Motivated by the great potential which is offered by the combination of additive manufacturing and tissue engineering, a novel polymeric bioink platform based on poly(2 oxazoline)s was developed which might help to further advance the young and upcoming field of biofabrication. In the present thesis, the synthesis as well as the characteristics of several diblock copolymers consisting of POx and POzi have been investigated with a special focus on their suitability as bioinks. In general, the copolymerization of 2-oxazolines and 2-oxazines bearing different alkyl side chains was demonstrated to yield polymers in good agreement with the degree of polymerization aimed for and moderate to low dispersities. For every diblock copolymer synthesized during the present study, a more or less pronounced dependency of the dynamic viscosity on temperature could be demonstrated. Diblock copolymers comprising a hydrophilic PMeOx block and a thermoresponsive PnPrOzi block showed temperature induced gelation above a degree of polymerization of 50 and a polymer concentration of 20 wt%. Such a behavior has never been described before for copolymers solely consisting of poly(cyclic imino ether)s. Physically cross linked hydrogels based on POx b POzi copolymers exhibit reverse thermal gelation properties like described for solutions of PNiPAAm and Pluronic F127. However, by applying SANS, DLS, and SLS it could be demonstrated that the underlying gel formation mechanism is different for POx b POzi based hydrogels. It appears that polymersomes with low polydispersity are formed already at very low polymer concentrations of 6 mg/L. Increasing the polymer concentration resulted in the formation of a bicontinuous sponge like structure which might be formed due to the merger of several vesicles. For longer polymer chains a phase transition into a gyroid structure was postulated and corresponds well with the observed rheological data. Stable hydrogels with an unusually high mechanical strength (G’ ~ 4 kPa) have been formed above TGel which could be adjusted over a range of 20 °C by changing the degree of polymerization if maintaining the symmetric polymer architecture. Variations of the chain ends revealed only a minor influence on TGel whereas the influence of the solvent should not be neglected as shown by a comparison of cell culture medium and MilliQ water. Rotationally as well as oscillatory rheological measurements revealed a high suitability for printing as POx b POzi based hydrogels exhibit strong shear thinning behavior in combination with outstanding recovery properties after high shear stress. Cell viability assays (WST-1) of PMeOx b PnPrOzi copolymers against NIH 3T3 fibroblasts and HaCat cells indicated that the polymers were well tolerated by the cells as no dose-dependent cytotoxicity could be observed after 24 h at non-gelling concentrations up to 100 g/L. In summary, copolymers consisting of POx and POzi significantly increased the accessible range of properties of POx based materials. In particular thermogelation of aqueous solutions of diblock copolymers comprising PMeOx and PnPrOzi was never described before for any copolymer consisting solely of POx or POzi. In combination with other characteristics, e.g. very good cytocompatibility at high polymer concentrations and comparably high mechanical strength, the formed hydrogels could be successfully used for 3D bioprinting. Although the results appear promising and the developed hydrogel is a serious bioink candidate, competition is tough and it remains an open question which system or systems will be used in the future. / Motiviert durch das große Potential, das die Kombination aus additiver Fertigung und künstlicher Geweberegeneration bietet, wurde eine neuartige polymerbasierte Biotintenplattform auf Basis von Poly(2 oxazolin)en entwickelt. Diese soll zukünftig dazu beitragen das noch junge, aber aufstrebende Forschungsfeld der Biofabrikation weiterzuentwickeln. In der vorliegenden Arbeit wurden die Synthese sowie die Eigenschaften von mehreren Diblock Copolymeren, bestehend aus POx und POzi, untersucht, wobei der Hauptfokus auf deren Eignung als Biotinte lag. Grundsätzlich konnte gezeigt werden, dass Copolymere, bestehend aus 2 Oxazolinen und 2 Oxazinen, die unterschiedliche Alkylseitenketten besitzen, synthetisiert werden können. Dabei lagen die ermittelten Polymerisationsgrade nahe am zuvor errechneten Wert. Die Polymere wiesen mittlere bis niedrigere Dispersitäten auf. Für jedes der im Rahmen der vorliegenden Arbeit synthetisierten Diblock Copolymere konnte eine mehr oder weniger starke Abhängigkeit der dynamischen Viskosität von der Temperatur gezeigt werden. Allerdings ist es nicht möglich, aus den thermischen Eigenschaften des Bulkmaterials Rückschlüsse auf das temperaturabhängige Verhalten in Lösung zu ziehen. Diblock Copolymere mit einem hydrophilen PMeOx Block und einem thermoresponsiven PnPrOzi Block bildeten oberhalb einer Kettenlänge von 50 Einheiten und einer Polymerkonzentration von 20 Gew% ein physikalisches Gel. Solch ein Verhalten wurde bisher noch nicht für Copolymere, die ausschließlich auf POx oder seinen höheren Homologen basieren, beschrieben. Physikalische Hydrogele, basierend auf POx b POzi Copolymeren, weisen eine umgekehrte thermische Gelierung wie auch wässrige Lösungen von PNiPAAm und Pluronic F127 auf. Allerdings konnte durch die komplementäre Verwendung von SANS, DLS und SLS gezeigt werden, dass sich der zugrundeliegende Gelbildungsmechanismus für POx b POzi basierte Hydrogele deutlich von den beiden zuvor genannten unterscheidet. Es wird davon ausgegangen, dass sich zunächst bei einer sehr geringen Polymerkonzentration von 6 mg/L Vesikel mit geringer Polydispersität ausbilden. Eine Erhöhung der Konzentration resultiert in der Ausbildung eines bikontinuierlichen Netzwerks mit schwammartiger Struktur. Dieses bildet sich vermutlich durch die Fusion mehrerer Vesikel. Des Weiteren wird für höhere Polymerisationsgrade ein Phasenübergang zu einer gyroidalen Struktur postuliert der sich sehr gut mit den gewonnenen rheologischen Daten deckt. Stabile Hydrogele mit außergewöhnlich hoher mechanischer Stärke (G‘ ≈ 4kPa) bildeten sich oberhalb der Tgel, die über eine Temperaturspanne von 20 °C durch Änderung des Polymerisationsgrades eingestellt werden konnte. Veränderung der Kettenenden zeigten nur einen geringen Einfluss auf die TGel, wobei der Einfluss des verwendeten Lösemittels nicht unterschätzt werden sollte. Dies konnte durch den direkten Vergleich von MilliQ Wasser und Zellkulturmedium gezeigt werden. Rheologische Untersuchungen, die sowohl im rotierenden als auch im oszillierenden Modus durchgeführt wurden, zeigten eine gute Eignung der POx b POzi basierten Hydrogele für Extrusion basierte Druckverfahren. Insbesondere aufgrund des stark ausgeprägten scherverdünnenden Verhaltens und der ausgezeichneten Strukturerholung nach hoher Scherbelastung sollten gute Druckergebnisse erzielbar sein. Zellviabilität-Assays (WST-1) von PMeOx b PnPrOzi Copolymeren an NIH 3T3 Fibroblasten und HaCat-Zellen zeigten, dass die Polymere bei Konzentrationen von bis zu 100 g/L und Inkubationszeiten von 24 h keine dosisabhängige Zytotoxizität besitzen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Copolymerisation von POx und POzi den verfügbaren Eigenschaftsbereich von POx basierten Materialien deutlich vergrößert hat. Insbesondere die temperaturinduzierte Gelierung von wässrigen Polymerlösungen wurde noch nie zuvor für ein anderes Copolymer auf Basis von POx und POzi beschrieben. Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften, wozu unter anderem eine sehr gute Zytokompatibilität bei hohen Polymerkonzentrationen und eine vergleichsweise hohe mechanische Festigkeit zählen, konnten die entwickelten Hydrogele erfolgreich für den 3D Biodruck verwendet werden. Obwohl die beschriebenen Ergebnisse sehr vielversprechend sind und die entwickelte Hydrogelplattform folglich als ernstzunehmender Biotintenkandidat angesehen werden sollte, ist die Konkurrenz sehr groß und es bleibt abzuwarten, welche Tinte bzw. Tinten in Zukunft zum Einsatz kommen.

Introduction: No commercially available solution to improve the teaching of a crown preparation directly on typodont teeth exists at the moment. To fill this gap and support the supervisors of dental courses, a printable and inexpensive tooth was created for structured self-assessment. The aim of this study was to test this printable tooth under realistic pre-clinical situations. Materials and methods: A two-coloured, double-layer practice tooth was developed. This tooth was consisting of a layer for a correct preparation and the crown. All printed teeth were produced with a stereolithographic printer. 35 voluntary secondyear dental students in the second pre-clinical course in prosthodontics were randomly divided into two groups. All students had experience with typodont teeth and models. The first group was trained on four standard model teeth. The second group used model teeth for the first and fourth attempt and printed teeth for second and third attempt. The preparations of the students were scanned by an in-lab scanner and the surface deviations in contrast to a perfect preparation were measured. The differences between the first and fourth attempt were calculated. Benefits of the printed tooth were also evaluated by a questionnaire using German school grades completed by the students (1 = Excellent, 2 = Good, 3 = Satisfactory, 4 = Adequate, 5 = Poor, 6 = Unsatisfactory). Results: The workflow was feasible and cost-effective regarding the production of the printed teeth. The overall rating of the printed tooth in the questionnaire was good (Ø 2.1 ± 0.22). Students reported different advantages of this method in the free text. The comparison of the preparation between the first and fourth attempt showed that there was a significant better preparation with the printed teeth. The complete preparation had median values of 0.05 mm (Group1: standard model tooth) and −0.03 mm (Group2: printed tooth) (P = .005). Divided into single surfaces, the vestibular and occlusal regions were significantly better. The vestibular surface was 0.11 mm (Group1) and −0.04 mm (Group2) (P = .018). The occlusal surface was 0.13 mm (Group1) and −0.05 mm (Group2) (P = .009). Conclusions: The aim of this study was fulfilled. The printed tooth was tested successfully in a pre-clinical course. The feasibility of this teaching concept was confirmed by the questionnaire and the analysis of the preparation form. A significant difference to a standard model tooth was measurable. The students had the possibility to learn a correct crown preparation on a standardised two-layered tooth with included preparation. This printed tooth enabled the students to control the crown preparation directly on their own. / Einleitung: Es gibt derzeit keine kommerziell erhältliche Lösung zur Verbesserung des Erlernens einer Kronenpräparation an Modellzähnen. Um diese Lücke zu schließen und die Betreuer von zahnmedizinischen Kursen zu unterstützen, wurde ein druckbarer und kostengünstiger Zahn zur strukturierten Selbsteinschätzung entwickelt. Das Ziel dieser Studie war es, diesen druckbaren Zahn unter realistischen vorklinischen Situationen zu testen. Materialien und Methoden: Es wurde ein zweifarbiger, zweischichtiger Übungszahn entwickelt. Dieser Zahn bestand aus einer korrekten Präparationsschicht und der Zahnkrone. Alle gedruckten Zähne wurden mit einem Stereolithografiedrucker hergestellt. 35 freiwillige Zahnmedizinstudenten des zweiten vorklinischen Kurses im zweiten Jahr, wurden nach dem Zufallsprinzip in zwei Gruppen aufgeteilt. Alle Studenten hatten Erfahrung mit Modellzähnen. Die erste Gruppe trainierte an vier Standard-Modellzähnen. Die zweite Gruppe verwendete Modellzähne für den ersten und vierten Versuch und gedruckte Zähne für den zweiten und dritten Versuch. Die Präparationen der Studenten wurden mit einem In-Lab-Scanner gescannt und die Oberflächenabweichungen im Gegensatz zu einer perfekten Präparation gemessen. Die Unterschiede zwischen dem ersten und vierten Versuch wurden berechnet. Der Nutzen des gedruckten Zahnes wurde durch einen Fragebogen mit deutschen Schulnoten von den Studierenden bewertet (1 = Ausgezeichnet, 2 = Gut, 3 = Befriedigend, 4 = Ausreichend, 5 = Schlecht, 6 = Unbefriedigend). Ergebnisse: Der Arbeitsablauf war praktikabel und kostengünstig in der Herstellung der der gedruckten Zähne. Die Gesamtbewertung des gedruckten Zahns im Fragebogen war gut (Ø 2,1 ± 0,22). Die Studenten berichteten verschiedene Vorteile dieser Methode im Freitext. Der Vergleich der Präparation zwischen dem ersten und vierten Versuch zeigte, dass mit den gedruckten Zähnen eine signifikant bessere Präparation erreicht wurde. Die vollständige Präparation hatte Medianwerte von 0,05 mm (Gruppe1: Standardmodellzahn) und -0,03 mm (Gruppe2: gedruckter Zahn) (P = .005). Aufgeteilt in einzelne Flächen waren die vestibulären und okklusalen Bereiche signifikant besser. Für die vestibuläre Fläche ergaben sich folgende Werte 0,11 mm (Gruppe1) und -0,04 mm (Gruppe2) (P = .018). Für die Okklusalfläche ergab sich eine Abweichung von 0,13 mm (Gruppe1) und -0,05 mm (Gruppe2) (P = .009). Schlussfolgerungen: Das Ziel dieser Studie wurde erfüllt. Der gedruckte Zahn wurde erfolgreich in einem vorklinischen Kurs getestet. Die Machbarkeit dieses Lehrkonzepts wurde durch den Fragebogen und die Analyse der Präparationsform bestätigt. Ein signifikanter Unterschied zu einem Standard-Modellzahn war messbar. Die Studenten hatten die Möglichkeit eine korrekte Kronenpräparation an einem standardisierten zweischichtigen Zahn mit eingebauter Präparation zu üben. Dieser gedruckte Zahn ermöglichte es den Studenten die Kronenpräparation selbst zu kontrollieren.

Einleitung: Das Erlernen neuer Präparationsarten ist nicht einfach, insbesondere bei Präparationen, die hohe technische Anforderungen stellen und deren Form sich von konventionellen Vollkronen unterscheidet, wie z. B. die Präparation einer Klebebrücke. Um das spätere Therapiespektrum angehender Zahnärzte zu erweitern, sollten diese eine große Anzahl verschiedener Präparationen im Studium erlernen. Im Studentenalltag bleibt oft keine Zeit für lange Erklärungen und exemplarische Präparationen. Deshalb wurde die "Malen-nach-Zahlen-Methode" entwickelt, um den Studenten das Erlernen neuer Präparationen zu erleichtern. Materialien und Methoden: Nach der Erstellung der Druckdatei für den Übungszahn wurden diese mit einem Stereolithographie-Drucker hergestellt. Der Übungszahn bestand aus zwei unterschiedlich farbigen Schichten mit einer integrierten Präparation. Die Schicht, die zum Erreichen der Zielpräparation entfernt werden musste, war schwarz und sollte den Studenten das Ausmaß und die Dicke der Präparation zeigen. 42 Zahnmedizinstudenten ab dem vierten Studienjahr nahmen an einem freiwilligen Praktikum teil. Die Studenten wurden nach dem Zufallsprinzip in zwei gleich große Gruppen eingeteilt. Eine Gruppe übte mit den "Malen nach Zahlen" Zähnen, die andere mit Standardmodellzähnen. Trotzdem hatte jeder Student die Möglichkeit, die neuen gedruckten Zähne zu testen. Die Studenten hatten bereits Erfahrung mit anderen Standardmodell- und echten Zähnen. Die gedruckten Zähne wurden mit einem Fragebogen mit Schulnoten von 1 bis 6 bewertet. In einem zweiten Teil wurden die präparierten Zähne der Schüler eingescannt und mit Hilfe einer 3D-Auswertungssoftware mit dem idealen präparierten Zahn verglichen. So konnte die "Malen-nach-Zahlen-Methode" mit herkömmlichen Unterrichtsmethoden verglichen werden. Ergebnisse: Die Herstellung der Zähne zum Erlernen der Präparation einer Klebebrücke war einfach und kostengünstig. Insgesamt bewerteten die Studenten die Zähne mit 1,9 und die Lehrmethode als positiv. Das Zahnmodell wurde insgesamt mit 1,9 bewertet. Es unterstützte die Studierenden dabei, die Zielpräparation zu visualisieren und durch die Kontrolle mit der eigenen Arbeit eine Selbsteinschätzung zu entwickeln. Auch wenn die Studierenden ihren Lernerfolg und Lernprozess mit den 3D-gedruckten Zähnen als besser einschätzten, konnte kein signifikanter Unterschied bei der späteren Auswertung der Zähne festgestellt werden. Die Studenten wünschten sich eine stärkere Integration der gedruckten Zähne in den Präparationsunterricht und äußerten in den Freitextfragen, dass sie Vorteile in Bezug auf Unabhängigkeit, Kosten und Individualisierung der zahnmedizinischen Ausbildung sehen. Schlussfolgerungen: Es hat sich gezeigt, dass die Methode "Malen nach Zahlen" geeignet ist, neue Präparationen wie eine Klebebrücke zu lehren. Die farbkodierte integrierte Präparation in den gedruckten Zähnen und das gedruckte Zahnmodell ermöglichten es den Studenten, die Präparation einer Adhäsivbrücke selbstständig und mit geringem Aufwand zu erlernen. / Introduction: Learning new types of preparation is not easy, especially preparations that have high technical requirements and the shape of which differs from conventional full crowns, such as the preparation of an adhesive bridge. In order to expand the later therapy spectrum of prospective dentists, a large number of different preparations should be learned in universitiy. In everyday student life, there is often no time for long explanations and exemplary preparations. Therefore, the “Painting by Numbers Method” was designed to help students to facilitate the learning of new preparations. Materials and methods: After the design of the print file for the practice tooth, these were produced with a stereolithographic printer. The training tooth consisted of two differently colored layers with an integrated adhesive bridge preparation. The layer to be removed to achieve the target preparation was black and should show the students the extent and thickness of the preparation. 42 dental students from the fourth year of study onwards took part in a voluntary practical course. The students were randomly divided into two groups of equal size. One group practiced with the “Painting by Numbers” teeth, the other one with standard model teeth. Nevertheless each student had the opportunity to test the new printed teeth. The students already had experience with other standard model and real teeth. The printed teeth were evaluated with a questionnaire using German school grades from 1 to 6. In a second part, the prepared teeth of the students were scanned and compared with the ideal prepared tooth using a 3D evaluation software. The “Painting by Numbers Method” could thus be compared with conventional teaching methods. Results: The production of teeth for learning the preparation of an adhesive bridge was simple and inexpensive. Overall, the students rated the teeth with 1.9 and evaluated the teaching method positively. The tooth model was rated overall with 1.9. It supported the students to visualize the target preparation and to develop a self-assessment through the control with their own work. Even though the students considered their learning success and learning process to be better with the 3D-printed teeth, no significant difference could be found when comparing the evaluation of the teeth. The students wished to integrate printed teeth more into the teaching of preparations and expressed in the free text questions to see advantages in terms of independence, cost and individualization of dental education. Conclusions: It has been shown that the "painting by numbers" method is suitable for teaching new preparations such as an adhesive bridge. The colour-coded integrated preparation in the printed teeth and the printed tooth model enabled the students to learn how to prepare an adhesive bridge independently and at low cost.

Der steigende Bedarf an Knochenersatzmaterialien (KEM) in Medizin und Zahnmedizin verdeutlicht die Notwendigkeit der Etablierung weiterer alloplastischer, also synthetisch hergestellter, KEMs. Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung patientenspezifischer Implantate. Hierfür wird auf Basis von 3D Bildgebung eines Knochendefekts, ein Implantat mittels CAD geplant und anschließend mittels additiver Fertigung, zum Beispiel durch 3D Pulverdruck hergestellt. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des osteogenen Potentials in vitro von Calciummagnesiumphosphatkeramiken mit der allgemeinen Strukturformel CaxMg(3-x)(PO4)2 mit x = 0; 0,25; 0,75; 1,5; 3 aus additiver Fertigung. Hierfür wurden Prüfkörper mittels 3D Pulverdruck gedruckt, anschließend durch Hochtemperatursinterung verfestigt und durch Behandlung mit reaktiven Lösungen nachgehärtet. Abhängig von der reaktiven Lösung wandelte sich die Keramik teilweise in Struvit, Bruschit und Newberyit um. Die biologische Testung in vitro erfolgte mit hFOB 1.19 Zellen und ergab eine gute Biokompatibilität sowie die Ausdifferenzierung osteogener Progenitorzellen für fast alle Keramikphasen, wobei die newberyithaltigen Keramiken tendenziell bessere Ergebnisse erzielten. / The increasing demand of materials for bone grafting in medicine and dentistry highlights the need of synthetically made, alloplastic, materials for bone grafting. Additive manufacturing enables the production of patient-fitted implants. For this purpose, the implant is virtually planed based on a 3D image dataset, using the CAD technique and produced by additive manufacturing like 3D powder printing. The aim of this study was to investigate the osteogenic potential of calcium magnesium phosphate ceramics (CaxMg(3-x)(PO4)2 with x = 0; 0,25; 0,75; 1,5; 3) in vitro processed by 3D powder printing. Scaffolds were made by 3D powder printing, solidified by high temperature sintering and afterwards post treated with reactive solutions. The reactive solution caused the precipitation of either brushite, newberyite or struvite. The biological testing in vitro, using hFOB 1.19 cells, showed good cytocompatibility and differentiation of osteogenic cells for nearly all ceramics mentioned above. The ceramics containing newberyite achieved slightly better results at all.

3D-Druck durch computergesteuerte selektive Betonablage ist der am häufigsten verwendete Ansatz im Kontext der additiven, digitalen Fertigung im Betonbau. Dieses schalungsfreie digitale Verfahren ermöglicht ein schnelles, wirtschaftliches Bauen und bietet einen großen architektonischen Gestaltungsspielraum. Um die Möglichkeiten der 3D-Druck-Technologie im Betonbau zu entfalten, müssen die rheologischen und mechanischen Eigenschaften von Beton exakt charakterisiert werden und so eingestellt, dass sie mit aus den Prozessparametern resultierenden Anforderungen an das Material übereinstimmen. Des Weiteren ist die inhärente Anisotropie der 3D-gedruckten Elemente aufgrund der schichtweisen Herstellung und Bildung von Arbeitsfugen zu beachten. Um die aus den Prozessparametern resultierenden Anforderungen zu erfüllen und Schwachstellen zu vermeiden, sollten die druckbare Betone bestimmte, genau kontrollierbare rheologische Eigenschaften wie statische Fließgrenze und ihre zeitliche Entwicklung (aufgrund von strukturellen Aufbau- und Hydratationsreaktionen) aufweisen. Die komplexenund teilweise widersprüchlichen Materialanforderungen erfordern umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Dies ist eine große Herausforderung, da es keine Standardtestmethoden zur Materialcharakterisierung von druckbarem Beton gibt. Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Erarbeitung einer praxistauglichen Vorgehensweise zur Festlegung, Einstellung und Prüfung der erforderlichen Materialeigenschaften von frischem und erhärtendem Beton. Folgende wesentliche Anforderungen an druckbare Betone wurden untersucht: die Pumpbarkeit, die Extrudierbarkeit, die Verbaubarkeit sowie die Leistungsfähigkeit der Verbunds zwischen den Schichten. Im Ergebnis der Arbeiten wurden Methoden zur a) dehnungsbasierten Messung des Strukturaufbaus, b) rechnerischen Abschätzung von Pumpendruck, c) Inline-Charakterisierung der Extrudierbarkeit, d) praxisorientierten Ermittlung der Verbaubarkeit und e) mikro- und makroskopischen Untersuchungen der Grenzflächeneigenschaften der Schichten entwickelt. In den experimentellen Untersuchungen wurden u.a. ein Beton-3D-Drucker mit einer Exzenterschneckenpumpe, ein Couette-Rheometer mit zylindrischer Messgeometrie, ein RAM Extruder und ein Rasterelektronenmikroskop eingesetzt, um die entwickelten druckbaren, feinkörnigen, hochfesten Betone systematisch zu charakterisieren. Die Analysen der umfangreichen experimentellen Ergebnisse zeigten, dass der Strukturaufbaudes frischen Zementleims mit dem Ansatz der konstanten effektiven Dehnung ermittelt werdenkann, diese hinreichend groß sein muss, um den statische Fließgrenze zu erreichen (Strukturbruch). Die Simulationsergebnisse aus dem entwickelten CFD-Modell (computational fluid dynamics) für Virtual SLIPER (slidingpiperheometer) korrelierten mit experimentellen Messungen. Im CFD-Modell wurde eine Gleitschicht zwischen Wandung und Kernbeton implementiert und deren Viskosität mit dem Krieger-Dougherty-Modell berechnet. Die Gültigkeit der vorgeschlagenen Inline-Charakterisierung der Extrusion wurde durch den Vergleich der Ergebnisse von RAM-Extrusion- und Viskometerprüfungen nachgewiesen. Die spezifische Extrusionsenergie, d.h. der Energieverbrauch pro extrudierte Einheitsvolumen, stieg mit zunehmender Fließgrenze und plastischer Viskosität des Betons. Die Parameter zur Beschreibung der Verbaubarkeit wurden mit einem praxisorientierten Ansatz identifiziert. Das vorgeschlagene Modell berücksichtigt Maschinen-, Arbeits-, Materialkosten sowie die Art des 3D-Drucks. Die Eigenschaften des Verbunds zwischen den Schichten hängen stark vom Zeitintervall zwischen der Ablage der Schichten, der Bindemittelzusammensetzung und der Porosität/Rauheit des Substrats ab. Eine ungünstige Parameterwahl kann zu fatalen Folgen führen. Der teilweise Ersatz von Portlandzement durch puzzolanische Zusatzstoffe führte zu einem schnelleren Strukturaufbau, eines verbesserten Zwischenschichtverbundes und günstigen mechanischen Eigenschaften. Die in dieser Arbeit entwickelte Werkzeuge zur Materialcharakterisierung und die damit ermittelten Ergebnisse schaffen eine Grundlage für eine genaue und zuverlässige Materialcharakterisierung zementgebundener Materialien für den Einsatz beim 3D-Druck durch selektive Ablage. / Extrusion-based 3D-printing — also referred to as digital construction (DC) — involves automated layer-by-layer deposition of 3D-printable cement-based materials (3PCs). DC enables speedy, economic and formwork-free construction in addition to quasi-unlimited architectural design flexibility. To ensure these advancements with DC, the rheological and mechanical properties of 3PCs need to be accurately measured and optimised according to the technological requirements. Inherently, the 3D-printed elements can reveal weak layer-to-layer interfaces, which form the weakest links in the entire structure and imply pronounced anisotropy. To fulfil the process requirements and to prevent weak bonds, the 3PCs should exhibit particular, precisely controllable rheological properties, such as static yield stress and its development in time due to structural build-up. The complex and partly contradictory material requirements of 3PCs necessitates comprehensive experimental investigations. This is a great challenge since there are no standard test methods for the material characterisation of 3PCs. In this research, while following an overarching aim of developing high-performance 3PCs for on-site DC, the author focused on material characterisation. The primary requirements to 3PCs — pumpability, extrudability, buildability and layer-to-layer bond — are investigated. The deliverables are methods for a) strain-based measurement of structural build-up, b) computationally estimating pumping pressures, c) inline extrudability characterisation, d) practice-oriented determination of buildability test parameters and e) micro- and macroscopic insights on layer-to-layer interface properties. A 3D-printing test device with a progressive cavity pump, a concentric cylinder Couette rheometer, ram extruder and scanning electron microscope were the major devices applied to systematically characterise the printability of developed fine-grained high-strength 3PCs. The extensive analyses of the experimental results revealed that structural build-up can be characterised with constant effective strain approach. To do so, this effective strain must be high enough to ensure flow-onset. Simulation results obtained using the developed CFD (computation fluid dynamics) model called virtual Sliper (sliding pipe rheometer) correlated with experimental measurements. Lubricating layer was implemented into the CFD model and its viscosity could be calculated using Krieger-Dougherty model. Comparative analyses of ram-extrusion and viscometer tests substantiated the significance of the proposed inline extrudability quantification method for 3PCs. The unit extrusion energy, i.e. energy consumed per extruded unit volume of 3PC, increased with increasing yield stress and plastic viscosity of 3PCs. Buildability tests’ parameters were identified with a practice-oriented approach. The proposed model takes machine, labour, material costs and DC approach type into consideration. Layer-to-layer interface properties were shown to be highly sensitive to time interval between subsequent layers, binder composition, and substrate porosity/roughness. An improper choice of parameters can lead to fatal consequences. Furthermore, it was demonstrated that partial replacement of Portland cement with supplementary cementitious materials causes high structuration rate (structural build-up), superior interface properties and satisfactory mechanical performance. Developed test methods and the obtained results establish a basis for accurate and reliable material characterisation of cementitious materials in the context of extrusion-based digital construction.

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.

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.

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War bisher die Gestalt von Bauteilen und Baugruppen in Konstruktionen sehr stark durch ihre Fertigungsverfahren beeinflusst, so ändern sich diese Vorgaben durch die Verwendung von 3D- Druck auf beinahe revolutionäre Art und Weise. Und somit werden Ansätze salonfähig, die bisher doch eher selten in Anwendung waren, wie z.B. Gitterstrukturen oder Topologieoptimierung. Diese finden nun wieder häufiger ihren Weg in die Bauteil- und Baugruppenstrukturen. Die Verwendung birgt aber auch damit einhergehende Herausforderungen, da sich z.B. die Bauteilgrößen nach einer Topologieoptimierung drastisch vergrößern und z.B. auch die Glättung der Teile für den Druck, sowie die Rückführung in die CAD-Systeme, häufig noch eine ungelöste Aufgabe darstellen. Diese Ansätze müssen bezogen auf den PLM Gedanken, prozesstechnisch durchdacht und entsprechend implementiert werden. Der Vortrag beschäftigt sich mit der dafür notwendigen Prozesskette vom CAD-Model über die Simulationsverfahren wie Topologieoptimierung oder Gitterstrukturen, Glättung von Strukturen u.v.m. sowie deren Rückführung ins CAD/PLM.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden kapselumhüllte Hüftgelenkmodelle mit 22 – 44 mm Durchmesser durch Hebelwirkung luxiert, wobei die wirkende Kraft, die resultierende Dislokation und der intraartikuläre Absolutdruck kontinuierlich gemessen wurden. Parallel dazu wurde die technische Range of Motion bis zum Impingement und bis zur Luxation bestimmt. Die durchgeführten Hebelversuche ergaben bei Zunahme des Kopfdurchmessers eine erhebliche Zunahme des Luxationswiderstandes der untersuchten Gelenkmodelle. Im Gegensatz dazu ergab die Messung der technischen Range of Motion bei größerem Gelenkdurchmesser einen geringen Zuwachs, dessen praktische Wirksamkeit durch existierende Literatur auf Grund von Knochen-Knochen-Impingement in Zweifel gezogen wird (Burroughs et al. 2005). Die Hypothese ist somit anzunehmen. Die starke Zunahme des Luxationswiderstandes und die gering erweiterte techROM sprechen neben anderen Argumenten dafür, dass die permanente hüftstabilisierende Wirkung des atmosphärischen Druckes, die auch als Weber-Effekt bezeichnet werden kann, die Hauptursache für die deutlich verminderte Luxationsneigung größerer Köpfe nach hüftendoprothetischen Eingriffen darstellt. Daraus können folgende Konsequenzen für die Hüftendoprothetik abgeleitet werden: 1. Die Schonung und Rekonstruktion der Gelenkkapsel ist eine wichtige Voraussetzung für die Wirksamkeit des Weber-Effektes. Zahlreiche Studien belegen, dass durch die Kapselrekonstruktion die Anzahl der von Luxationen betroffenen Patienten um 90 % gesenkt werden kann (Pellicci et al. 1998; Bottner und Pellicci 2006; Prietzel et al. 2014), weshalb die Kapselrekonstruktion zu empfehlen ist. 2. Gelenkköpfe mit größerem Durchmesser besitzen in Folge des Weber-Effektes eine wesentlich größere Gelenkstabilität bzw. einen höheren Luxationswiderstand. Daraus resultiert offensichtlich die klinisch nachgewiesene wesentlich geringere Luxationsra-te (Bistolfi et al. 2011; Howie et al. 2012, Zajonz et al. 2015). Gegenwärtige Nachteile größerer Köpfe wie höherer Abrieb und vermehrte Belastung von Pfannenveranke-rung und Konus müssen jedoch berücksichtigt werden. Der Einsatz größerer Gelenk-köpfe ist zukünftig in der Hüftendoprothetik anzustreben. Gegenwärtig ist bei normalem Luxationsrisiko und somit bei primären HTEP-Implantationen der Einsatz von Gelenkköpfen bis 36 mm Durchmesser vertretbar. Bei erhöhtem Luxationsrisiko (z. B. bei bestimmten HTEP-Revisionen) sind dagegen 40-mm- und 44-mm-Köpfe gerechtfertigt, soweit diese in Abhängigkeit vom Pfannendurchmesser realisierbar sind (Zajonz et al. 2015). 3. Der Einsatz einer intrakapsulären Redondrainage beschleunigt durch die Eliminierung eingedrungener Luft und durch die Minimierung des postoperativen Hämatoseroms die Restitution physiologischer Gelenkverhältnisse. Dies ist gleichfalls eine wichtige Voraussetzung für die Wirksamkeit des Weber-Effektes und daher zu empfehlen (Prietzel et al. 2007).