener algMC-Biotinte, sowie in biphasigen Scaffolds mit einer in einer getrennten Schicht verlaufenden oder verwobenen mineralisierten Zone aus CPC. Zellen waren in beiden Ansätzen, als monophasiger oberflächlichen Gelenkknorpel, sowie als kalzifizierte Knorpelschicht, in der Lage, sich zu redifferenzieren; sie zeigten die Expression charakteristischer Matrix-Komponenten und -Gene. Der Kalzium-defizitäre CPC führte zu einer Verminderung der Kalziumionenkonzentration und zu einem initialen Anstieg der Phosphationen im umgebenden Medium. In Gegenwart der CPC-Phase war die Chondrogenese verstärkt (Publikation III). Das Konzept des Kern-Mantel-Biodrucks ermöglichte die örtlich aufgelöste Differenzierung von Zellen (hChon oder hOB), eingebettet in eine Biotinte extrudiert als Mantel-Kompartment, in unmittelbarer Nähe zu einem entsprechenden Faktor-beladenen Depot mit spezifischen Differenzierungsfaktoren. Die Biomaterialtinten für das Kern-Depot wurden durch die Zugabe von Nanoclay(Laponit)-Nanopartikeln hinsichtlich Viskosität und Freisetzungskinetik erfolgreich angepasst. Optische Kohärenztomographie (OCT) wurde als eine zerstörungsfreie Methode zur Beobachtung des koaxialen Strangmusters und der Zellverteilung eingeführt. Die genutzten Tinten erlaubten die Adaption der Freisetzungskurven unterschiedlicher Moleküle wie der Wachstumsfaktoren BMP-2 und TGF-β3. In hChon war die Expression charakteristischer Gene wie Kollagen 2 oder Aggrecan verstärkt, während hOB die für die osteogene Differenzierung typischen Markergene ALP, BGLAP und IBSP exprimierten. Obwohl beide inkorporierten Faktoren auch verstärkende Effekte auf jeweils beide Kompartimente zeigten, konnte der induzierte unerwünschte Effekt der Hypertrophie innerhalb der Knorpelzone sowie die unerwünschte Kollagen Typ 2-Expression innerhalb der Knochenzone erfolgreich verhindert werden. Dies geschah, indem die Faktoren statt homogen über das umgebende Zellkulturmedium mittels Laponit-Tinte und daher freisetzungsverzögernd über die Kern-Depots dargereicht wurden (Publikation IV). Mittels der PCL-Mikrofaser-Gitter-Scaffolds, hergestellt per MEW, mit enger werdenden Fasernetzdichten von 1000 bis 250 µm konnte der E-Modul der algMC-Scaffolds von 10 kPa auf über 50 kPa erhöht werden. Die Zytokompatibilität der hybriden Scaffolds wurden nachgewiesen; auf die Struktur in hybriden algMC-Scaffolds mit einer PCL-Faserdiche von 750 µm reagierten biogedruckte hChon mit einer erhöhten Freisetzung von sulfatierten Glykosaminoglykanen (Publikation V). Schlussfolgerungen: Ein integrierter Ansatz für ein mehrphasiges Implantatdesign, das Einbetten von primären Zellen und die gleichzeitige Anwendung der entsprechenden Wachstumsfaktoren wurde mittels 3D-Extrusions(bio)druck realisiert. Konzepte zum Biodruck von mineralisiertem Knorpel basierend auf algMC und CPC und zur lokalen Faktorengabe in osteochondralen Gewebeersatzstrukturen per Kern-Mantel-Druck wurden entwickelt. Die vorgestellten Ansätze erlauben ein vielseitig adaptierbares, zonales Design, die volle Kontrolle über die örtliche Differenzierung sowie die Reifung der biogedruckten Zellen. Die Vielseitigkeit des modularen Systems ermöglicht zudem das Hinzufügen weiterer Merkmale, was anhand des Einbringens von PCL-Mikrofaser-Scaffolds zur Justierung der mechanischen Eigenschaften der Knorpelzone demonstriert wurde. Eine weitere Option stellt die mechanische Stimulation magnetisch verformbarer algMC-Magnetit-Scaffolds dar. Die wertvollen Erkenntnisse werden als Basis für weitere Anwendungen in vitro sowie in vivo dienen können. All dies kann neue Möglichkeiten und Forschungsrichtungen eröffnen und ist in vielerlei Hinsicht übertragbar auf weitere Materialkombinationen, sowie verschiedene Defekt- und Gewebearten.:Table of Contents List of abbreviations List of figures Legal note 1. Introduction 1.1 The osteochondral interface – function, anatomy and histology 1.2 Pathology of cartilage and osteochondral tissue 1.3 State of the art: treatment of cartilage defects and osteochondral defects 1.4 Tissue engineering for osteochondral regeneration 1.5 Biomedical additive manufacturing and bioprinting 1.6 Hydrogels for bioprinting 1.7 Multi-component and multiphasic strategies to add specific cues and features to bioprinted tissue models 1.8 Additive Manufacturing of patient-specific bone and cartilage substitutes 2. Aims of the thesis List of publications included in the thesis 3. Strategies for biofabrication of volumetric constructs with an individual shape (Publication I) Publication I: Review article 4. Workflow for an MRI-guided, bi-zonal implant design (Publication II) 41 Publication II: Article Publication II: Published supporting information 5. Chondrogenesis in 3D bioprinted constructs and its compatibility with a mineral phase (Publication III) Publication III: Article Publication III: Published supporting information 6. Concept for a zonally defined factor delivery (Publication IV) Publication IV: Article Publication IV: Published supporting information 7. Hybrid bioscaffolds for tailoring mechanical properties of cartilage tissue substitutes (Publication V) Publication V: Article 8. Discussion and outlook References SUMMARY ZUSAMMENFASSUNG Acknowledgements List of other publications (co-)authored by the candidate Scientific congress contributions during PhD phase Journal ranking in Journal Citations Report Appendix I – Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens Appendix 2 – Erklärung zur Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen

Gitterstrukturen sind ein prominentes Beispiel für die Designfreiheiten der Additiven Fertigung. Während regelmäßige Gitterstrukturen einfacher zu konstruieren sind, bieten unregelmäßige Varianten größere Spielräume zur individuellen Anpassung. In dieser Arbeit wird eine Vorgehensweise zur Synthese optimierter unregelmäßiger Gitterstrukturen auf Voronoi-Basis erarbeitet, wobei nach einer Vorstellung der mathematischen Grundlagen und relevanten Literatur die Forschungsfragen sowie der Forschungsumfang konkretisiert werden. Zunächst wird anhand des Produktentwicklungsprozesses nach Weber eine geeignete Vorgehensweise zur gesteuerten Synthese einer Voronoi-Gitterstruktur gemäß funktionalen Anforderungen modelliert und die zu erarbeitenden Komponenten werden ermittelt. Basierend auf den geometrischen Eigenschaften der Voronoi-Zellen werden Metriken definiert, für deren ortsaufgelöste Spezifikation eine Datenstruktur vorgestellt wird. Zur zielgerichteten Manipulation der Zellform werden mittels numerischer und analytischer Untersuchungen die Auswirkungen der Position der benachbarten Saatpunkte auf die einzelnen Metriken untersucht. Zur bestmöglichen Positionierung der Saatpunkte wird das resultierende Optimierungsproblem charakterisiert, mögliche Lösungsansätze evaluiert und als Vorzugsvariante ein Memetischer Algorithmus implementiert. Dieser stellt eine Kombination aus einem populationsbasierten Evolutionären Algorithmus zur globalen Suche und der Nutzung des Wissens zur zielgerichteten Zellformmanipulation zur lokalen Suche dar. Eine Verifikation des implementierten Algorithmus erfolgt anhand eines zweidimensionalen Beispielbauteils. Das erarbeitete Vorgehen wird durch den simulativen Vergleich einer optimierten mit einer nicht-optimierten und einer regelmäßigen Gitterstruktur validiert, wobei eine Hüftschaft-Endoprothese als Beispielbauteil dient. Eine Rekapitulation des Inhaltes und ein Ausblick auf mögliche weiterführende Forschungsthemen schließen die Arbeit ab. / Lattice structures are a prominent example of the design freedom offered by additive manufacturing. While regular lattice structures are easier to design, irregular variants offer greater scope for customization. In this thesis, a procedure for the synthesis of optimized irregular lattice structures based on Voronoi is developed, whereby the research questions and the scope of research are specified after a presentation of the mathematical principles and relevant literature. First, a suitable procedure for the controlled synthesis of a Voronoi lattice structure according to functional requirements is modeled using Weber's product development process, and the components to be developed are defined. Based on the geometric properties of the Voronoi cells, metrics are defined, and a data structure is presented for their spatial specification. To manipulate the cell shape in a targeted manner, the effects of the position of the neighboring seed points on the individual metrics are investigated through numerical and analytical studies. For the best possible positioning of the seed points, the resulting optimization problem is characterized, possible solution strategies are evaluated, and a memetic algorithm is implemented as the preferred variant. This represents a combination of a population-based evolutionary algorithm for global search and the use of knowledge for targeted cell shape manipulation for local search. The implemented algorithm is verified using a two-dimensional example. The developed procedure is validated by the simulative comparison of an optimized with a non-optimized and a regular lattice structure, whereby a hip stem endoprosthesis serves as an example component. A recapitulation of the content and an outlook on possible further research topics concludes the thesis.

Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.

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.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Maschinenkonzept präsentiert, welches für die Additive Fertigung von großvolumigen Titanbauteilen speziell entwickelt wurdet. Hierbei wird mit den Direct-Energy_Deposition Verfahren das Bauteil in einer separaten Inertgasatmosphäre erzeugt. Zur Führung der Prozesstechnik soll erstmals ein Roboter verwendet werden, der ebenfalls in dieser Atmosphäre verbaut ist. Dieser ist allerdings schwierigen Bedingungen ausgesetzt, da die Spannungsfestigkeit sowie die Isolationsschwelle in Argon im Vergleich zu Luft drastisch reduziert sind.

Die Übertragung thermischer Energie durch Wärmeübertrager ist ein essentieller Vorgang in unterschiedlichen, technischen Prozessen. Die am häufigsten vorkommende Wärmeübertragerbauform bei der Wärmeabgabe an ein Gas ist der Rippenrohrwärmeübertrager. Bis zu 85 % des thermischen Widerstandes treten nach Wang et al. (2002) dabei gasseitig auf, weshalb eine Verbesserung des Wärmeüberganges wesentlich zur Erhöhung der Gesamtleistung beiträgt. Eine typische Anwendung von geneigten Rippenrohren sind luftgekühlte Kondensatoren. Der Einfluss der Rohrneigung auf die Wärmeübertragungs- und Strömungscharakteristik von Rippenrohren wurde in der Literatur bislang kaum untersucht. Luftgekühlte Kondensatoren werden allerdings in geneigter Orientierung installiert, um einen Kondensatablauf auf der Rohrinnenseite zu ermöglichen. Daher würde der Auslegungsprozess von luftgekühlten Kondensatoren wesentlich von einer experimentellen Charakterisierung des Einflusses der Rohrneigung auf die Wärmeübertragungs- und Strömungscharakteristik profitieren. Es existiert eine Vielzahl von Rippendesigns zur Erhöhung der luftseitigen Turbulenz entlang der Rippenoberfläche. In der Literatur konnten keine Rippendesigns gefunden werden, welche neben der Turbulenzerzeugung auch die Wärmeleitung von der Rippenbasis zur Rippenspitze verbessern und somit eine homogenere Temperaturverteilung erreichen. Wissenschaftliche Arbeiten zur Naturkonvektion beschränken sich auf numerische und experimentelle Analysen von berippten Einzelrohren. Rippenrohrbündel unter Naturkonvektion sowie der Einfluss der relevanten Rippen- und Rohrparameter auf die Wärmeübertragung der Rohrbündel wurde bislang kaum untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein 6,5 m langer vertikaler Strömungskanal errichtet, in welchem unterschiedliche Gleichrichter zur Homogenisierung der Strömung installiert waren. Mittels einer Kombination aus analytischen Näherungsverfahren und Vermessung der lokal aufgelösten Rippenoberflächentemperatur wurde der Rippenwirkungsgrad bestimmt. Die Neigung der Rohrachse gegenüber der Horizontalen erhöht die Nusselt-Zahl bei erzwungener Konvektion und erniedrigt diese bei natürlicher Konvektion. Bei erzwungener Konvektion ist das Leistungsverhalten der Wärmeübertrager unter geneigter Orientierung aufgrund des höheren Druckverlustes reduziert. Für beide Konvektionsarten sinkt der Einfluss des Neigungswinkels auf die Nusselt-Zahl mit abnehmendem Rippenabstand. Basierend auf den experimentellen Untersuchungen wurden Korrelationen entwickelt, um den Wärmeübergang in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl oder Rayleigh-Zahl, dem Neigungswinkel und dem Rippenabstand zu beschreiben. Die existierenden Rippendesigns zielen darauf ab, den gasseitigen konvektiven Wärmeübergang zu verbessern. Die Steigerung der Wärmeleitung durch das Rippendesign wird dabei weitestgehend vernachlässigt. Die Beeinflussung der Wärmeleitung, beispielsweise durch Veränderung des wärmeleitenden Querschnittes entlang des Rippenumfanges, ist durch konventionelle Fertigungstechnologien nur schwierig oder gar nicht realisierbar. Mit neuartigen Herstellungsverfahren, wie der additiven Fertigung, können diese komplexen Geometrien erzeugt und somit auch die Wärmeleitung lokal erhöht werden. Bei der additiven Fertigung wird ein Pulverbett selektiv mit einem Laser oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen und das Bauteil schrittweise generiert. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Technologie genutzt, um Rippen mit verstärkenden, in der Rippenoberfläche integrierten, Stiften zu fertigen. Dadurch werden die Wärmeleitung und die Konvektion entlang der Rippenoberfläche verbessert. Zwei neuartige Designs wurden additiv gefertigt, experimentell in einem vertikalen Strömungskanal charakterisiert und patentiert. Bei den Untersuchungen wurde festgestellt, dass das Leistungsbewertungskriterium der geschlitzten integrierten Stiftrippe (SIPF) um 78,5 % höher und die Kompaktheit der runden integrierten Stiftrippe (CIPF) um 24,3 % höher ist als bei der konventionellen glatten Rohrrippe. Die Rohre mit neuartigem Rippendesign wurden auch unter verschiedenen Neigungswinkeln untersucht. Die Zunahme des Druckverlustes mit dem Rohrneigungswinkel ist niedriger als bei der konventionellen Rippe. Die SIPF erreicht bei einer Neigung von α=20 ° das höchste Leistungsverhalten und die CIPF erreicht bei α=40 ° Neigung die höchste volumetrische Wärmestromdichte. Die entwickelten Korrelationen beschreiben die Abhängigkeit dieser Designs von der Reynolds-Zahl für verschiedene Rippenabstände sowie von der Reynolds-Zahl für verschiedenen Neigungswinkel. Eine typische Anwendung von geneigten Rippenrohren sind luftgekühlte Kondensatoren, bei denen die Erfassung der thermischen Wärmeübertragungsleistung auf der Rohrinnenseite aufgrund des Phasenwechsels unter Umständen schwierig ist. Eine neue Messtechnik, der Temperatur-Anemometrie-Gittersensor (TAGS), wurde genutzt, um die luftseitige Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit zeitgleich und ortsaufgelöst zur ermitteln. Die gemessene Temperaturverteilung ist für geneigte Rippenrohre stark ungleich verteilt. Fünf verschiedene Varianten zur Berechnung der thermischen Wärmeübertragungsleistung werden miteinander verglichen. Die Bestimmung mittels gewichteter Wärmestromdichten zeigt dabei die geringsten Abweichungen. Der numerische Strömungsberechnungscode ANSYS CFX 19.0 wurde verwendet, um den Einfluss der Rippen- und Rohrparameter auf die Naturkonvektion von Rippenrohrbündeln qualitativ zu analysieren. Basierend auf der numerischen Studie wurden die zu optimierenden Rippen- und Rohrparameter ausgewählt. Zu diesen Parametern zählen die Rippendicke, der Rippenabstand, die Rippenhöhe, das Rohrachsenverhältnis, die Rohranordnung, die transversalen und longitudinalen Rohrabstände sowie die Rohrreihenanzahl. Diese Optimierung wurde mit Erkenntnissen bezüglich der erzwungenen Konvektion aus der Literatur kombiniert, wobei das ovale Rippenrohrbündel ein Achsenverhältnis von 1:2, eine Rippendicke von 1 mm, einen Rippenabstand von 5 mm und eine Rippenhöhe von 17 mm hat. Die versetzte Anordnung hat einen longitudinalen Rohrabstand von 63 mm sowie einen transversalen Rohrabstand von 53 mm und wurde in zwei- und dreireihiger Rohrreihenanzahl ausgeführt. Numerische Simulationen dieses optimierten Wärmeübertragers wurden für Naturkonvektion und für erzwungene Konvektion durchgeführt und qualitativ verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigen für beide Konvektionsarten ähnliche Strömungsphänomene, wie beispielsweise Staupunkte am Rohr, Nachlaufgebiete stromabwärts des Rohres und Beschleunigungsbereich zwischen den Rohrrippen. Die optimierten Rohrbündelwärmeübertrager wurden mit konventionellen Rippen und den neuartigen Rohrrippen in zweireihiger und dreireihiger Ausführung realisiert. In einer dafür angepassten Testsektion wurden die experimentellen Untersuchungen durchgeführt. Im Vergleich zur konventionellen Rippe zeigt die SIPF ein höheres Leistungsbewertungskriterium und eine um 52 % höhere Nusselt-Zahl für beide Ausführungen. Die CIPF erreicht eine um 22,4 % und 27,8 % höhere volumetrische Wärmestromdichte für die zweireihige und dreireihige Ausführung verglichen mit der konventionellen Rippe. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der Rohrbündelwärmeübertrager unter Naturkonvektion in einem Kamin zeigen durchschnittlich 19,7 % und 10,9 % höhere Nusselt-Zahlen sowie 11,2 % und 4,0 % höhere volumetrische Wärmestromdichten der SIPF für die dreireihigen und zweireihigen Wärmeübertrager im Vergleich zum konventionellen Design. Ein verbessertes thermisches Leistungsverhalten für CIPF bei Naturkonvektion ist nicht zu erkennen. Diese Arbeit zeigt, wie durch moderne Fertigungsverfahren und neue Designs auch Komponenten mit einem hohen technologischen Reifegrad weiter optimiert werden können. Durch verbesserte Wärmeübertragungsleistung bei gleichzeitig niedrigerem Materialverbrauch können Wärmeübertrager effizienter und ressourcenschonender hergestellt und betrieben werden. / The transfer of heat is an essential process in many technical applications and is usually realized by heat exchangers. The most common design to transfer heat to a gas is the finned tube bundle heat exchanger. Since up to 85 % of the thermal resistance occur on the gas side, an improvement of the heat transfer from the wall into the gas would increase the total thermal performance significantly (Wang et al., 2002). The influence of tilted tubes on the thermal and flow performance of finned tubes has rarely been studied so far. This tilted orientation is of particular relevance for air cooled condensers, to allow liquid drainage inside the tube. Several fin designs were developed to enhance the air side flow mixing along the fin surface. However, a fin design which induces turbulence and simultaneously improves the heat conduction was not found in literature. The literature study evinces a focus of numerical and experimental work on natural convection of single finned tubes. In contrast to single tubes, the natural convection of finned tube bundles has been barely investigated so far. Especially the influence of fin and tube parameters as well as the fin design was mostly neglected for finned tube bundles at natural convection. A 6.5 𝑚 long vertical flow channel, including a flow straightener to homogenize the flow, was erected for the experimental investigations. The fin temperature was determined by a combination of an analytical approximation method and locally resolved temperature measurements. It was used to calculate the fin efficiency. The tube tilt angle increases the Nusselt number for forced convection and reduces the Nusselt number for natural convection. For forced convection the performance of the heat exchanger reduces with tube tilt angle due to the higher pressure drop. As the fin spacing reduces the influence of the tube tilt angle becomes small for both types of convection. Based on the experimental outcome correlations were developed to predict the heat transfer as a function of Reynolds number or Rayleigh number, the tube tilt angle and the fin spacing. The existing fin designs aim to improve the convective heat transfer and the heat conduction is mostly neglected. The influence on the heat conduction, e. g. by strengthening of the cross section for heat conduction along the fin circumference, is difficult or impossible to be achieved by conventional manufacturing technologies. Novel production techniques, such as additive manufacturing, allow the generation of complex geometries. In an additive manufacturing process a powder bed is selectively melted by a laser or electron beam, to stepwise generate the component. In the present study this technology was applied to produce fin surfaces with integrated pins to enhance the heat conduction within the fin and to improve convection along the fin surface. Two novel patented designs were developed and experimentally characterized in the flow channel. It was found, that the performance evaluation criterion of the serrated integrated pin fin (SIPF) is 78.5 % higher and the compactness of the circular integrated pin fin (CIPF) is 24.3 % higher compared to the convectional, plain fin (CPF). The tubes were also studied for various tube tilt angles. A smaller increase of the pressure drop occurs for the novel fin designs at higher tube tilt angle compared to the conventional design. The SIPF achieves the greatest performance at a tube tilt angle of 𝛼=20 ° and the CIPF achieves the highest volumetric heat flux density at 𝛼=40 °. An empirical correlation predicts the heat transfer from the designs depending on the Reynolds number for different fin spacing as well as on the Reynolds number for different tube tilt angle. Tilted finned tube heat exchangers are typically used as air-cooled condensers, where the determination of thermal heat transfer may be intricate on the tube inside due to the phase change. Therefore, a new sensor, the Temperature Anemometry Grid Sensor (TAGS), was used to measure the local and time resolved air side temperature and velocity distribution. For the tilted finned tubes a strongly inhomogeneous temperature distribution was measured. Five different approaches were compared to calculate the thermal power. The method with weighted heat flux densities gives the lowest deviation. The numerical fluid dynamics code ANSYS CFX 19.0 was applied to analyze the influence of fin and tube bundle parameters on the natural convection from finned tube bundles. Based on the numerical investigation the fin parameters, such as fin thickness, fin spacing and fin height as well as the tube bundle parameters, such as tube axis ratio, tube arrangement, transversal tube pitch, longitudinal tube pitch and tube row number, were optimized. These results were used together with data from literature to determine an optimal tube bundle. It has an axis ratio of 1:2, a fin thickness of 1 𝑚𝑚, a fin spacing of 5 𝑚𝑚 and a fin height of 17 𝑚𝑚. The staggered arrangement has a longitudinal tube pitch of 63 𝑚𝑚, a transversal tube pitch of 53 𝑚𝑚 and a tube row number between two and three. The optimized heat exchangers were simulated for forced and natural convection and the results are qualitatively compared. From these results the finned tube bundle configurations were generated for the conventional and the two novel fin designs in a two and three row arrangement. It was found, that for forced convection the SIPF give a higher thermal and flow performance as well as a 52 % greater Nusselt number compared to the conventional design for both arrangements. Furthermore, the CIPF achieves 22.4 % and 27.8 % higher volumetric heat flux density compared to the conventional design for the two row and three row arrangement. The experimental investigation of the tube bundle configurations under natural convection in a chimney show 19.7 % and 10.9 % greater Nusselt numbers as well as 11.2 % and 4.0 % higher volumetric heat flux density for the SIPF with three row and two row heat exchangers respectively compared to the conventional design. The CIPF does not achieve higher thermal performance for natural convection. The present investigation illustrates, that the application of modern manufacturing technologies and designs can further improve components, which are already at a high degree of maturity. The enhanced heat transfer and the simultaneous reduction of material consumption allows the development and operation of efficient and sustainable heat exchangers.

Die Photobiotechnologie nutzt photosynthesegetriebene Bioprozesse zur nachhaltigen Synthese von Wertstoffen und Energieträgern. Diese Bioprozesse rücken vor allem durch die stoffliche Nutzung von CO2 als Kohlenstoff- und Licht als regenerative Energiequelle in den Fokus von Forschung und Entwicklung. Trotz der enormen Vielfalt von geschätzten 500.000 Algenspezies werden zurzeit nur ca. 15 Mikro- und 220 Makroalgen technisch genutzt. Dieser Umstand ist u.a. dem geringen Prozessverständnis und den spezifischen Anforderungen der photobiotechnologische Prozesse an die technischen Systeme geschuldet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Kultivierungssysteme für die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen Rhodobacter sphaeroides DSM158, Chlamydomonas reinhardtii 11.32b und Chlorella sorokiniana UTEX1230 entwickelt und evaluiert. Die photofermentative Wasserstoffproduktion mittels R. sphaeroides DSM158 erfolgte in einem eigens dafür konzipierten gerührten Halogen-Photobioreaktor durchgeführt. Im Satzbetrieb wurde der Einfluss des volumetrischen Leistungseintrages (P0/VL) und der mittlere Bestrahlungsstärke (I0) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass R. sphaeroides DSM158 bei einer durchschnittlichen I0 von 2250 W m-2 und einem P0/VL von 0,55 kW m-3 im Satzbetrieb eine maximale Wasserstoffproduktionsrate (rH2) von 195 mL L-1 h-1 erzielt. Das Reaktorsystem wurde mittels optischer Ray Tracing Simulation, einer empirischer Simulation der Strahlungsverteilung und Computational Fluid Dynamics (CFD) charakterisiert, um die Prozessbedingungen für R. sphaeroides DSM158 zu analysieren. Der photofermentative Prozess wurde in ein kontinuierliches Verfahren überführt, welches unter optimalen Bedingungen von I0 = 2250 W m-1, einer Durchflussrate von 0,096 h-1 und einem C:N-Verhältnis von ca. 22,5 eine rH2 von 170,5 mL L-1 h-1 lieferte. Für Mikroalgen wurden Kultivierungssysteme für Suspensions- und immobilisierte Kulturen entwickelt und charakterisiert. Zur Kultivierung immobilisierter Mikroalgen wurde die Methode des Green Bioprinting etabliert, die auf der 3D-Bioprinting Technologie des Tissue Engineerings beruht. Bei diesem Verfahren werden Algenzellen über einen Extrusionsprozess in ein strukturiertes Hydrogel eingebettet. In vergleichenden Studien zum Wachstum in Suspensionskulturen konnte gezeigt werden, dass die Hydrogelumgebung ideale Bedingungen für das photoautotrophe Wachstum und die Zellviabilität von C. reinhardtii 11.32b und C. sorokiniana UTEX1230 liefert. Der MicrOLED-Bioreaktor bezeichnet ein miniaturisiertes Flat-Panel-Airlift (FPA)-Bioreaktor-system mit 15 mL Arbeitsvolumen und nichtinvasiver optischer Prozessüberwachung in Bezug auf zellspezifische Parameter (Zelldichte und Fluoreszenz) und Suspensionsparameter (pH, dO2 und dCO2). Hydrodynamische Untersuchungen der miniaturisierten FPA-Kultivierungskammer zeigten vergleichbare und damit skalierbare Eigenschaften zu Labor- und Produktions-FPA-Bioreaktoren. Im Zuge des MicrOLED-Bioreaktors wurden erstmals organische Leuchtdioden für den Einsatz in Photobioreaktoren verwendet und charakterisiert. Die geometrisch komplexen Bioreaktorkomponenten wurden mittels additiver Fertigungstechnologien aus Polyamid hergestellt und erlauben die Integration der optischen Elemente zur Überwachung des Bioprozesses in Echtzeit.

Scaffolds for bone tissue engineering are essentially characterized by porous three-dimensional structures with interconnected pores to facilitate the exchange of nutrients and removal of waste products from cells, thereby promoting cell proliferation in such engineered scaffolds. Although hydroxyapatite is widely being considered for bone tissue engineering applications due to its occurrence in the natural extracellular matrix of this tissue, limited reports are available on additive manufacturing of hydroxyapatite-based materials. In this perspective, hydroxyapatite-based three-dimensional porous scaffolds with two different binders (maltodextrin and sodium alginate) were fabricated using the extrusion method of three-dimensional plotting and the results were compared in reference to the structural properties of scaffolds processed via chemical stabilization and sintering routes, respectively. With the optimal processing conditions regarding to pH and viscosity of binder-loaded hydroxyapatite pastes, scaffolds with parallelepiped porous architecture having up to 74% porosity were fabricated. Interestingly, sintering of the as-plotted hydroxyapatite–sodium alginate (cross-linked with CaCl₂ solution) scaffolds led to the formation of chlorapatite (Ca₉.₅₄P₅.₉₈O₂₃.₈Cl₁.₆₀(OH)₂.₇₄). Both the sintered scaffolds displayed progressive deformation and delayed fracture under compressive loading, with hydroxyapatite–alginate scaffolds exhibiting a higher compressive strength (9.5±0.5 MPa) than hydroxyapatite–maltodextrin scaffolds (7.0±0.6 MPa). The difference in properties is explained in terms of the phase assemblage and microstructure

Von der ersten Idee bis zur Auslieferung eines Produktes laufen verschiedene Prozesse ab, die koordiniert und optimiert werden, um Produkte schnell zur Marktreife zu entwickeln. Die Digitalisierung von Prozessen sowie eine firmenweit einheitliche Datenplattform sind in der Produktentwicklung zwingend notwendig. Digitaler Zwilling, und PLM rücken in den Fokus. Die Herausforderung der Industrie liegt in der Optimierung von Produkten. Wo beginnt die Optimierung? Während der Konstruktion greifen verschiedene Optimierungstools in die Entwicklungsphase ein. Skalierbare FEM-Tools ermöglichen konstruktionsbegleitende Analysen. Verschiedene Konstruktions-Tools in der CAD-Lösung sparen Zeit und Kosten. Die Konstruktion der nächsten Generation Generative Konstruktion – bei der Modellerzeugung werden die Vorteile der additiven Fertigung einbezogen und somit die Bauteilkonstruktion optimiert. Reverse Engineering bietet die Möglichkeit direkt mit Facettendaten zu arbeiten und Flächen zu generieren. Convergent Modeling bietet die nahtlose Kombination von „B-Rep“-Volumen und „Facetten“-Modellen. Solid Edge Portfolio - die Zukunft der Produktentwicklung Solid Edge Apps erweitern den Funktionsumfang. Auf bestimmte Marktsegmente entwickelte Applikationen runden die Anwendungsmöglichkeiten ab.

Durch die neue Schweißfunktionalität in Creo 4, welche es ermöglicht Schweißnähte als Volumengeometrie zu modellieren, entstehen viele neue Möglichkeiten zur Berechnung der Spannungen innerhalb der Schweißnähte. Damit einhergehend entstehen neue Möglichkeiten zur Berechnung und Evaluierung dieser Schweißnähte nach den Richtlinien der FKM. Die Berechnung anhand der FKM-Richtlinien soll hierbei anhand der zwei Simulationstools Creo Simulate und Ansys Simulation dargestellt werden.