Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modifizierung von Beschichtungen auf Basis von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC). Die Modifizierung erfolgte mittels Elektronenstrahl (eBeam) und sollte der Oberflächenfunktionalisierung durch die Steuerung der Zelladhäsion dienen. Das Anwendungsfeld der modifizierten DLC-Schichten findet sich im biomedizinischen Bereich. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren aus Formgedächtnislegierung (FGL) herangezogen. Diese sollen in Hüftendoprothesen genutzt werden. Ihre Aufgabe ist es, bei Implantatlockerung eine Wiederverankerung im Knochen, ohne äußeren Eingriff zu ermöglichen. Die Aktoren stellen an eine Beschichtung besondere Herausforderungen hinsichtlich Schichtstabilität und -flexibilität, Zelladhäsion sowie Barrierefunktion. Im Folgenden werden die untersuchten Schwerpunkte mit Bezug auf dieses Anwendungsbeispiel zusammenfassend dargestellt. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurden vier Abscheidemethoden für DLC-Beschichtungen verglichen: die plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PA CVD), das Magnetronsputtern (PVD-Spu), und die Lichtbogenverdampfung ungefiltert und -gefiltert (PVD-Arc bzw. PVD-Arcfil). Aus diesen Abscheidemethoden sollte eine für das medizintechnische Einsatzgebiet geeignete Methode zur DLC-Abscheidung ausgewählt werden. Dafür wurden folgende Kriterien untersucht: Schichtmorphologie und stabilität, Biokompatibilität und die Möglichkeit zur Modifizierung mittels eBeam. Es zeigte sich, dass mittels Magnetronsputtern homogene DLC-Schichten abgeschieden werden können. Diese Beschichtungen zeigen im Vergleich zu den Beschichtungen der anderen Abscheideverfahren die beste Biokompatibilität. Die Modifizierung der Schichten mittels eBeam ermöglicht eine gezielte Verringerung der Zelladhäsion auf den Oberflächen, ohne zelltoxische Nebenwirkungen. Mit diesem Resultat wird die ausgewählte Beschichtung den Funktionsansprüchen des Anwendungsbeispiels gerecht. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren einer intelligenten Hüftendoprothese herangezogen. Die Aktoren bestehen aus FGL-Material und sollen im Anwendungsfall eine intrakorporale Verformung durchführen. Die DLC-Beschichtung soll den Austritt von toxischen Nickelionen aus diesem Material verringern. Daher ist die Stabilität der DLC-Schichten auf den Aktoren für den zielgerechten Einsatz von grundlegender Bedeutung. Die Formflexibilität von DLC-Schichten ist aus der Literatur bekannt, womit sie eine geeignete Barrierebeschichtung für verformbare Bauteile darstellen, ohne dabei die Funktion des Substratmaterials zu beeinträchtigen. Grundlage für diese Formflexibilität stellen eine gute Schichthaftung und Langzeitstabilität dar. Auch an dieser Stelle zeigten die mittels Magnetronsputtern abgeschiedenen DLC-Schichten sehr gute Ergebnisse. Selbst die Beanspruchung durch wiederholte Desinfektion und Sterilisation führte bei dieser Beschichtung zu keiner Veränderung. Im Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese kann es an der Implantat-Knochen-Schnittstelle zu Mikrobewegungen kommen. Durch die im Vergleich zu den anderen Beschichtungen sehr guten Ergebnisse der PVD-Spu-Schichten bei der tribologischen Charakterisierung, stellen diese Schichten eine für das Anwendungsbeispiel geeignete Beschichtung dar. Ein geringer Reibwert gewährleistet dabei eine ungestörte Gewebsintegration. Das Magnetronsputtern wurde basierend auf diesen Ergebnissen als geeignete Abscheidemethode für die DLC-Beschichtung von Implantatmaterialien ausgewählt. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurden die Modifizierung der Beschichtung, die Reaktion im biologischen Kontakt und die Barrierefunktion der Schichten bewertet. Durch die eBeam-Modifizierung der DLC-Beschichtung wird eine Hydrophilierung erzielt, die mit einer signifikanten Verringerung der Zellzahl auf der Oberfläche verbunden ist. Nach Beurteilung der Schichtmorphologie von unbehandelten und modifizierten DLC-Oberflächen konnte ausgeschlossen werden, dass die Hydrophilierung auf Veränderungen der Oberflächenmorphologie zurück zu führen ist. Vielmehr wurden chemisch-energetische Veränderungen als Ursache identifiziert, wobei die indirekte eBeam-Wirkung während der Modifizierung zum Tragen kommt. Die Intensität der Hydrophilierung ist dosisabhängig und zeigt eine Art Sättigungsverhalten ab 500 kGy. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der Anteil stickstoff- und sauerstoffhaltiger Funktionalitäten auf der DLC-Oberfläche zunimmt. Die Verringerung der Zellzahl, welche ebenfalls eine Art Sättigung bei 500 kGy zeigt, steht über die Proteinadhäsion mit diesen Veränderungen in direktem Zusammenhang. In Korrelation mit der Literatur scheint es durch die Zunahme der sauerstoffhaltigen Funktionalitäten zu einer veränderten Proteinadhäsion zu kommen. Dabei wird die Proteinkonformation verändert, was die anschließende Zelladhäsion verringert. Mittels eBeam können sehr feine Strukturen bis in den Mikrometerbereich modifiziert werden, was bedeutet, dass damit die Zelladhäsion in den aneinander angrenzenden Bereichen des Aktors gezielt eingestellt werden kann. Damit wird die DLC-Beschichtung mit dieser Modifizierung den Funktionsansprüchen des Aktorbauteiles gerecht. Die Analyse der Langzeitstabilität zeigte, dass die Modifizierung sowohl an Luft als auch in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) über einen Zeitraum von mindestens zwei Monaten stabil ist. Somit kann für das Anwendungsbeispiel die Modifizierung bereits langfristig vor dem Einsatz eines Implantates erfolgen. Bisher wurden derartige Modifizierungen hauptsächlich mittels Plasmabehandlung durchgeführt. Im Gegensatz zur vorliegenden Arbeit können damit jedoch keine zeitlich stabilen Effekte erzielt werden. Weitere Nachteile der Plasmamethoden ergeben sich durch Materialveränderungen und verhältnismäßig lange Prozesszeiten. Weiterhin wird laut Literatur bei der Plasmabehandlung von DLC-Oberflächen eine Steigerung der Zelladhäsion erzielt. In der vorliegenden Arbeit besteht das Ziel jedoch in der Verringerung der Zelladhäsion, wodurch sich auch unter diesem Aspekt die eBeam-Modifizierung gegenüber der Plasmamodifizierung als vorteilhaft erweist. Zusätzlich wurde neben der Langzeitstabilität für die eBeam-modifizierten DLC-Beschichtungen auch eine Stabilität gegenüber chemisch-mechanischer Reinigung mit anschließender Dampfsterilisation belegt. Da jedoch die FGL-Aktoren im Anwendungsbeispiel durch thermischen Energieeintrag aktiviert werden, könnte die herkömmliche Anwendung der Dampfsterilisation ein Problem darstellen. Auch dafür bietet die eBeam-Behandlung als alternative Sterilisationsmethode einen Lösungsansatz. Mit einer Sterilisationsdosis von lediglich 25 kGy ist die Anwendung des eBeams sowohl zur Sterilisation von unbehandelten als auch modifizierten DLC-Oberflächen möglich, ohne deren Eigenschaften oder die des beschichteten Substrates zu beeinflussen. Die eBeam-Modifizierung der DLC-Oberflächen bietet basierend auf den vorliegenden Ergebnissen eine Möglichkeit zur Steuerung der Zelladhäsion, da in den modifizierten Bereichen eine signifikante Verringerung der Zellzahl erzielt wird. Eine Verringerung der Zellzahl ist für die beweglichen Bereiche der FGL-Aktoren besonders wichtig, um deren Funktion zu gewährleisten (s. Abbildung 1). Für die modifizierten Schichten werden dabei keine Beeinträchtigung der Zellvitalität oder Veränderungen der Phasen des Zellzyklus festgestellt. Weiterhin ist belegt, dass von diesen Beschichtungen kein erhöhtes Entzündungspotential ausgeht, was den uneingeschränkten Einsatz der modifizierten DLC-Beschichtungen im biomedizinischen Bereich ermöglicht. Die unbehandelten DLC-Oberflächen hingegen sollen im Anwendungsbeispiel eine schnelle Implantatintegration gewährleisten. Auch diesem Anspruch wird die Beschichtung gerecht, da die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen auf diesen Oberflächen uneingeschränkt verläuft. Die Analyse des Calciumgehaltes als späten Differenzierungsmarker lässt sogar auf einen stimulierenden Effekt durch die Schichten schließen. Folglich kann für den Anwendungsfall der Hüftendoprothese eine beschleunigte Osseointegration erwartet werden. Die größte Herausforderung für die DLC-Beschichtungen bestand in der Verringerung des Nickelaustrittes aus dem FGL-Material. Die Ergebnisse der Extraktionsversuche belegen, dass aus unbeschichteten FGL Nickelionen austreten und die Stoffwechselaktivität von Osteoblasten beeinflussen. Auf DLC-beschichteten Proben hingegen kann kein messbarer Austritt von Nickelionen festgestellt werden. Im Direktkontakt mit humanen Osteoblasten zeigt sich auf den unbeschichteten FGL eine unnatürliche Zellmorphologie, was auf den Nickelaustritt zurückgeführt werden kann. Dahingegen erscheinen die Zellen auf den DLC-beschichteten Oberflächen in vitaler Morphologie. Diese Ergebnisse demonstrieren die Wirksamkeit der DLC-Beschichtung als Barriere gegenüber dem Austritt von Nickelionen. Zusammenfassend wird festgestellt, dass das Magnetronsputtern die Abscheidung von DLC-Schichten ermöglicht, die dem Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese mit FGL-Aktor sowohl hinsichtlich Barrierefunktion als auch Biokompatibilität gerecht werden. Die Modifizierung mittels eBeam gewährleistet dabei die gezielte Steuerung der Zellzahl, wodurch die DLC-Beschichtungen auch die biofunktionalen Ansprüche des Anwendungsbeispiels bedienen. DLC-Beschichtungen weisen aufgrund ihrer großen Variabilität hinsichtlich Materialeigenschaften und der sehr guten Biokompatibilität ein breites Spektrum für biomedizinische Anwendungen auf. Die eBeam-Modifizierung der Beschichtungen eröffnet aufgrund ihrer Langzeitstabilität darüber hinaus weitere Einsatzfelder. Vor allem die Option einer partiellen Oberflächenmodifizierung ermöglicht es, variierenden Funktionsansprüchen zahlreicher Anwendungen gerecht zu werden und die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse auf weitere Einsatzfelder zu übertragen.

Entwerfen – Entwickeln – Erleben. Drei zentrale Begriffe aus dem Alltag der Produktentwicklung stehen als Motto über den Beiträgen dieses Buches und sind das verbindende Element zwischen den differenzierten Sichtweisen der einzelnen Autoren zu einem gemeinsamen Gegenstand: Dieser umspannt das weite Feld der Entwicklung und Gestaltung von Produkten von der ersten Idee bis zu deren Benutzung. Dabei ist für den Designer das Ziel allen Entwerfens und Entwickelns das positive Erleben des Produktes durch dessen Benutzer. Aber bereits beim Entwerfen, d. h. dem Schaffen von Neuem, bei dem Ideen generiert und Wege zur Umsetzung in ein Produkt gesucht werden und beim Entwickeln, dem Ausarbeiten, Erproben, Verändern und detaillierten Festlegung aller Produkteigenschaften, möchte der Designer vorwegnehmen, wie das künftige Produkt auf den Nutzer wirken wird. Doch der Designer tut das nicht allein. Die integrierte Produktentwicklung ist ein sehr komplexer Prozess, in dem viele verschiedene Fachdisziplinen eng zusammenarbeiten müssen, um am Markt erfolgreiche Produkte platzieren zu können. Zum Thema Industriedesign in komplexen und interdisziplinären Entwicklungsprozessen wird durch dieses Buch ein weiterer Baustein hinzugefügt. [... aus dem Text]

Seit ca. 2000 ist in der internationalen Fachliteratur zum Design zu bemerken, dass »Erleben« in der englischsprachigen Übersetzung von »experience« immer mehr in das Zentrum der wissenschaftlichen Beschäftigung mit dem Design gerät (vgl. Krzywinski 2011). Damit wird das Phänomen Design auf das Erleben als seine begriffliche Basis bezogen. Was Design ist, ergibt sich dann aus diesem Bezug. Es ist zu fragen, ob es sich bei der Wahl des Erlebensbegriffes als Grundlage für das Design um eine Zeiterscheinung im Mainstream der Nachpostmoderne zu Beginn des 21. Jahrhunderts handelt oder ob der Begriff tatsächlich geeignet ist, dem Fachgebiet eine im Sinne der Erkenntnistheorie gültige und empirisch überprüfbare begriffliche Grundlage geben zu können. In der noch jungen Geschichte des Designs als institutionalisierte Disziplin folgte die Wahl von Grundbegriffen, die zu Leitbegriffen wurden, den Regeln des Marktes in wiederkehrenden charakteristischen Zyklen, die von Jonas (1994) prägnant beschrieben worden sind. [... aus dem Text]

Dieser Beitrag skizziert eine Positionsbestimmung von Design innerhalb der Forschung an einer deutschen Volluniversität. Diese Positionsbestimmung startet aus zwei unterschiedlichen Richtungen: einerseits einer methodischen und werkzeugorientierten sowie andererseits aus einer inhaltlichen Perspektive. Die eine greift die vielfältige Diskussion zu research through design (zusammengefasst bei Jonas 2004) und design thinking (Plattner et al. 2009) auf (die jedoch bei selbstkritischer Betrachtung über das Design hinaus noch immer vergleichsweise wenig Wahrnehmung erfährt) die andere orientiert sich am Erleben (Uhlmann 1986, 2005, in diesem Band) oder Experience (Hassenzahl 2010, Schifferstein & Hekkert 2008 u. a.) als Kernbegriff. Dieser ist gleichzeitig grundlegendes Ziel und Ausgangspunkt jeden Designhandelns. Den Kontext der Betrachtung liefern aktuelle Forschungsprozesse vorrangig im akademischen Bereich, wobei diese sowohl fachspezifisch als auch interdisziplinär, grundlagenorientiert sowie angewandt sein können. Im Beitrag wird ausgehend von einer kurzen allgemeinen u. a. geschichtlichen Betrachtung anhand einiger eigener Projekte sowie Spezifika der Dresdner Forschungslandschaft ein Ansatz entwickelt um mittels Design die Erlebbarkeit von Forschungsprozessensowie die Erlebensorientierung von Forschungsinhalten zu verstärken. In der Folge wird Design so zum selbstverständlichen Forschungspartner. Einer der nächsten Schritte muss es sein diese Positionsbestimmung im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte zu verifizieren und zu elaborieren. [... aus der Einleitung]

Lösungen der Elektromobilität gelten als große Herausforderung für Entwickler und Gestalter. Da die technischen, ökonomischen, gesellschaftlichen und politischen Randbedingungen einer zukünftigen Elektromobilität noch nicht fixiert sind und diese sich zudem gegenseitig beeinflussen, bedarf es bei der Gestaltung von elektrisch getriebenen Fahrzeugen eines effizienten und effektiven Zusammenspiels aller angesprochenen Disziplinen. Innovationen, die das Feld der Mobilität definieren, sind gesucht, wobei bei einer kurz- bis mittelfristigen Betrachtung sprunghafte Veränderungen nicht zu erwarten sind. Bekannte, weitgehend sequentielle und arbeitsteilige Arbeitsabläufe haben sich bislang kaum bewährt, wenn es darum geht, in kurzer Zeit erfolgreiche und zukunftsweisende Mobilitätslösungen zu generieren. Die erforderliche Entwicklungsdynamik kann nur von neuen, die Komplexität und Nichtlinearität des Zielsystems abbildenden Prozessen und Methoden erbracht werden. Dieser Text stellt einen möglichen organisatorischen Weg und einige konzeptionelle Ergebnisse vor. Beispiele für Ansätze der Automobilindustrie, das eigene Feld bei der Entwicklung von Mobilitätslösungen zu verlassen, sind der Future Award der Audi AG (Audi AG) und das BMW Guggenheim Lab (BMW AG). Zur Lösung der hier beschriebenen Aufgabe wurden in einem BMU-geförderten Forschungsvorhaben transdisziplinäre Vorgehensweisen zum Konzipieren und Gestalten eines elektrisch getriebenen innerstädtischen Servicefahrzeugs weiterentwickelt und an einem Ausführungsbeispiel erprobt (Autorenkollektiv). [... Einleitung]

Interdisziplinarität ist eine Arbeitsform mit großem Potential für Innovation. Die Kombination der Methoden und Fähigkeiten verschiedener Disziplinen ermöglicht es die Grenzen mono- und multidisziplinärer Arbeit zu sprengen und Neuartiges zu entwickeln. Interdisziplinäre Teamarbeit ist jedoch zeitaufwändig und erfordert neben fachlichen Qualifikationen besondere, soziale Kompetenzen der Mitarbeiter. Nicht bei jedem Projekt führt sie zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit. Gegenwärtig fehlen Orientierungspunkte, bei welchen Aufgabenstellungen und unter welchen Rahmenbedingungen interdisziplinäre Arbeit zu dem erwünschten Mehrwert führt. [... aus dem Text]

Am Beginn von Entwurfsprozessen steht die Akquise des Wissens, welches für die Bearbeitung der Aufgabe nötig ist. Die individuelle Nutzbarmachung dieses Wissens ist, obwohl es individuell prinzipiell vorhanden ist, nicht unproblematisch. Die Theorie der psychischen Regulation von Tätigkeiten (z. B. Hacker 2005) liefert dafür ein Erklärungsmodell, demzufolge es eines antizipierbaren Ziels als wesentliche Handlungsgrundlage mangelt. Bevor das Entwurfsziel – im Design das Erleben (Uhlmann 2005, Schifferstein & Hekkert 2008 u. v. a.) – mit dem Designkonzept auf einem abstrakten Niveau vorweggenommen werden kann, muss die Handlungsfähigkeit bei der Akquise relevanten Designwissens durch Vorgeben weiterer Zwischenziele beispielsweise in Form von Methodenanweisungen ermöglicht werden. Diese Zwischenziele müssen aufgabenunspezifisch aber disziplinspezifisch definiert sein und mit den weiteren Handlungsvoraussetzungen wie Motivation zusammenspielen. [... aus der Einleitung]

Seit geraumer Zeit wird im Maschinenbau (und nicht nur dort) mit Reverse Engineering ein komplexes Vorgehen im Entwicklungsprozess bezeichnet. Bislang getrennt und in Etappen ablaufende Vorgehensweisen werden durch den Rechnereinsatz integriert. Schlüssel dafür sind computergrafische Algorithmen, die es erlauben, aus Scan-, Röntgen- und Messdaten (Punktwolken) Oberflächen zu rekonstruieren. Die als Polygonnetze beschriebenen Oberflächen können für CAD und CAM, für Optimierungsverfahren (FEM) oder für die Qualitätssicherung (Werkstoffprüfung) genutzt werden. [... aus der Einleitung]

Interdisziplinäre Arbeiten gewinnen längst nicht nur in der Hochschullandschaft an Aufmerksamkeit. Selbst dort, wo viele verschiedene Disziplinen auf dichtem Raum nebeneinander existieren, wurde dieses Potential in der Vergangenheit noch allzu selten genutzt. Mittlerweile wird von der Wissenschaftspolitik interdisziplinäre Forschung zunehmend gefordert und ist zudem mit hohen Erwartungen verknüpft (siehe z.B. Hollaender 2003). Daher werden vielerorts nun Kooperationen nicht nur an Rändern der klassischen Disziplinen sondern auch zwischen völlig themenfremden Disziplinen gebildet, wobei der Ruf nach Interdisziplinarität aus Gesellschaft und Politik an die Wissenschaft herangetragen wird (Jungert 2010). Auch in der industriellen Produktentwicklung gewinnt die interdisziplinäre Arbeit getrieben durch kürzere Entwicklungszyklen und komplexere Produkte sowie Funktionsintegration stetig an Bedeutung. Teams in der Produktentwicklung sind meist interdisziplinär und interfunktional zusammengesetzt (Ehrlenspiel 2003, Prasad 1996). Absolventen wissenschaftlicher Disziplinen erwartet daher im späteren Arbeitskontext trotz weiterhin meist fachspezifischer Ausbildung immer häufiger interdisziplinäre Team- und Projektarbeit. [... aus dem Text]

Erfolg macht attraktiv – das gilt auch für die Prinzipien und Methoden der agilen Softwareentwicklung. Diese finden momentan eine weite Verbreitung, denn sie geben offenbar gute oder zumindest bessere Antworten auf die Probleme, mit denen die herkömmlichen Projektmethoden nicht zurande kommen (Royce 1970). Agile, manchmal auch »leichtgewichtig« genannte Methoden vermeiden übermäßige Planung und Spezifikation, sie ersetzen sie durch eine schnelle Abfolge von Zyklen aus Aktion-Reflexion und Neuausrichtung. Sie bevorzugen die Kollaboration unter gleichberechtigten Experten, die Kommunikation statt Weisung. Und sie beziehen den Kunden und späteren Nutzer bereits in die Entwicklungsarbeit mit ein, denn der Kunde ist die wichtigste Informationsquelle, er bestimmt, inwiefern das Produkt für ihn nützlich ist. Durch solche Prinzipien ist es möglich, Zeit- und Budgetüberschreitungen besser zu vermeiden, einen produktiven Umgang mit Ungewissheit und wechselnden Situationen zu entwickeln und schonender mit der menschlichen Arbeitskraft umzugehen (Abrahamsson et al. 2003). So hat sich das Konzept der »Agilität« auch auf andere Bereiche übertragen, z.B. auf die Gründung von Unternehmen (»Lean Start Up«, Ries 2011) oder die Gestaltung von Organisationsstrukturen (»Agile Organisation«, Richardson 2005). [... aus dem Text]