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Tag der Forschung 2022
Nachwuchswissenschaftler/innen
präsentieren aktuelle Forschungsergebnisse
HSM-Prints 1/2022
Schriftenreihe der
Hochschule Schmalkalden
Tagungsband der Hochschule Schmalkalden Tag der Forschung 2022 Nachwuchswissenschaftler/innen präsentieren aktuelle Forschungsergebnisse Schmalkalden 2022 HSM-Prints 1/2022 HSM-Prints Die Schriftenreihe der Hochschule Schmalkalden Herausgeber: Hochschule Schmalkalden, Der Präsident ISSN 0949-1767 Layout und Satz: DeinSatz Marburg | mg Produktion: André Mock Referat Hochschulkommunikation Hochschule Schmalkalden Blechhammer 9 98574 Schmalkalden Tel.: +49 (0) 36 83 / 688-1021 Fax: +49 (0) 36 83 / 688-1999
INHALT
Ressourcenschutz als Rechtsproblem
Emma Huber, LL. M. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Personalisierte Medizintechnik – Entwicklung eines individualisierbaren
Dentalreinigungssystems
Lena Schneider, M. Eng.; Prof. Dr.-Ing. Thomas Seul; Dr. Stefan Stübinger;
Johannes Ullrich, M. Eng.; Madlen H immel-Saar, M. Eng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Additive Herstellung leitfähiger Strukturen auf Basis niedrigschmelzender Metalle
mittels FDM-Verfahren
Joshua Voll, M. Eng.; Prof. Dr.-Ing. Stefan Roth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Additiv gefertigte Werkzeuge für den Einsatz in der Extrusion
Samuel Werner, M. Eng.; Prof. Dr.-Ing. Stefan Roth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Predictive Maintenance for Optical Amplifiers
Dominic Schneider, M. Sc.; Prof. Dr.-Ing. Maria Schweigel; Dr. sc. techn. Lutz Rapp . . . . . . . . . . . . . 29
Modellagnostische Erklärungen zur Qualitätsprognose im Kunststoffspritzgießprozess
Norbert Greifzu, M. Sc.; Manuel Schneider, M. Sc.; Prof. Dr.-Ing. Andreas Wenzel . . . . . . . . . . . . . . . 35
Tag der Forschung 2022 3
RESSOURCENSCHUTZ ALS RECHTSPROBLEM
Emma Huber, LL. M.
1 Einleitung
Die drastische Entwicklung des Klimas kann von Dessen war sich die Europäische Union be-
jedem Lebewesen des Planeten Erde beobach- reits 2001 bewusst und formulierte im Rahmen
tet werden. Zu Beginn waren es kleine Rodungen des Grünbuchs zur integrierten Produktpolitik die
des Regenwaldes, die sich mittlerweile zu extensi- ersten ressourcenbezogenen Handlungsfelder. [4]
ven Palmöl-Plantagen entwickelt haben und so den Als eigenständiges Thema wurde der Ressourcen-
natürlichen Regenwald zu großen Teilen verdrän- schutz 2005 innerhalb der thematischen Strategie
gen. Zwar sieht auch eine solche Plantage auf den für nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen
ersten Blick grün und lebendig aus, doch auf den aufgegriffen. [5] Im Jahr 2008 wurde der Ressour-
zweiten Blick wird jedoch deutlich, dass es hier kein censchutz zum eigenständigen politischen Ziel,
Leben gibt. Der Regenwald bietet vielen Tieren wie welches durch den Aktionsplan für Nachhaltigkeit
bspw. dem Orang-Utan Lebensraum und Zuflucht in in Produktion und Verbrauch für eine nachhaltige
seinen Baumkronen und liefert zusätzlich wichtige Industriepolitik gefördert worden ist. [6]
Nahrungsgrundlagen. Der natürliche Lebensraum in Eine umfassende Definition darüber, was zu
Form des Regenwaldes kann nicht durch eine An- den natürlichen Ressourcen gehört, wurde vom
lage zur Herstellung von Palmöl ersetzt werden. [1] Umweltbundesamt aufgestellt. Alle Bestandteile
Nicht nur für die im Dschungel heimischen Le- der Natur gehören demnach zu den natürlichen
bewesen hat eine solche Rodung katastrophale Ressourcen. Konkret sind das alle biotischen so-
Folgen. Wälder beeinflussen das Klima auf globa- wie abiotischen Rohstoffe, der physische Raum,
ler Ebene. Neben den Weltmeeren speichern auch die Fläche, die Umweltmedien (Wasser, Boden,
Wälder einen großen Teil der Treibhausgase. Wer- Luft), die strömenden Ressourcen und alle leben-
den diese zerstört, geht deren Funktion als Kohlen- den Organismen. [7]
stoffsenke verloren. Der gespeicherte Kohlenstoff Die natürlichen Ressourcen des Planeten sind
wird durch die Rodung freigesetzt und in Form von endlich, was einen zukunftsfähigen und besseren
Treibhausgasen in die Atmosphäre entlassen, was Umgang mit ihnen erfordert. Der Earth Overshoot
eine Erwärmung des Klimas zur Folge hat. [2] Day (EOD) der vergangenen Jahrzehnte zeigt
Die Folgen für den Klimawandel sind immens eine deutliche Verschlechterung im Umgang mit
und führen auf lange Sicht dazu, dass die Klima- den natürlichen Ressourcen. Der EOD bezeichnet
schutzziele nicht erreicht werden können. An die- den Tag des Jahres, an dem die Nachfrage der
sem Beispiel wird also deutlich, was der Verlust Menschheit nach der Natur die biologische Rege-
von natürlichen Ressourcen bewirken kann. Die nerationskapazität der Erde übersteigt. 2021 wurde
Relevanz der Thematik ist aktueller denn je und dieser Tag bereits am 29. Juli erreicht. [8]
bedarf intensiver Betrachtung. Erstmalig im Jahr 1970 überschritt die Mensch-
Spricht man von Klimaschutz, kommt man nicht heit die verfügbare Biokapazität des Planeten. Seit
mehr umhin, auch den Ressourcenschutz zu be- diesem „Break-Even-Point“ hat es die Menschheit
trachten. Beide fungieren als Einheit, sodass das eine nicht wieder geschafft, den Ressourcenverbrauch
nicht auf Kosten des anderen erfüllt werden darf. [3] zu verringern. Der EOD tritt von Jahr zu Jahr früher
Tag der Forschung 2022 4
ein, was eine Steigerung der benötigten Ressour- Zur Lösung dieses Problems bedarf es eines
cen bedeutet, die der Planet jedoch nicht herstellen übergeordneten Ressourcenschutzes, welcher als
kann. [9] sparsamer und effizienter Umgang mit endlichen
Würde die gesamte Weltbevölkerung leben Ressourcen verstanden werden kann. [11] Um die-
wie die USA oder wie Deutschland, würden fünf sen Ansprüchen an den Umgang mit natürlichen
bzw. knapp drei Erden benötigt, um den Bedarf Ressourcen gerecht zu werden, müssen konkrete
an Ressourcen zu decken. Der globale öko- Maßnahmen zum Tragen kommen, sodass eine
logische Fußabdruck würde hingegen 1,7 Er- Erreichung dessen, was von verschiedenen Seiten
den zur Befriedigung des Ressourcenbedarfs und vor allem vom Planeten gefordert wird, mög-
bedeuten. [10],[9] lich wird.
2 Status-quo Betrachtung
Der Bundesregierung stehen diverse Möglichkei- schutz lässt deutliche Lücken erkennen. Auf euro-
ten zur Implementierung geeigneter Instrumenta- päischer Ebene werden sowohl in der Charta der
rien zur Verfügung. Besondere Bedeutung werden Grundrechte (Art. 37 GRCh) wie auch im Vertrag
den direkt und indirekt wirkenden Instrumentarien über die Arbeitsweise der Europäischen Union
zuteil. Ökonomische Instrumente gehören zu den (Art. 11 AEUV) umweltpolitische Bestrebungen ver-
indirekt wirkenden, da diese ihre Wirkung durch deutlicht, welche ein hohes Umweltschutzniveau
bestimmte Anreizsysteme entfalten. [12] Regula und die Verbesserung der Umweltqualität zum Ziel
tive Steuerungsinstrumente finden sich hingegen in haben. Zusätzlich wird der Umweltschutz als zentra-
Geboten und Verboten wieder, welche durch Ge- les Ziel des EU-Vertrages (Art. 3 EUV) bezeichnet.
setze, Verordnungen, Satzungen, etc. direkte Wir- Auf nationaler Ebene verdeutlicht besonders
kung haben. [13] Art. 20a GG die Relevanz des Ressourcenschutzes.
Beispiele für Anreizsysteme sind grundsätzlich Dieser verpflichtet den Staat zum Schutz der natür-
finanzieller Art, welche in öffentliche Einnahmen lichen Lebensgrundlagen. Um diese Schutzpflicht in
und Ausgaben unterteilt werden können. Beson- gesetzlichen Regelungen zu verankern, bedarf es
ders im Bereich der Umwelt- bzw. Ökosteuer sowie jedoch wissenschaftlicher Erkenntnisse, um zu ent-
dem Zertifikatehandel werden finanzielle Anreize scheiden, welche Bereiche unter die Schutzwürdig-
durch Strafzahlungen bei nicht nachhaltiger Wirt- keit fallen und welcher Umfang für den Schutz der
schaftsweise gesetzt. Steuererleichterungen hin- natürlichen Lebensgrundlagen notwendig ist. [16]
gegen können dann greifen, wenn besonders nach- Bislang haben vereinzelte ressourcenschutz-
haltig gewirtschaftet wird. Auch Förderprogramme rechtliche Ausprägungen im Umweltrecht ihren
können hier von umweltfreundlichen Unternehmen Platz. Beispielweise im Planungsrecht findet der
wahrgenommen werden. [14],[15] Ressourcenschutz in geringem Ausmaß Anwen-
Viele der politischen Instrumentarien entfalten dung. Der nachhaltige Schutz von Ressourcen wird
ihre Wirkung erst durch ihre Eingliederung in das gem. § 2 (2) Nr. 1 ROG festgehalten. Im Bergbau
deutsche Rechtssystem. Durch die Implementie- werden große Mengen Ressourcen benötigt, jedoch
rung in geltendes Recht haben diese Instrumenta- schränkt das Bundesbergbaugesetz die Schonung
rien einen direkt wirkenden Charakter. Anders als natürlicher Ressourcen dahingehend ein, dass die
die Anreizsysteme werden sie jedoch als Zwang Rohstoffversorgung gem. § 48 (1) S. 2 BbergG ge-
wahrgenommen. [13] sichert werden soll. Durch diese Hervorhebung der
Ein Blick auf den bisherigen Stand der gesetz- Rohstoffsicherung kann der Ressourcenschutz
lichen Grundlagen in Bezug auf den Ressourcen- nur in geringem Umfang zum Tragen kommen.
Tag der Forschung 2022 5
Genehmigungsbedürftige Anlagen i. S. d. Bundes- zur Einhaltung und Erfüllung der Ziele, welche auf
Immissionsschutzgesetzes sollen gem. § 5 (1) im Grundlage des Übereinkommens von Paris be-
Rahmen des Umweltschutzes errichtet und betrie- schlossen wurden, aufgerufen. [18]
ben werden. Auch sollen schädliche Umwelteinwir- Durch die dargestellte Betrachtung wird deutlich,
kungen nach § 1 (1) BImSchG vorgebeugt werden. dass es an einem speziellen Gesetz zum Schutz
Dass hierfür ein sparsamer und effizienter Einsatz der natürlichen Ressourcen fehlt. Umweltschutz
von Ressourcen notwendig wäre, bleibt jedoch au- und Klimaschutz sind wichtige Aspekte in der Be-
ßer Acht. [17] kämpfung des Klimawandels. Fehlt es jedoch an
Deutlich wird die periphere Implementierung speziellen Regelungen bei der Verwendung natür-
des Ressourcenschutzes in den o. g. Gesetzen. licher Ressourcen, können die unterschiedlichen
Das Klimaschutzgesetz wurde gem. § 1 mit dem und dringlichen Bereiche, die für einen allumfas-
Ziel erlassen, die Erfüllung sowie die Einhaltung senden Klima- und Umweltschutz notwendig sind,
der europäischen Zielvorgaben zu gewährleisten. nicht gewährleistet werden. Ein übergreifendes
Konkrete Maßnahmenvorschläge für eben jene Er- Ressourcenschutzrecht ist zur Erreichung der
reichung bleiben allerdings aus. Es wird lediglich Klimaschutzziele folglich unabdingbar.
3 (Weiter-)Entwicklung
Zur Schaffung eines umfänglichen Rechtsrahmens die Planungsgrundsätze implementieren sollte. Der
kann sich konkreter (Weiter-)Entwicklungsmöglich- Schutzaspekt i. S. d. § 2 (2) Nr. 1 ROG formuliert,
keiten bedient werden. Denkbare Optionen sind dass „Ressourcen nachhaltig zu schützen“ sind.
hier die Lücken füllung bereits bestehender Ge- Konkretisiert wird dies jedoch lediglich in Bezug auf
setze sowie die Etablierung eines übergreifenden die Rohstoffsicherung nach § 2 (2) Nr. 4 S. 4 ROG.
Stammgesetzes in Form eines Ressourcenschutz- Vor allem mit Blick auf den nachhaltigen Umgang
gesetzes. mit Ressourcen gem. Art. 20a GG wird ein großer
Bereits das 2012 von der Bundesregierung be- Spielraum und eine wichtige Funktion für das ROG
schlossene Ressourceneffizienzprogramm (Prog gewährt. Um der Relevanz des Ressourcenschut-
Ress) hat unter anderem die Weiterentwicklung zes jedoch Rechnung zu tragen, sollte die Rohstoff-
des deutschen Ressourcenschutzrechts zum In- sicherung relativiert werden, indem die Sicherung,
halt. [19],[20] In diesem Sinne sollen keine neuen Aufsuchung und Gewinnung von Rohstoffen mit den
Kodifikationen geschaffen, sondern Ressourcen- ressourcenschutzbezogenen Belangen der Spar-
schutzgedanken in bereits bestehenden Bestim- samkeit sowie Schonung kombiniert werden, sodass
mungen konkretisiert und weiterentwickelt werden. diese ausreichend Berücksichtigung finden. [21]
Einen wichtigen Ansatz bietet das Planungsrecht. Auch das Bauplanungsrecht hat einen enor-
Das Baurecht ist das rohstoffintensivste Gewer- men Einfluss auf den Ressourcenschutz. Mittels
be, [21] weshalb eine genaue Betrachtung des bauplanungsrechtlicher Instrumente wird über das
Ressourcenschutzes in diesem Gebiet erforderlich Ob und das Wie der baulichen Nutzung von Grund
ist. Hierfür bieten sich verschiedene Ansatzpunkte. und Boden entschieden. Positiv hervorzuheben
Die Raumordnung hat die strukturelle Entwick- ist, dass die wichtigen Umweltmedien Wasser, Luft
lung und Gestaltung eines Gebietes zum Inhalt, und Boden, sowie Fläche und Biodiversität bereits
weshalb es ein bedeutsames Instrument zur Integra- in § 1 (6) BauGB als zu berücksichtigende Belan-
tion verschiedener Umweltbelange darstellt. Beson- ge genannt werden. Rohstoffe bleiben jedoch un-
ders eignet sich hierfür das Raumordnungsgesetz, erwähnt. Um den Ressourcenschutzgedanken zu
welches ressourcenschutzbezogene Regelungen in verstärken, wäre hier eine ausdrückliche Nennung
Tag der Forschung 2022 6
des sparsamen und effizienten Umgangs mit Roh- Grundsätze des Ressourcenschutzes sind in die-
stoffen notwendig. sem Zusammenhang wesentlich. Auch Vertiefun-
Durch die Lückenfüllung jedes einzelnen Geset- gen des Umweltrechts sind dabei denkbar, sodass
zes mit Hinblick auf den Ressourcenschutzgedan- detailliertere Angaben zu schutzwürdigen Medien
ken müssten sehr viele Gesetze geändert bzw. an- gemacht werden können. Mögliche Abgrenzungs-
gepasst und erweitert werden. Eine weitere Option probleme sowie Kollisionen mit dem bereits be-
bietet die Schaffung eines eigenen Ressourcen- stehenden Fachrecht könnten durch etwaige Klau-
schutzgesetzes. Ein solches Stammgesetz würde seln oder abschließende Regelungen im jeweiligen
fachübergreifend für alle Rechtsgebiete geltende Fachrecht ausgeräumt werden. Zweck eines sol-
Regelungen enthalten, welche allein dem Schutz chen Gesetzes soll die Reduzierung des Ressour-
der natürlichen Ressourcen gewidmet sind. cenverbrauchs, die nachhaltige Nutzung und der
Durch ein eigenes Stammgesetz kann dem Schutz der natürlichen Ressourcen sein. Durch
Ressourcenschutz die Bedeutung zuteilwerden, abstrakt-generelle Formulierungen der Vorschrif-
die auf Grund seiner Relevanz angemessen ist. ten wird die Komplexität des Ressourcenschut-
Eine Regelung übergeordneter Aspekte wäre hier zes deutlich und die umfassende Rahmensetzung
von großer Bedeutung. Definitionen, Ziele sowie kann gewährleistet werden. [21]
4 Fazit und Ausblick
Gäbe es keine Unternehmen und Organisatio- heitlichen Regelungskonzeptes, um so den Weg
nen, die aus eigenem Antrieb gesellschaftliches zu einer nachhaltigen Entwicklung sowie einer
Verantwortungsbewusstsein haben, würde der ressourcenschützenden Wirtschaftsweise zu er-
Ressourcenschutz kaum berücksichtigt werden. möglichen. Dieses Potenzial könnte durch eine
Nachhaltiger Ressourcenschutz muss also über Lückenfüllung genutzt werden und so zu einer
die Unternehmensebene hinaus im deutschen Ge- nachhaltigen Ressourcennutzung beitragen. Auch
samtsystem verankert werden. könnten diese Lücken durch ein übergeordnetes
Zwar stehen der deutschen Umweltpolitik diver- Stammgesetz geschlossen werden, sodass es
se Instrumentarien zur Verfügung, jedoch zielen lediglich eines neuen Gesetzes und nicht vieler
diese nicht in ausreichender Weise auf verpflich- einzelner Gesetzesänderungen bedarf.
tende Vorgaben ab. Es kann deutlich beobachtet Die Relevanz der Thematik nimmt stetig zu.
werden, dass die wenigen Regelungen, die es in Dass sich etwas an der bestehenden Gesetzes
Bezug auf den Ressourcenschutz gibt, nicht aus- lage ändern muss, ist nicht zu bestreiten. Ob es auf
reichen, um eine nachhaltige Entwicklung im Be- dem Wege einer Lückenfüllung oder durch ein all-
reich des Ressourcenschutzes zu erreichen. gemeingültiges Ressourcenschutzgesetz erfolgt,
Einige der bereits bestehenden Regelungen ist weniger bedeutend als die Tatsache, dass es
bieten großes Potenzial zur Entwicklung eines ein- ohne Änderungen nicht geht.
Tag der Forschung 2022 7
Literatur
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earth&cn=5001. sourcenschutzrecht, 2013.
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2021, URL 2: https://www.overshootday.org/how-
many-earths-or-countries-do-we-need/.
Tag der Forschung 2022 8
PERSONALISIERTE MEDIZINTECHNIK –
ENTWICKLUNG EINES INDIVIDUALISIERBAREN
DENTALREINIGUNGSSYSTEMS
Lena Schneider, M. Eng.1; Prof. Dr.-Ing. Thomas Seul 1; Dr. Stefan Stübinger; Johannes Ullrich, M. Eng.1;
Madlen Himmel-Saar, M. Eng.1
1
Angewandte Kunststofftechnik (AKT)/Hochschule Schmalkalden, Deutschland
Zusammenfassung
Durchschnittlich verbringen 48 % der Menschen in Deutschland fünf bis zehn Minuten pro Tag mit dem
Zähneputzen [URL14]. Bedingt durch Zahnfehlstellungen steht jeder Dritte vor dem Problem, dass die Rei-
nigungswirkung mit konventionellen Handzahnbürsten nicht zufriedenstellend ist [URL22, URL20]. Um die
Putzwirkung mit der Zahnbürste bei schwer erreichbaren Zähnen zu verbessern, wurde in diesem Ent-
wicklungsprojekt eine neuartige Handzahnbürste entwickelt, mit dem Ziel die eingangs aufgeführten Pro-
blemstellung zu beheben. Hierzu wurde das Team der Angewandte Kunststofftechnik an der Hochschule
Schmalkalden von der Universität Basel beauftragt ein entsprechendes individualisierbares Dentalreini-
gungssystem zu entwickeln.
Damit die Problemstellung beim Zähneputzen ersichtlich wird, wird in Abbildung 1 durch ein Gebiss-
modell die Zahnfehlstellung – Engstand – dargestellt.
Der Zahnarzt untersucht die Zähne des Patienten und stellt fest, dass trotz vermeidlich richtigem sowie
regelmäßigen Putzen die Reinigungswirkung mit einer konventionellen Zahnbürste nicht ausreichend ist.
Er empfiehlt dem Patienten auf Grund seiner Zahnfehlstellungen und der mangelhaften Putzwirkung eine
individuell anpassbare Zahnbürste, um die Reinigungswirkung zu verbessern.
Der Grundkörper sowie die Einzelteile der Zahnbürste werden spritzgegossen. Anschließend erfolgt
eine patientenindividuelle Anpassung beim Dentalhygieniker. Hierzu zählen die Auswahl und Kombination
der Reinigungselemente sowie die Anpassung des Halsbereiches. Der Dentalhygieniker beachtet dabei die
Vorgaben des Arztes bzw. die Anforderungen des Patienten. Nach der Übergabe der Zahnbürste obliegt es
dem Patienten, durch eine Einstellung im Kopfbereich, seine schwer erreichbaren Zähne ohne Einschrän-
kungen zu putzen.
Die Eignung der Konstruktion wurde im Projekt anhand von Prototypen erfolgreich nachgewiesen und
zum Patent angemeldet.
Produktentwicklung des individualisierbaren D
entalreinigungssystems
Die nachfolgend beschriebene Produktentwicklung In der Planungsphase wird zuerst die Aufgabe
des Dentalreinigungssystems wird gemäß der definiert und der Entwicklungsauftrag festgelegt.
VDI 2222 durchgeführt, welche den Entwicklungs- Zu der Konzeptphase zählt die Ausarbeitung der
prozess in vier Phasen „Planen, Konzipieren, Ent- Anforderungsliste, Nutzwertanalyse sowie das Er-
werfen und Ausarbeiten“ untergliedert. Die Phasen stellen der Gesamtfunktionen, welche in Teilfunk-
zur Entwicklung und Konstruktion von Kunststoff- tionen untergliedert werden. Zusätzlich werden in
produkten wird in Abbildung 2 dargestellt. dieser Phase unterschiedliche Konzeptvarianten
Tag der Forschung 2022 9
Abbildung 1: Gebissmodell Zahnfehlstellung – Engstand
hergestellt und geprüft [Bri11]. Die Vorgehensweise
zur Produktionsentwicklung des Dentalreinigungs-
systems richtet sich nach der zuvor beschriebenen
VDI 2222.
Zu Beginn des Projektes wird in Phase I die
Aufgabe präzisiert. In Phase II wird ein Lasten- und
Pflichtenheft erstellt und vom Projektteam verab-
schiedet. Hier werden die Anforderungen an das
Dentalreinigungssystem in einer Anforderungsliste
festgehalten. Diese gliedert sich in allgemeine,
mechanische, thermische, chemische Produkt-
spezifikationen, wie z. B. die Größe des Zahnbürs-
tenkopfes, Grifflänge, Ergonomie der Zahnbürste,
Gebrauchstemperatur, Anpressdruck beim Zähne-
putzen etc. Ebenfalls werden auf die Produktspe-
zifikationen des Werkstoffes, die Normen sowie
Abbildung 2: Vorgehen beim Entwickeln und Kon Richtlinien, die Verpackung und die Patienten-
struieren nach VDI 2222 [Bri11] sicht in der Anforderungsliste eingegangen. Aus-
gehend von der Patientensicht ist es wichtig, das
rarbeitet und bewertet. Daraufhin folgt die Ent-
e Zähneputzen so einfach und effektiv wie möglich
wurfsphase mit der Gestaltung eines maßstäb- zu gestalten. Des Weiteren soll ein angenehmes
lichen Entwurfes. In dieser Phase werden Ite- Putzgefühl erzeugt werden. Nachdem die Spezi-
rationsschleifen zur Optimierung des Entwurfes fikationen festgelegt sind, folgt die Erstellung ei-
durchgeführt. In der Ausarbeitungsphase wird spe- ner Funktionsstruktur und die Durchführung einer
zielle auf die Funktionsfähigkeit der Einzelteile ein- Nutzwertanalyse, ebenfalls in Phase II. Parallel
gegangen. Sollten diese eine Optimierung benöti- dazu führte das Projektteam vergleichende Feld-
gen wird eine letzte Anpassung durchgeführt und versuche mit handelsüblichen Zahnbürsten durch.
daraufhin die benötigten Dokumente wie Stückliste Nach diesen Versuchen wird ein Brainstorming
und Zeichnungen erstellt. Zuletzt wird ein Prototyp mit den zuvor festgelegten Hauptkriterien, die sich
Tag der Forschung 2022 10aus der Nutzwertanalyse ergeben haben, durch-
geführt. Auf Grundlage des Brainstormings wird
ein Morphologischer Kasten erstellt. Hier werden
6 Hauptkriterien definiert, welche im Folgenden
aufgelistet sind:
1. Reinigungswirkung der glatten Flächen von
Eck-, Schneide-, Backenzähnen
2. Reinigungswirkung der Kauflächen
3. Reinigungswirkung der Zahnzwischenräume
4. Schwer zugängliche sowie erreichbare Zähne
müssen gereinigt werden können Abbildung 3: Favorisierte Variante für die konstruk
5. Individualisierung beim Dentalhygieniker ein- tive Umsetzung der Zahnbürste
fach durchführbar
6. Mechanische Stabilität und Steifigkeit der Zahn- keit unterschiedliche Elemente zu entwickeln und
bürste deren Kombination dem Patienten anzupassen.
Zusätzlich befinden sich auf der Rückseite des
Den Hauptkriterien werden unterschiedliche Lö- Kopfes ein Mikrofaserschwamm, der bei der End-
sungsansätze zugeordnet, um im späteren anhand reinigung der Zähne zum Einsatz kommen kann.
dieser Ansätze Umsetzungsideen zu entwickeln. Durch einen Schiebemechanismus ist der Halsbe-
Aus der durchgeführten Bewertung geht die in Ab reich abwinkelbar.
bildung 3 dargestellte Variante 1 als Favorit hervor. Nachdem Phase II abgeschlossen ist, wird
Zu erkennen ist ein Stecksystem im Kopfbereich. in Phase III mit der Konstruktion des Dentalreini-
Durch dieses Stecksystem, besteht die Möglich- gungssystems begonnen.
Ergebnisdarstellung der entwickelten Zahnbürste
In der konstruktiven Umsetzung entwickelte das mittels Warmumformung an die Zahngeometrie
Projektteam eine Zahnbürste, welche mit unter- des Nutzers anpassen. Somit wird garantiert, dass
schiedlichsten Borstenkonfigurationen ausgestat- die Zahnbürste an den Patienten individuell ange-
tet werden kann. Des Weiteren ist es möglich den passt werden kann (siehe Abbildung 4).
Winkel des Kopfbereichs manuell während des Im Bürstenkopf lassen sich Reinigungsele-
Gebrauchs einzustellen. Der Halsbereich lässt sich mente mittels unlösbarer Ringschnappverbindung
fixieren (siehe Abbildung 5, Abbildung 6). Durch
Halsbereich den symmetrischen Aufbau des Bürstenkopfes
Griffbereich lässt sich jedes Reinigungselement an einen der
acht vorgesehenen Steckplätze integrieren.
Der Bürstenkopf besteht aus zwei Teilen, die
sich zueinander abwinkeln lassen. Während des
Kopfbereich
Putzens soll der Vorderteil des Kopfes durch den
eingebrachten Rastmechanismus fixiert blei-
Abbildung 4: Konstruktive Umsetzung der Zahn ben, sodass keine Bewegung stattfinden kann
bürste, der Übersicht halber dargestellt ohne (siehe Abbildung 7). Die Winkeleinstellung des
Borstenpaket Kopfes erfolgt manuell. Somit können unterschied-
Tag der Forschung 2022 11Einsetzbare Reinigungselemente
Rastmittel
Abbildung 5: Konstruktive Umsetzung Abbildung 6: Reinigungselemente –
des Kopfbereiches Rück- und Vorderseite
Abbildung 7: Abgewinkelter Bürstenkopf Abbildung 8: CAD-Darstellung des verformbaren
Halsbereiches
liche Winkeleinstellungen am Kopf vorgenommen
werden. Um den größtmöglichen Bedienerkom-
fort zu gewährleisten, erfolgt die Winkeleinstel-
lung abhängig vom Reinigungserlebnis durch den
Endnutzer.
In den neun Vertiefungen des Reinigungsele-
mentes werden verschieden kombinierte Borsten-
typen oder andere Putzelemente fest verankert
gefügt. Die richtige Auswahl der Borstenvarianten
erfolgt durch den Dentalhygieniker. Um die Teile-
vielfalt in der späteren Serienproduktion gering zu Abbildung 9: Versuchsaufbau
halten, sind die Reinigungselemente identisch auf- mit IR-Strahler
gebaut. Die Elemente unterscheiden sich lediglich
in ihrer Bestückung. Die Grundkörper können in gemäß der Phase IV. Die Umformung des Halsbe-
ihrer Position im Bürstenkopf nach Belieben bzw. reiches erfolgt durch den Dentalhygieniker und ist
Funktionalität ausgewechselt werden. nach der Übergabe an den Patienten nicht mehr
Der Hals der Zahnbürste soll durch Warm erforderlich bzw. veränderbar.
umformung in die gewünschte Position gebracht Um den Halsbereich umzuformen wird die Proto
werden. Abbildung 8 veranschaulicht ein mögli- typen-Zahnbürste mittels Erwärmung durch IR-
ches Ergebnis der Warmumformung des Halsbe- Strahlung manuell umformbar (siehe Abbildung 9).
reiches. Bei den nachfolgend durchgeführten Ver- Nach dem Abkühlen erstarrt der warmumgeformte
suchen handelt es sich um prototypische Versuche Halsbereich in der gewünschten Position (siehe
Tag der Forschung 2022 12Abbildung 10). Der Halsbereich der Prototypen
wird in unterschiedliche Positionen gebracht. Für
den Machbarkeitsnachweis wird der Hals der Zahn-
bürste in sich verdreht, gesteckt und gebogen.
Die Putzversuche an den Prototypen zeigen,
dass sich Auswahl und Kombination der Reini-
gungselemente erheblich auf das Reinigungs
ergebnis auswirken. Für die Zusammenstellung
der Borstenanordnung werden Kombinationsmat-
rizen erstellt und analysiert. Für die Putzversuche
werden drei verschiedene Borstenanordnungen
konfiguriert (siehe Abbildung 11). In der ersten Abbildung 10: Unterschiedliche Halsformen – links:
Borstenkombination (Variante 1) befinden sich Ausgangszustand des Prototypen
an der Spitze der Zahnbürste X-förmige Borsten.
Die nächsten zwei Reinigungselemente werden
frei gelassen. Im hinteren Teil des Bürstenkopfes
von Variante 1 sind gerade Borsten mit und ohne
Interdentalborsten befestigt. Bei der zweiten Va- Abbildung 11: Angepasste Borstenanordnungen für
riante befindet sich im vorderen Bereich des Zahn- verschiedene Bereiche der Zähne (Variante 1 bis 3
bürstenkopfes unterschiedlich lange Borsten, die von rechts nach links)
zur Mitte hin länger werden. Der hintere Teil der
zweiten Variante ist ebenfalls mit Interdentalbors-
ten und Standardborsten ausgestattet. Zusätzlich
sind hier Schwämme integriert. Diese weisen eine
Rundung auf und passen sich somit optimal an die
Form der Zähne an. In der letzten Borstenkombi-
nation (Variante 3) werden abgewinkelte sowie
gerade Borsten realisiert. Im hinteren Bereich des Abbildung 12: Erstes Gebissmodell für die Putz
Zahnbürstenkopfes sind mehrere Schichten von versuche – Vorderansicht und Draufsicht
Lamellen in einer V-Form angeordnet. Zusätzlich
befinden sich Schwämme mit einer ebenen Ober- werden Parameter wie Verschmutzungsgrad, Putz-
fläche auf der hinteren Position des Bürstenkopfes. zyklus sowie Bediener konstant gehalten, sodass
Die patientenindividuelle Auswahl und Zusammen- vergleichbare Ergebnisse erreicht werden konn-
stellung der Reinigungselemente erfolgt durch den ten. Die Ergebnisse der prozentualen Gewichts-
Dentalhygieniker. reduktion bezogen auf das Gesamtgewicht der
Bei der Durchführung der Putzversuche werden Verschmutzung liegen bei den getesteten Varian-
Gebissmodelle mit unterschiedlichen Fehlstellun- ten im Bereich von 53 % bis zu einer maximalen
gen verwendet. In der Abbildung 12 wird beispiel- Gewichtsreduktion von 69 %. Hierbei schneidet
haft ein verwendetes Gebissmodell dargestellt. Variante 2 mit einer Gewichtsreduktion von 69 %
Bei diesen Versuchen werden die verschiedenen am besten ab. Der Bediener beschreibt im Nach-
Gebisse definiert mit drei unterschiedlichen Le- gang, dass die Handhabung von Variante 2 am an-
bensmitteln verschmutzt. Bei den Putzversuchen genehmsten ist.
Tag der Forschung 2022 13Fazit und Ausblick
Das Projektziel ein patientenindividualisierbares Bauteilqualität sicherzustellen, sollten die Unter-
Dentalreinigungssystem zu entwickeln wurde er- suchen dennoch an der Zahnbürste, welche im
reicht. Die Individualisierung der Zahnbürste erfolgt Serienprozess hergestellt wird, wiederholt werden.
durch Abwinkeln des Kopfes, Auswahl verschiede- Mit Abschluss des Projektes wurde das neu entwi-
ner Borstenkombinationen sowie durch Warmum- ckelte individualisierbare Dentalreinigungssystems
formen des Halsbereiches. Die ersten Ergebnisse zum Patent angemeldet (siehe Abbildung 13).
der Prototypen waren vielversprechend. Um die
Zusammenfassung
Ein Reinigungskopf (3) einer Zahnbürste umfassend ein erstes Reinigungskopfsegment
(4a) und ein zweites Reinigungskopfsegment (4b), wobei das erste Reinigungskopf-
segment (4a) auf eine Verfrehposition einstellbar und/oder auf einen Winkel einstellbar
gegenüber dem zweiten Reinigungskopfsegment (4b) angeordnet ist;
wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Reinigungskopfsegment (4a, 4b) ein
Gelenk (5) zur Einstellung des vordefinierten Winkels und/oder der Verdrehposition des
ersten gegenüber dem zweiten Reinigungskopfsegment (4a, 4b) angeordnet ist, wobei
der Reinigungskopf zumindest zwei Halteplatten (6, 7) mit jeweils einer Reinigungsseite,
insbesondere mit Reinigungselementen, aufweist;
wobei jeweils eine der zumindest zwei Halteplatten (6, 7) an jeweils einem Reinigungs
kopfsegment (4a oder 4b) festgelegt ist;
wobei die Zugkraft zur Entfernung der Halteplatte (6, 7) von dem jeweiligen Reinigungs
kopfsegment (4a oder 4b) zumindest 1 N beträgt.
Abbildung 13: Patentanmeldung 21 182 098.0 in Europa: Reinigungskopf einer Zahnbürste, Anordnung und
Handzahnbürste
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Tag der Forschung 2022 14ADDITIVE HERSTELLUNG LEITFÄHIGER STRUKTUREN
AUF BASIS NIEDRIGSCHMELZENDER METALLE
MITTELS FDM-VERFAHREN
Joshua Voll, M. Eng.1; Prof. Dr.-Ing. Stefan Roth 1
1
Angewandte Kunststofftechnik (AKT)/Hochschule Schmalkalden, Deutschland
1 Einleitung
Mit einem Umsatz von circa 180 Mrd. € gehört die ren ist zum jetzigen Zeitpunkt allerdings, aufgrund
Elektroindustrie zu einem der umsatzstärksten In- nicht ausreichender Leitfähigkeiten der Filamente,
dustriezweige Deutschlands [URL21a]. Der ver- noch nicht möglich. Zur Herstellung von stromleit-
stärkte globale Wettbewerb und kürzer werdende fähigen Strukturen bedarf es einer Leitfähigkeit von
Produktlebenszyklen führen dabei zu einem zu- mindestens 104 S/m. Um diese Leitfähigkeiten bei
nehmenden Anteil komplexer, hochintegrierter elek- Kunststoffen zu erreichen, müssen diese mit leit-
trischer und elektronischer Baugruppen. Durch die fähigen Materialien ausgerüstet werden. Leitfähig
Möglichkeit, kundenspezifische Änderungen in Pro- ausgerüstete Kunststoffe stellen Zwei- oder Mehr-
totypen zeitnah umzusetzen sowie der wirtschaft- komponentensysteme dar, in denen nur der Füll-
lichen Herstellung von Einzelteilen und geringen stoff für die Ausbildung eines leitfähigen Netzwerks
Losgrößen, gewinnen additive Fertigungsverfah- zuständig ist. Je ausgeprägter die Netzstruktur
ren (AM) in diesem Bereich immer mehr an Be- ist, desto höher ist auch die erreichbare Leitfähig-
deutung [Kai20]. Problematisch dabei ist, dass die keit [Pfe09, Fra14]. Die Vorteile von leitfähig aus-
aktuell am Markt verfügbaren AM-Technologien zur gerüsteten Thermoplasten liegen vor allem in der
Herstellung elektrisch leitfähiger Strukturen sehr direkten Verarbeitung dieser Materialien zu einem
kostenintensiv sind und in vielen Fällen eine zeit- komplexen elektrisch leitfähigen Bauteil.
aufwändige Nachbearbeitung durch beispielsweise In zahlreichen Veröffentlichungen wurden be-
Sintervorgänge benötigen [URL22a, DW17]. Des reits verschiedene Mehrkomponentensysteme hin-
Weiteren ist das Umdrucken von leitfähigen Struk- sichtlich ihrer maximalen Leitfähigkeit und Verar-
turen in Kunststoffbauteilen direkt im Herstellungs- beitbarkeit im Spritzgießverfahren untersucht. Die
prozess nicht möglich. vielversprechendste Rezeptur konnte dabei auf Ba-
Als kostengünstiges und effizientes Verfahren sis niedrigschmelzender Metalle in Verbindung mit
hat sich das additive Fertigungsverfahren Fused Kupferfasern erzielt werden. Das dabei entstande-
Depostion Modeling (FDM) etabliert. Bei diesem ne elektrisch leifähige Kunststoffcompound (ELK)
Verfahren wird ein vorgefertigter Kunststoffstrang erreicht Leitfähigkeiten von 8,7*105 S/m und eignet
(Filament), durch eine beheizte Düse extrudiert, sich infolge dessen zur Herstellung stromleitfähiger
dort aufgeschmolzen und anschließend anhand Strukturen [Pfe09]. Aufgrund der hohen Leitfähig-
der eingelesenen Geometrie in X- und Y-Rich- keit dieser Füllstoffkombination bieten sich diese
tung, auf der Bauplattform abgelegt. im Anschluss ebenfalls zur Herstellen von elektrisch leitfähiger
verfährt die Bauplattform um eine Schichtdicke in Bauteilen durch das FDM-Verfahren an.
Z-Richtung und das Bauteil wird so sukzessive Im Rahmen des Promotionsvorhabens sollen
aufgebaut. Die Herstellung hochleitfähiger Struktu- zwei Forschungsschwerpunkte untersucht werden:
Tag der Forschung 2022 15zum einen materialseitig die Filamententwicklung bestimmen und das FDM-Verfahren für die zu ent-
und zum anderen verarbeitungsseitig die Analyse wickelten, hochleitfähigen Compounds zu adap-
der Verarbeitungseigenschaften im Hinblick auf die tieren. Darauf aufbauend soll die Wechselwirkung
zu erzielende Leitfähigkeit im Bauteil. Es soll ein der sich ausbildenden leitfähigen Morphologie in-
leitfähiges Filament entstehen, welches mit kon- nerhalb des entstehenden Bauteils in Kontext zum
ventionell verfügbaren FDM-Druckern verarbeitbar FDM-Verfahren gesetzt werden. Insbesondere die
ist. Dabei liegt der Fokus auf der Maximierung der Wechselwirkung der beispielsweise im Vergleich
Leitfähigkeit. Zudem soll eine Analyse der Ver- zur Verarbeitung im konventionellen Spritzgießver-
arbeitungseigenschaften durchgeführt werden. fahren deutlich unterschiedlichen strömungsme-
Die Verarbeitung von ELKs auf Basis von niedrig- chanischen Zustände im FDM-Druck und der sich
schmelzenden Metallen mittels FDM-Verfahrens daraus ergebenden Einflüsse auf Morphologie und
ist zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht erforscht. Es Leitfähigkeit sind von Interesse und bisher so nicht
gilt, im ersten Schritt das Verarbeitungsfenster zu Gegenstand wissenschaftlicher Arbeiten gewesen.
2 Stand der Technik
2.1 Elektrische Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Eigen- Materials wird in S/m (Siemens pro Meter) angege-
schaft eines Stoffes, wie verlustfrei dieser elektri- ben. Vielfach findet ebenfalls der Kehrwert, der spe-
schen Strom leiten kann. Sie ist damit ein Maß für zifische Widerstand in Ω*m, Verwendung. Für Lei-
die Beweglichkeit von Ladungsträgern im Werk- ter wird oftmals eine spezifische Leitfähigkeit von
stoff. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit eines größer als 104 S/m gefordert [Har14, Pfe09, Fra14].
2.2 Leitfähig gefüllte Kunststoffe
Um elektrisch leitfähige Polymere herzustellen, Polymeren verwendet [Leu15, Pfe09]. Abbildung 1
muss ein Kunststoff durch die Einarbeitung von leit- bietet einen Einblick über typische Werte der elek-
fähigen Füllstoffen, ausgerüstet werden. Als Füll- trischen Leitfähigkeit bei einigen ausgerüsteten
stoffe werden u. a. Graphit, Fasern, Flakes oder Kunststoffen.
Pulver aus Kohlenstoff und Metall, Leitfähigkeits
ruße und Carbon-Nanotubes (CNT) eingesetzt. Für
spezielle Anwendungen werden metallisiere Glas-
und Kohlefasern, metallisierte Glaskugeln, Metall-
oxidpulver oder Partikel aus intrinsisch leitfähigen
2.3 Perkolationsverhalten
Bei Zwei- oder Mehrkomponentensysteme ist le-
diglich der Füllstoff für die Ausbildung eines leitfähi-
gen Netzwerks verantwortlich. Dabei korreliert die
Ausbreitung der Netzstruktur mit der Leitfähigkeit
des Kunststoffcompounds, d. h. je ausgeprägter Abbildung 1: Elektrische Leitfähigkeit unterschied
die Netzstruktur, desto höher ist die Leitfähigkeit. licher Materialien im Vergleich [Kno96, Pfe09, Fra14]
Tag der Forschung 2022 16Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang Die finale Leitfähigkeit des Compounds hängt
zwischen Leifähigkeit und Füllstoffanteil, sondern ebenfalls auch vom Matrixkunststoff und dessen
ein für leitfähig ausgerüstete Kunststoffe typisches Benetzbarkeit zum Füllstoff, sowie der Aufbereitung
Perkolationsverhalten. Bei geringen Füllgraden und der Weiterverarbeitung ab. Dabei begünstigen
dominiert die isolierende Wirkung des Matrix- langfaserige Füllstoffe die Ausbildung der leitfähi-
kunststoffes, da die Füllstoffe untereinander nur gen Netzstruktur eher als pulverförmige. Dies liegt
punktuell kontaktiert sind. Bei weiterer Zugabe der in der höheren Kontaktierungswahrscheinlichkeit
leitfähigen Füllstoffe, nimmt die Anzahl und Inten- zweier Partikel, wodurch eine Kettenbildung geför-
sität der Kontaktierungsstellen zu. Bereits ab Füll- dert wird [Pfe09, Fra14].
stoffabständen von kleiner als ca. 10 nm können
Elektronen die isolierende Kunststoffmatrix über-
winden. Infolge dessen steigt die spezifische elek-
trische Leitfähigkeit mit zunehmendem Füllstoff-
anteil sprungartig um mehrere Dekaden an. Das
hierbei notwendige Volumen der Füllstoffe wird
als Perkolationsschwelle bezeichnet. Die weitere
Zugabe von Füllstoff erhöht die Leitfähigkeit nur
geringfügig, aufgrund der bereits ausgebauten leit-
fähigen Netzstruktur [Leu15, Pfe09, Fra14]. In Ab
bildung 2, linke Seite, wird ein typischer Perkola-
Abbildung 2: Prinzipielles Perkolationsverhalten
tionsverlauf dargestellt. faser- und pulvergefüllter Kunststoffe (link) sowie
Des Perkolationsverhalten wird im Wesentli- gemessene Perkolationskurve für unterschiedliche
chen vom Füllstofftyp und -geometrie beeinflusst. Fasern (rechts) [Pfe09]
2.4 Elektrisch leitfähige Füllstoffe
Zur Erzielung maximaler Leitfähigkeiten stellte sich den Metallen als am vielversprechendsten heraus.
in zahlreichen Veröffentlichungen die Füllstoffkom- Infolge dessen werden lediglich diese Füllstoffe
bination aus Kupferfasern und niedrigschmelzen- hier dargestellt.
2.4.1 Kupferfasern
Heutzutage werden vor allem Carbon-, Stahl- oder Pfe09]. Hinsichtlich der Faserlänge konnte für das
nickelbeschichtete Carbonfasern für elektrisch Spritzgießverfahren ein Optimum der Verarbei-
leitfähige Kunststoffe eingesetzt [NN22b]. Zur Er- tungs- und Leitfähigkeitseigenschaften bei einer
zielung maximaler Leitfähigkeiten, zeigte sich al- durchschnittlichen Faserlänge von F08 (LDie beste Verträglichkeit zum Kunststoff lieferte heren Oberflächenspannung zur stärkeren Bildung
hierbei die Metalllegierung MCP 200, welche aus von Agglomeraten. Durch die geringe Viskosität im
91 Gew.-% Zinn und 9 Gew.-% Zink besteht. Die Aufbereitungs- und Spritzgießprozesses eigenen
Legierung weist eine gute Duktilität, sowie einen sich die genannten, niedrig schmelzenden Metalle
positiven Einfluss auf die zu erzielenden mecha- sehr gut als Füllstoff. Dabei konnte in Kombination
nischen Eigenschaften, wie der Ermüdungsbe- mit Thermoplasten Leitfähigkeiten von 10³–104 S/m
ständigkeit und der Bauteilfestigkeit auf. Allerdings erzielt werden. Aufgrund der großen Viskositätsun-
führt der Zinkanteil zu einer stärkeren Oxidations- terschiede zwischen der Kunststoffschmelze und
neigung [SNSN98]. Neben der Legierung MCP200 der niedrigschmelzenden Metalllegierung neigt die
erzielte Reinzinn ähnlich positive Ergebnisse. Metalllegierung zu Separationseffekten. Infolge
Durch den Einsatz von Reinzinn können höhere dieser Problematik ist der Volumenanteil auf max.
Leitfähigkeiten als mit MCP200 erreicht werden. 15 % begrenzt [Pfe09].
Auf der anderen Seite neigt Zinn aufgrund der hö-
2.5 Matrixpolymere
Die Auswahl des Kunstoffs, bzw. die Benetzbarkeit unverändert bleibt. Zwischen amorphen und teil-
der leitfähigen Füllstoffe zum Kunststoff, hat einen kristallinen Kunststoffen, konnte hinsichtlich der
Einfluss auf das Perkolationsverhalten. Aufgrund Leitfähigkeit kein Unterschied festgestellt werden.
der geringen Schmelzepunktemperaturen der Me- Allerdings zeigen hochgefüllte amorphe Kunst-
talle, stehen für die Entwicklung des Mehrkompo- stoffe eine deutliche Versprödung, die maßgeb-
nentensystems theoretisch, die gesamte Breite lich durch eine geringe Bruchdehnung bemerkbar
der marktüblichen Kunststoffe zur Verfügung. Die wird [Pfe09]. Abschließend wird die Auswahl des
Füllstoffverteilung kann maßgeblich durch den Kunststoffes durch die verwendete Verarbeitungs-
Schmelzbereich des Kunststoffes beeinflusst wer- technologie beeinflusst. Im FDM-Verfahren kön-
den. Untersuchungen zeigten eine feine homo- nen prinzipiell alle üblichen Kunststoffe verarbeitet
gene Verteilung des niedrigschmelzenden Me- werden, wobei PLA und ABS zu den meistgenutz-
talls, wenn Polymer und Füllstoff einen ähnlichen ten zählt. Infolge dessen, werden für die späteren
Erstarrungsbereich aufweisen. Ferner hat die Versuche, die Kunststoffe PA, PLA und ABS unter-
Viskosität der Kunststoffschmelze einen Einfluss sucht, da diese sich sowohl für das FDM-Verfahren
auf die Ausrichtung des Fasermaterials, während eignen, als auch eine gute Verträglichkeit zu nied-
die Verteilung der niedrigschmelzenden Metalle rigschmelzenden Metallen versprechen.
2.6 Mehrkomponentensysteme
Die IKV in Aachen konnten in Zusammenarbeit nander, lagert sich ein Großteil der Metalllegierung
mit der Fa. Siemens AG, Erlangen, ein elektrisch an den Kupferfasern an und umhüllt diese [HMF11a,
leitfähiges Compound auf Basis von Polyamid 6, Pfe09]. Dies führt zu einer Verbesserung der Kon-
Kupferfasern sowie der niedrigschmelzenden taktierung zwischen den Fasern und zur Erhöhung
Metalllegierung (MCP200) entwickeln. Dieses der Leitfähigkeit im Kunststoff (vgl. Abbildung 3)
Mehrkomponentensystem erreicht Leitfähigkeiten Darüber hinaus wurden in zahlreichen Ver-
von 105–106 S/m. Im Vergleich zu ausschließlich mit öffentlichungen und speziell am IKV in Aachen
Kupferfasern gefüllter Kunststoffe, konnte mit dieser weitere Füllstoffkombination hinsichtlich ihrer elek
Rezeptur eine um zwei Größenordnungen höhere tri
schen Leitfähigkeit untersucht. Hierbei lag der
Leitfähigkeit erreicht werden. Aufgrund der gerin- Fokus auf Fasermaterial (Carbon, Stahl und Kup-
gen Grenzflächenspannung der Werkstoffe unterei- fer) und Nanofüllstoffen (Ruß und Carbon-nanotu-
Tag der Forschung 2022 18bes) [Fra14]. Im Vergleich zum Mehrkomponenten-
system, welches auf Basis von Kupferfasern und
MCP200 besteht, erreichten diese Füllstoffe eine
weitaus geringere Leitfähigkeit.
2.7 Fused Deposition Modeling (FDM)
Als kostengünstiges und effizientes Verfahren hat
Abbildung 3: Verbesserung der elektrischen Leit
sich das additive Fertigungsverfahren Fused De- fähigkeit durch die Kombination von elektrisch
postion Modeling (FDM) etabliert. Bei diesem Ver- leitfähigen Fasern und niedrigschmelzenden
fahren wird ein vorgefertigter Kunststoffstrang (Fi- Metallen [Fra14]
lament), durch eine beheizte Düse extrudiert, dort
aufgeschmolzen und anschließend anhand der
eingelesenen Geometrie in X- und Y-Richtung, auf
der Bauplattform abgelegt. im Anschluss verfährt
die Bauplattform um eine Schichtdicke in Z-Rich-
tung und das Bauteil wird so sukzessive aufgebaut.
Abbildung 4 zeigt das grundlegende Prinzip einer
FDM-Anlage.
2.7.1 Einsatz leitfähiger Filamente für das
FDM-Verfahren
Zum jetzigen Zeitpunkt existieren wenige Veröf-
fentlichungen, welche sich mit der Herstellung von
leitfähigen Strukturen im FDM-Verfahren befassen.
In einer der wenigen Veröffentlichungen wurde ein
leitfähiges Filament auf Basis von Polypropylen in Abbildung 4: Prinzip des Fused Deposition
Verbindung mit Ruß als Füllstoff untersucht. Das Modeling [Awi20]
dabei entstandene Material erreicht im verarbeitet
Zustand eine Leitfähigkeit von ca. 200 S/m [KGT17]. de PLA (polylactic acid) verwendet [FRY17]. Zur
In einer weiteren Veröffentlichung wurden Fila- Herstellung stromtragfähiger Strukturen wird eine
mente auf Basis der Füllstoffe Kupfer, Ruß und Leitfähigkeit von mindestens 10⁴ S/m benötigt. Zu-
Graphen untersucht. Dabei konnten die Leitfähig- sammenfassend lässt sich feststellen, dass sich die
keiten 7100 S/m (Kupfer), 120 S/m (Graphen) und aktuell am Markt verfügbaren Filamente nicht zur
10 (Ruß) erzielt werden. Als Matrixkunststoff wur- Herstellung elektrisch leitfähiger Bauteile eignen.
3 Vorgehensweise
In Abbildung 5 sind die geplanten Arbeitsschritte fügbaren leitfähigen Filamente durchgeführt. Dabei
des Promotionsvorhabens dargestellt. Im ersten konnten folgende Materialien abgeleitet werden:
Schritt findet die Vorauswahl der Materialien statt. als niedrigschmelzendes Metall wird die Legierung
Diese werden auf Basis der recherchierten Veröf- MCP200 und Reinzinn, als Fasermaterial Kupfer
fentlichungen der leitfähigen Mehrkomponenten- und als Matrixkunststoff wird ABS, PA und PLA ver-
systeme für das Spritzgießen sowie der aktuell ver- wendet. Im nächsten Schritt erfolgt die Vorunter-
Tag der Forschung 2022 19Abbildung 5: geplante Vorgehensweise [NN21a], [Sta19], [URL22b], [NN19a], [URL22c], [URL22d], [URL22e]
suchung dieser Materialien durch Aufbereitung in ßend findet die Analyse der Verarbeitungseigen-
einem Messkneter. Ziel der Voruntersuchungen schaften mit der FDM-Technologie statt, welches
ist die Identifikation des Verarbeitungsverhaltens, die Korrelation von Rezeptur und Morphologie
sowie die Bestimmung der Füllstoffanteile, die be- zur Verarbeitung und der sich daraus ergebenden
nötigt werden, um die Perkolationsschwelle zu Bauteileigenschaften, sprich der Leitfähigkeit im
überschreiten. Darauf aufbauend folgt die Fila- Bauteil, miteinschließt.
mententwicklung mittels Compounding. Abschlie-
4 Fazit und Zielstellung der Arbeit
Die additiven Fertigungsverfahren rücken bei der dieser Füllstoffe im Bezug zum FDM-Verfahren
Herstellung elektrisch leitfähiger Bauteile immer wurde noch nicht durchgeführt.
mehr in den Fokus und gewinnen fortlaufend an Auf den bisherigen Erkenntnissen aufbauend
Relevanz. Die aktuell verfügbaren AM-Technolo- werden daher in dieser Arbeit zunächst elektrisch
gien zur Herstellung leitfähiger Strukturen gehen leitfähige Filamente auf Basis niedrigschmelzen-
entweder mit zeitaufwändiger Nachbearbeitung der Metalle und Kupferfasern entwickelt und für
durch bspw. Sintervorgänge oder mit einer sehr das FDM-Verfahren adaptiert. Darauf aufbauend
kostenintensiven Anlagentechnologie einher. Vor soll die Wechselwirkung der sich ausbildenden leit-
diesem Hintergrund bietet sich das kostengünstige fähigen Morphologie innerhalb des entstehenden
und effiziente FDM-Verfahren zur Herstellung elek- Bauteils in Kontext zum FDM-Verfahren gesetzt
trisch leitfähiger Bauteile an. Allerdings existieren werden. Insbesondere die Wechselwirkung der
noch keine Filamente am Markt, um stromtragfä- beispielsweise im Vergleich zur Verarbeitung im
hige Bauteile herzustellen zu können. Anhand der konventionellen Spritzgießverfahren deutlich un-
aufgeführten Veröffentlichungen wird das Poten- terschiedlichen strömungsmechanischen Zustän-
tial des Mehrkomponentensystems auf Basis von de im FDM-Druck und der sich daraus ergebenden
Kupferfasern und niedrigschmelzenden Metallen Einflüsse auf Morphologie und Leitfähigkeit sind
ersichtlich. Aktuelle Untersuchungen beziehen sich von Interesse und bisher so nicht Gegenstand wis-
allerdings nur auf den Spritzgießprozess. Eine um- senschaftlicher Arbeiten gewesen.
fassende Material- und vor allem Prozessanalyse
Tag der Forschung 2022 20Literatur
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Tag der Forschung 2022 21Sie können auch lesen
