Das Digital Engineering umfasst die komplette Entwicklungskette eines Bauteils von der Qualitätsanforderung über die Konstruktion von Bauteil und Werkzeug bis hin zur Prozesssimulation und -auslegung. Die Vielzahl an Softwareanwendungen bedingt häufig ein Handling mit Informationen unterschiedlicher Datenformate. Nicht selten gehen hierbei Informationen verloren, weshalb im PIC 4.0 an Methoden zur Realisierung durchgängiger Simulationsketten geforscht wird.

Stadien des Produktentstehungsprozesses, hier am Beispiel eines mit verschiedenen Tapes belastungsgerecht ausgelegten Fahrradsattels

Teil 6 der Serie: Wie eine webbasierte Schnittstelle das Datenhandling erleichtert

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Simulation

Software

Spritzgießsimulation

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Virtual Reality für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Anwenderfreundlicher Datenaustausch im Digital Engineering

Kurzfaserverstärkte Kunststoffe werden für viele technisch anspruchsvolle Anwendungen verwendet. Für eine hohe Produktqualität müssen die richtungsabhängigen Materialeigenschaften schon in der Bauteilauslegung mitberücksichtigt werden. Vor- und Nachteile zweier Vorgehensweisen werden in diesem Artikel diskutiert.

Wasserpumpe bFlow C als Beispiel einer mit kurzglasfaserverstärktem Kunststoff hergestellten Komponente.

16:9

Berücksichtigung der Faserorientierung in der strukturmechanischen Simulation

Universal-Prüfmaschinen für Zug, Druck und Biegung

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Analysetools, FEM

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Modellierung

Methoden und Werkzeuge

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Anisotrope Simulation kurzfaserverstärkter Kunststoffe

Im Vergleich zu herkömmlichen Thermoformwerkzeugen aus Epoxidharzen oder Aluminium lassen sich mit einem neuartigen Gießharzsystem temperaturbeständige und qualitativ hochwertige Tiefziehwerkzeuge selbst fertigen.

Leicht zu verarbeiten: Mit dem patentierten Gießharzsystem Mould D können Unternehmen Formen zum Tiefziehen selbst herstellen

Thermoformwerkzeug aus patentiertem Gießharzsystem herstellen | Epoxidharz ✓ Tiefziehwerkzeug ✓ schnelle Herstellung  ►Jetzt Fachartikel lesen!

Patentiertes Gießharzsystem zur Herstellung anspruchsvoller Thermoformwerkzeuge in nur wenigen Stunden

Tiefziehwerkzeug

Dienstleistungen

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Tiefziehwerkzeuge

Maschinen für die spanlose Fertigung

Werkzeuge

Warmformen / Thermoformen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Modellbau

Thermoformwerkzeuge

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Formen Marke Eigenbau

Analyse von Prozessgrößen bei der Verarbeitung von Kunststoffen mittels Planetwalzenextruder; Simulation von Kennwerten wie Druck, Temperatur und Verweilzeit über die axiale Länge des Extruders.

Prozesssimulation

Extruder

Extrusionsanlagen

Compoundieren

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Modellbildung und Vorabschätzung für das Betriebsverhalten eines Planetwalzenextruders

Kunststoffbauteile sind oft Medien ausgesetzt. Eine neue Methode ermöglicht die einfachere Kriechkurvenmodellierung um den Medieneinfluss zu bestimmen.

Wasser und andere Medien beeinflussen die Eigenschaften von Kunststoffen.

Auslegung von Kunststoffbauteilen

Kunststoff Werkstoffe

Materialcharakterisierung

Medieneinfluss auf Kunststoffe schneller und einfacher modellieren

 Die Dissertation behandelt die Erstarrung von thermoplastischen Kunststoffen nach dem Formgebungsprozess.

Machine Learning

Datenanalyse

Rheologie

Beitrag zur Vorhersage des spezifischen Volumens während des Erstarrungsvorgangs bei der Verarbeitung von Kunststoffschmelzen

 Die virtuelle Realität verbindet die Welt der Daten und Bits mit der Wirklichkeit und macht sie erlebbar. Datenbrillen und die interaktiven Erlebnisse, die sie ermöglichen, sind auch im beruflichen Umfeld interessant .

Wie soll die Fertigung zukünftig organisiert sein? Beispielsweise lässt sich die reale Umgebung in AR mit Sensordaten überlagern

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Virtual und Augmented Reality für Anwendungen im Arbeitsumfeld

Fabrikplanung

Produktion

Smart Factory

Energieeffizienz

Augmented Reality für die Qualitätssicherung

Wandeln in virtuellen Welten

Ecozema ist eine der führenden Marken für biologisch abbaubare und kompostierbare Gastronomieartikel, wie Geschirr, Besteck oder Behälter. Für eine Besteckserie aus einem neuen Biopolymer entstanden in enger Zusammenarbeit mit Werkzeugbauer Uniform und Heißkanalspezialist Ewikon drei Vollheißkanalwerkzeuge mit digitaler Prozessüberwachung.

Das 16-fach-Familienwerkzeug auf der Maschine. Entnahme und Verpackung der Teile erfolgen vollautomatisiert

Digitale Heißkanal-Komplettlösung für die automatisierte Biopolymerverarbeitung

Spritzgießen

Condition Monitoring / Prozessüberwachung

Instandhaltung

Spritzgießwerkzeuge

Biokunststoffe

Heißkanalsysteme

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Prozesssicherheit entscheidet

ARBURG gehört weltweit zu den führenden Maschinenherstellern für die Kunststoffverarbeitung. Das Produktportfolio umfasst ALLROUNDER Spritzgießmaschinen mit Schließkräften zwischen 125 und 6.500 kN, freeformer für die industrielle additive Fertigung sowie Robot-Systeme, kunden- und branchenspezifische Turnkey-Lösungen und weitere Peripherie.

ARBURG GmbH + Co KG  

https://www.arburg.com

Abkantmaschinen, -pressen, -bänke

Blechbearbeitungsmaschinen

Additive Fertigung

Anlagen für die Additive Fertigung

Antriebselemente

Lineartechnik

Maschinenelemente

Ceramic-Injection-Moulding, CIM

Condition Monitoring für die Qualitätssicherung

Handling, Handhabungstechnik

Automatisierungstechnik

Kennzahlen

Qualitätsmanagement

Kennzahlen, Q-Leitstand, Q-Monitor

Kühlelemente, aktive

Kühlkörper

Elektromechanik

Management-Informationssysteme

Medizintechnik

Mehrfarben-Spritzgießmaschinen

Spritzgießmaschinen

Mikrobauteile

Montage

Montagetechnik

Mikrospritzgießen

Mischer

NE-Metalle

Metall Werkstoffe

PUR-Schäummaschinen

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Partikelschäumen

Produktionssystem

Rapid Manufacturing

Rapid Prototyping

Reinraumsysteme / -technik

Reinraumtechnik

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Reporting-Tools

Rückverfolgbarkeit, Traceability

Schnecken und Plastifiziersysteme

Schnecken und Zylinder

Spanneinrichtungen

Systemperipherie

Spritzgieß-Zubehör und Einzelteile

Stetigförderer

Fördertechnik

Logistik

Trockner

Vorbeugende Instandhaltung für die spanende Fertigung

Industrie 4.0 für die spanende Fertigung

Additiv gefertigte verlorene Kerne für die Herstellung von hohlen Silikongussbauteilen wurden hinsichtlich ihres Zersetzungsverhaltens untersucht.

Bild 1. Unterschiedliche Viskositäten im aufgeschmolzenen Zustand (links: Paraffinwachs, rechts: Polycaprolacton).

Hohle Silikongussbauteile herstellen – aber wie?

Verfahren für die additive Fertigung

Silikone

Werkstoffe für additive Verfahren

Additiv gefertigte verlorene Kerne

Die Spectroplast AG hat ihre Serie A-Finanzierungsrunde erfolgreich abgeschlossen. Die HZG Group führt die Finanzierungsrunde an; Bestandsinvestor AM Ventures beteiligt sich ebenfalls.

Silikonbauteile aus der Steckerindustrie.

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Kunststoff

Start up

Unternehmen und Unternehmer

Spectroplast erhält Wachstumsfinanzierung

Das Fraunhofer IAPT untersucht in einer Machbarkeitsstudie, ob additiv gefertigte Silikondichtungen den industriellen Anforderungen an mechanische und chemische Eigenschaften gerecht werden. Teilnehmende Unternehmen können eigene Fragen einbringen.

Das Fraunhofer IAPT untersucht in einer Studie, ob additiv gefertigte Silikondichtungen industrielle Anforderungen erfüllen. Im Fokus: Materialanalysen, Designfreiheiten und wirtschaftliche Vorteile.

Additive Fertigung von Silikondichtungen im Test

Forschende haben eine Methode entwickelt, mit der sich künstliche Muskeln mittels 3D-Druck herstellen lassen. Das ist nicht nur für die Medizin spannend.

Komplexität im kleinen Rahmen: Ein 3D-gedruckter weicher Aktor oder „künstlicher Muskel“.

Medizintechnik (KU)

Kunststoffverarbeitung

Technik Trend

kunststoffe.de

Vom Handschuh bis zum Herz

Das Forschungsprojekt „Sim3DApp“ entwickelt ein KI-gestütztes 3D-Drucksystem mit Echtzeit-Monitoring. Ziel ist die Entwicklung einer zertifizierbaren additiven Fertigung für sicherheitskritische Anwendungen.

In den nächsten drei Jahren wird im Projekt Sim3DApp intensiv an der Weiterentwicklung des industriellen 3D-Drucks für die Zukunft geforscht.

Perzl, Antonia

KI (Künstliche Intelligenz)

Intelligenter 3D-Druck für Hochleistungskunststoffe

SIMCON – Setzen Sie mit uns neue Standards für die herausforderndsten Projekte und die komplexesten Fragestellungen im Kunststoffspritzguss – vom Entwurf bis zur Serienproduktion. Mit unseren Lösungen treffen Sie schneller bessere Designentscheidungen beim Spritzgießen – für Ihr Bauteil, Ihren Prozess und Ihr Werkzeug.

Simcon kunststofftechnische Software GmbH  

https://www.simcon.com

Kathetertraining mit pulsierenden Kinderherzen

Um vor Herzoperationen ein besonders realistisches Kathetertraining zu ermöglichen, entwickelte die Universität München 3D-gedruckte Modelle von Kinderherzen. Das Klinikteam nutzte dafür die Software Mimics Innovation Suite von Materialise.

Um bei der interventionellen Therapie von angeborenen Herzfehlern ein besonders realistisches, beliebig wiederholbares Kathetertraining zu ermöglichen, entwickelte die Abteilung für Kinderkardiologie des Klinikums der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München 3D-gedruckte Modelle von Kinderherzen mit Herzfehlern. Die neueste Generation kann sogar wie ein Herz schlagen. Für die Entwicklung und Modifizierung der Herzmodelle nutzte das Klinikteam das Softwarepaket Mimics Innovation Suite von Materialise.

Die Diagnose und interventionelle Behandlung angeborener Herzfehler bei Kindern mittels Kathetertechnik ist anspruchsvoll. Sie erfordert nicht nur eine detaillierte Kenntnis der Anatomie sowie der möglichen Probleme und jeweiligen Gegenmaßnahmen, sondern insbesondere ein enormes Fingerspitzengefühl bei der Handhabung des Katheters. Das Instrument muss extrem feinfühlig durch kleinste Räume geführt werden, jeder Eingriff muss sitzen. Bis heute gibt es jedoch keinen realistischen Simulationstrainingsaufbau – weder für Kinderherzen noch für angeborene Herzfehler. Anders als bei Erwachsenenherzen, wo es zumindest Virtual-Reality-Simulationssysteme für die Behebung typischer Erwachsenenkrankheiten gibt, findet die Aus- und Weiterbildung daher noch immer fast ausschließlich nach entsprechender Assistenz am Menschen statt.

Für Prof. Dr. med. Nikolaus Haas, Direktor der Abteilung für Kinderkardiologie und Pädiatrische Intensivmedizin des LMU Klinikums, ist das ein Zustand, den es zu verbessern gilt: „Der bisherige Ansatz des Lehrlingsmodells ist nicht nur zeitaufwendig und von der Motivation des Ausbilders abhängig, sondern auch von den Krankheitsbildern, den Verfahren und der Technologie, die Auszubildenden während ihrer Ausbildungszeit präsentiert werden. Zudem werden Methoden und Instrumente ständig weiterentwickelt.“ Praktizierende Ärzte kämen dadurch immer wieder in die Verlegenheit, bestimmte Verfahren und neue Instrumente nicht so sicher zu beherrschen, wie es im Sinne maximaler Patientensicherheit wünschenswert wäre.

„Darüber hinaus“, so Haas ergänzend, „werden wir gelegentlich nicht unserer Weiterbildungsfunktion gerecht, da junge, engagierte Kolleginnen und Kollegen nicht in ausreichender Weise die Möglichkeit haben, eigenständig Katheterbehandlungen durchzuführen, obwohl unsere Weiterbildungsrichtlinien dies eigentlich vorschreiben.“

Auch bisher vereinzelt eingesetzte Behelfsobjekte wie Tierherzen oder selbstgebaute Szenarien aus Labormaterialien wie Schläuchen und Ballons sind problematisch und wenig zufriedenstellend. Dem Einsatz im Tierversuch muss die Ethikkommission zustimmen. Zudem sind die Organe in der Regel gesund und bieten daher nicht die Möglichkeit, die Interventionen für angeborene Herzfehler zu üben. Die selbstgebauten Szenarien sind dagegen für ein gutes Training viel zu unrealistisch und können nur einer ersten, groben Schulung dienen.

Vor diesem Hintergrund entstand am LMU Klinikum die Idee, zusätzlich zu patientenspezifischen Herzdarstellungen für die präoperative Planung auch universelle 3D-gedruckte Modelle von Kinderherzen mit Herzfehlern speziell für Trainingszwecke zu erzeugen. Solche universellen Nachbildungen bieten Ärzten die Möglichkeit, die Behandlung typischer Krankheitsbilder sowie neuer Instrumente und Verfahren immer wieder zu üben und so risikolos an Sicherheit zu gewinnen. Da die Universalmodelle mehrfach nutzbar sind und nicht für jedes Herzmodell ein neuer Patientenscan nötig ist, besitzen sie langfristig einen Kostenvorteil gegenüber patientenspezifischen Darstellungen. Zugleich bewahren sie junge Patienten vor unnötigen Belastungen durch Strahlung und Beruhigungsmittel (Sedierung), da zur Herstellung der Modelle durch die Methode der digitalen Modellierung keine Patientenscans nötig sind.

Vom groben Modell zum schlagenden Kunstherz

Der Weg zu den pulsierenden Kinderherzmodellen führte über mehrere Modellgenerationen. Für die allerersten 3D-gedruckten Schulungsmodelle fügte das Klinikteam zunächst Silikonschläuche und -platten so zusammen, dass eine dreidimensionale vereinfachte Darstellung des Herzens mit seinen Hauptstrukturen entstand. „Von dieser Baugruppe erzeugten wir mittels Computertomographie einen 2D-Bildstapel und rekonstruierten daraus anschließend ein 3D-druckbares Modell“, erläutert Carina Hopfner, verantwortliche Ingenieurin für 3D-Druck am LMU Klinikum, die Entstehungsgeschichte (Bild 1). „Für die Umwandlung der Bilddaten in ein 3D-Modell nutzten wir die Mimics Innovation Suite von Materialise. Mit dieser Lösung konnten wir die Nachbildung anschließend auch noch virtuell vervollständigen. Unter anderem skalierten, glätteten und schlossen wir damit Oberflächendefekte.“ Schließlich wurde das vereinfachte Herzmodell additiv in einem Stück aus einem flexiblen, gewebeähnlichen Material auf Silikonbasis gefertigt.

Um realistischere Nachbildungen des menschlichen Herzens zu schaffen, rekonstruierte das Klinikteam die nächste Generation von Kinderherzmodellen aus anonymisierten CT- oder Magnetresonanztomographie-Scans (MRI) echter Patienten. Dazu wurden kontrastmittelverstärkte Blutbahnen in den 2D-Bildern markiert und dann in ein 3D-Volumen übersetzt, das die innere Oberfläche des Herzens beschreibt. Auch hier kam die Software von Materialise zum Einsatz. Indem ein Mantel von gleichmäßiger Dicke um das Blutvolumen herum erzeugt wurde, entstand ein wirklichkeitsnahes Herzmodell mit den typischen Hohlräumen und Gefäßstrukturen.

Carina Hopfner: „Das virtuelle Herz haben wir anschließend auf verschiedene Größen von Kinderherzen gebracht und mit verschiedenen angeborenen Fehlern versehen – darunter Löcher in der Herzscheidewand, Gefäßverengungen oder verformte Strukturen. Dazu verwendeten wir vor allem Werkzeuge des Designmoduls in Materialise 3-matic. Mit der 3D-Druck-Software, die Teil der Mimics Innovation Suite ist, lassen sich die gesamte Einheit sowie einzelne Elemente des Modells skalieren und Oberflächen, Formen und die Wanddicke flexibel und hochpräzise in gewünschter Weise verändern.“ In Zusammenarbeit zwischen Medizinern und Ingenieuren wurden die Eigenschaften der Modelle schrittweise immer realistischer gestaltet. Die CT- oder MRT-basierten Modelle des Herzens und der großen Gefäße wurden abschließend in dem flexiblen Material 3D-gedruckt, das auch für die Modelle der ersten Generation zum Einsatz kam.

Umwandlung medizinischer Bilddaten in 3D-druckbare Modelle

Der letzte Schritt auf dem Weg zur Imitation eines echten menschlichen Herzens bestand schließlich darin, das künstliche Herz zum Schlagen zu bringen. Dazu integrierte das Klinikteam mit dem Designmodul in 3-matic als erstes eine Herzklappe in die vorhandenen statischen Modelle (Bild 2). Da Herzklappen bei CT-Untersuchungen nur ungenau erfasst werden können, hatten diese in den Modellen zunächst gefehlt. Die dann nochmals optimierten, 3D-gedruckten Herzmodelle (Bild 3) verbanden die beteiligten Mitarbeiter anschließend mit einem geschlossenen System aus mit Wasser gefüllten Silikonschläuchen (Bild 4). Eine anschließbare Antriebseinheit sorgt in Schulungssituationen für die Simulation des Herzschlags.

„Die Mimics Innovation Suite war bei der Umsetzung des Projekts von ungeheurem Nutzen“, so Ingenieurin Hopfner, um sogleich fortzufahren: „Das Softwarepaket ist ohnehin schon die Standardlösung bei der Umwandlung medizinischer Bilddaten in 3D-druckbare Modelle, gerade auch bei der Erstellung patientenspezifischer Herzmodelle. Insbesondere die darin enthaltene 3-matic-Software hilft mit ihren zahlreichen automatisierten und teilautomatisierten Funktionen, vorhandene dreidimensionale Modelle auch auf der Netzdarstellungsebene effizient zu verändern. Die Möglichkeiten sind wirklich beeindruckend. Ohne die Materialise-Lösungen wäre die Realisierung der Herzmodelle sehr viel schwieriger geworden.“

Positive Rückmeldungen nach Tests in realen klinischen Umgebungen

Sowohl die statischen als auch die pulsierenden Kinderherzmodelle mit den verschiedenen virtuell eingebauten Fehlbildungen wurden im Rahmen eines Forschungsprojekts in der Ausbildungspraxis in verschiedenen realen klinischen Umgebungen in Deutschland und Österreich getestet – unter anderem am LMU Klinikum sowie im Pädiatrischen Herzzentrum der Medizinischen Universität Wien. Außerhalb Europas fanden ausgiebige Praxistests mit den statischen Nachbildungen am Ayder Referral Hospital der Universität Mekelle in Äthiopien statt. Mit seinen technologisch und personell schwierigen Ausbildungsbedingungen ist die Einrichtung ein guter Gradmesser für die universelle, einfache Nutzbarkeit der Herzmodelle.

„Die Rückmeldungen aus den bisher durchgeführten Workshops für Studenten, Assistenzärzte und erfahrene Kinderkardiologen mit den 3D-gedruckten Herzmodellen waren durchweg positiv“, so Prof. Dr. Haas. „Die erfahrenen Akteure betonen unter anderem den realistischen Charakter der Nachbildungen einschließlich der haptischen und anatomischen Replikation sowie der prozeduralen Simulation der Eingriffe. Auch ich kann diese positive Erkenntnis bestätigen. Ganze Interventionsteams gewinnen so unter wirklichkeitsnahen Bedingungen an Sicherheit bei der Katheteranwendung.“

Univ.-Prof. Dr. Ina Michel-Behnke vom Pädiatrischen Herzzentrum Wien konkretisiert die Vorteile: „Wir schulten unsere Studenten und auch Postgraduierte, die nicht regelmäßig an Interventionen beteiligt sind, vor Ort in den Katheterlaboren, und konnten eine schnelle Verbesserung der Handhabungsfähigkeiten sowie eine Verkürzung der Dauer des Eingriffs und der Bestrahlung feststellen. Die angehenden Kinderkardiologen fühlten sich bei ihren ersten Patientenfällen viel wohler, nachdem sie durch dieses Modul der interventionellen Ausbildung eingeführt worden waren, und waren sehr erleichtert, die Strahlendosis für ihre Patienten gering halten zu können.“

Haas hält die neuen Herzmodelle für wegweisend: „Aufgrund der zahlreichen mit solchen 3D-Druck-Modellen verbundenen Vorteile bin ich der Meinung, dass Schulungen daran fester Bestandteil der kinderkardiologischen Ausbildung sein sollten. Das Training daran lässt sich ohne großen finanziellen und technologischen Aufwand in jedem mit Herzkathetern ausgestatteten Krankenhaus regelmäßig durchführen. Handgriffe und Prozesse werden so schneller und besser verinnerlicht.“

Materialise GmbH Niederlassung Bremen 

https://www.materialise.de

Ausgabenartikel KU05-22

Test mit einem pulsierenden Herzmodell am LMU Klinikum.

Bild 4. Röntgenaufnahme des Katheters im mit Wasser gefüllten und pulsierenden Herzen. 

Bild 1. Aus den 2D-Daten (a) wurde eine STL-Datei erstellt (b), deren Konturen sich mit dem 2D-Bildstapel vergleichen ließen (c).