Bachelorstudiengang Medizintechnik

Transkript

1 Bachelorstudiengang Medizintechnik 1) Vorstellung Ergänzungsmodul E11 Total Quality Management und unternehmerisches Handeln 2) Vorstellung Kompetenzfeld K11 Werkstoffe für medizinische Anwendungen Fertigungsverfahren Faser- und Schichtverbundwerkstoffe (Prof. Gadow) Werkstofftechnik und simulation (Prof. Schmauder)

2 Ergänzungsmodul E11 Total Quality Management und unternehmerisches Handeln o. Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. mult. Rainer Gadow 3 Credit Points wahlweise im Winter- oder Sommersemester Do, 9:45-11:15, wöchentlich Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB), Allmandring 7b, Zimmer 2.05

3 Inhaltliche Orientierung zum Seminar Teil I: KAIZEN-Strategien kennen lernen, verstehen, selbst entwickeln, anwenden Konzepte vergleichende Betrachtungen Verlustvermeidungsphilosophie Teil II: Qualitätstechniken FMEA - Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse Qualitätstechniken im weiteren Sinn, Hilfstechniken Werkzeuge (Sieben Statistische Werkzeuge Q7, die Neuen Sieben M7) Quality Function Deployment (House of Quality) Teil III: Statistische Prozessregelung Prozessfähigkeitsuntersuchung, Regelkarten statistische Prozessüberwachung bzw. -regelung Teil IV: Qualitätsmanagementsysteme Zertifizierung, Audit, DIN EN ISO 9000 ff 3

4 Exkursionen und Übungen zum Seminar Exkursionen: Besuch mittlerer und großer Unternehmen der Region Wie wird Total Quality Management umgesetzt und welche Schwierigkeiten ergeben sich aus der industriellen Praxis? Welche Unterschiede existieren in den verschiedenen Unternehmen? Übungen: Selbstständige Bearbeitung einer Fallstudie in kleinen Gruppen Analyse der Situation und Erarbeiten einer Strategie unter der Verwendung der gelernten Werkzeuge. Welche miteinander konkurrierenden Lösungen kommen in Betracht? 4

5 Kompetenzfeld K11 Werkstoffe für medizinische Anwendungen o. Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. mult. Rainer Gadow

6 Module des Kompetenzfelds Das Kompetenzfeld besteht aus 2 Modulen: Fertigungsverfahren Faser- und Schichtverbundwerkstoffe - Modulverantwortlicher: o. Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow - findet im WS+SS statt, kann zu jedem Semester begonnen werden. - Dauer: 2 Semester Werkstofftechnik und -simulation - Modulverantwortlicher: Prof. Dr. rer. nat. Siegfried Schmauder - findet im SS statt. - Dauer: 1 Semester.

7 Lehrziele der Module Fertigungsverfahren Faser- und Schichtverbundwerkstoffe (o. Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Rainer Gadow) Studenten können: z.b. Systematik der Faser- und Schichtverbundwerkstoffe und charakteristische Eigenschaften der Werkstoffgruppen unterscheiden, beschreiben und beurteilen. Verstärkungsmechanismen benennen und erklären. Technologien zur Verstärkung von Werkstoffen benennen, vergleichen und auswählen. Verfahren und Prozesse zur Herstellung von Verbundwerkstoffen und Schichtverbunden benennen, erklären, bewerten, gegenüberstellen, auswählen und anwenden. Herstellungsprozesse hinsichtlich der techn. und wirtschaftl. Herausforderungen bewerten Werkstofftechnik und -simulation (Prof. Dr. rer. nat. Siegfried Schmauder) Die Studierenden haben fundierte Kenntnisse über das Verhalten von Werkstoffen unter verschiedenen Beanspruchungen. Sie haben die Fähigkeiten, das Werkstoffverhalten mit Hilfe von entsprechenden Stoffgesetzen zu beschreiben und in eine Werkstoffsimulation umzusetzen.

8 Basiskompetenzen aus dem Grundstudium Basismodul Materialien für Implantate : Anforderungen an Werkstoffe in der Medizintechnik (Implantate, Medizinische Geräte); Systematik der Werkstoffgruppen; Grundlagen der Polymere, Metalle, keramischen Werkstoffe & Verbundwerkstoffe Basismodul Einführung in die Festigkeitslehre : Festigkeitsberechnung (Zug und Druck, Biegung, Schub, Torsion) Schwingende Beanspruchung Allgemeiner Spannungs- und Verformungszustand, Kerbwirkung Konstruktion und Berechnung der Maschinenelemente

9 Veranstaltungen des Kompetenzfelds Fertigungsverfahren Faser- und Schichtverbundwerkstoffe - Vorlesung Verbundwerkstoffe I: Anorganische Faserverbundwerkstoffe im WS, Di. 08:00-09:30 Uhr, wöch., Universitätsstr. 38 V38.03(Vst.-Nr ) - Vorlesung Verbundwerkstoffe II: Oberflächentechnik und Schichtverbundwerkstoffe im SS, Di. 08:00-09:30 Uhr, wöch., Pfaffenwaldring 55 V55.01(Vst.-Nr ) zusätzlich: - Exkursion Fertigungstechnik Keramik und Verbundwerkstoffe - Praktikum Verbundwerkstoffe mit keramischer und metallischer Matrix - Praktikum Schichtverbunde durch thermokinetische Beschichtungsverfahren

10 Produktentwicklung mit neuen Werkstoffen Bauweisen und Fertigungsverfahren z.b. Herzschrittmacher, Hörgeräte, Implantate für den Patienten. Ebenso Röntgengeräte, Computertomographie, Magnetresonanz, usw.. Absolventen der medizinischen Technik mit Vertiefung Werkstoffe für medizinische Anwendungen sind vor allem in der medizintechnischen Industrie und in einschlägigen Forschungsinstituten tätig. Neben dem klassischen Einsatzgebiet Entwicklung, können sie auch in der Qualitätssicherung, im Vertrieb, im Kundendienst oder in der Beratung ihr Wissen einbringen. Möglich Berufsfelder: Design und Entwicklung medizinischer Produkte und Verfahren für klinische Anwendungen Design, Entwicklung und Fertigung von Endoprothesen und avitalen/vitalen Implantaten Projektierung, Konstruktion und Fertigung von medizinischen Geräten und Instrumenten Betrieb und Serviceleistungen moderner Labor-, Diagnostik- und Therapiegeräte

11 Produktentwicklung mit neuen Werkstoffen Bauweisen und Fertigungsverfahren CeramTec AG Heinz Kurz GmbH Mittelohrimplantat Prothesen BVMed-Bilderpool Aufbau Hüftgelenk Hüftpfanne, -köpfe, Kniegelenk, usw. Infusionsbeutel und - Schläuche, Spritzen Anlagen Stents (TiNi)

12 Warum Verbundwerkstoffe? immer komplexere Lastenhefte für hochbelastete Strukturbauteile: niedrige Dichte Leichtbaustrukturen (Einsparung primärer Energieträger, Emissionsreduzierung - Schadstoffnormen, verbesserte Ökobilanz) technische Leistungsfähigkeit mechanische Eigenschaften (hohe Festigkeit, E-Modul, schadenstolerantes Versagensverhalten) thermische und chemische Beständigkeit tribologische Eigenschaften (Reibungskoeffizient, Verschleiß) komplexe Anforderungsprofile begrenzen den Einsatz konventioneller monolithischer Bauteile

13 Verbundwerkstoffe Einteilung nach Matrices PMC MMC CMC Beispiele Einsatztemperatur [ C] Matrix Verstärkungsphase RT Epoxy Glasfasern Phenole Kohlenstofffasern Polyimide Aramidfasern Aluminium Kohlenstofffasern Titan SiC Partikel Magnesium Al 2 O 3 Fasern (Si)SiC Kohlenstofffasern Al 2 O 3 Al 2 O 3 Fasern Si 3 N 4 SiC Fasern Maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe für jeden Temperaturbereich

14 Terminologie PMC-Fertigungstechnik Halbzeuge generell für halbfertige Bauteile (Bleche, Platten, Profile), die zu dem gewünschten Endprodukt weiterverarbeitet werden Fadenhalbzeuge Halbzeuge aus Fasern (Fäden, Gewebe, Matten, Vliese) preimpregnated material (seit den 60er Jahren, Fa. Boeing, davor fast nur manuelle Nasslaminierverfahren) Prepregs in Matrix getränkte Fadenhalbzeuge (Trennung der Fasertränkung von der Formgebung) nass halbtrocken trocken direkte Weiterverarbeitung (Vorteil: Automatisierungspotential) Zwischenlagerung vor Weiterverarbeitung (Vorteil: Qualitätsverbesserung da bessere Lamination möglich) thermoplastische Matrix

15 Resin Transfer Moulding (RTM)-Technik Injizierung hochreaktiver Harzsysteme in eine geschlossene Form unter Vorlage trockener, vorgeformter Verstärkungsstrukturen (Tränkung und Formgebung in einem Verfahrensschritt -> Nassverfahren) Vorraussetzung: spezielle, niederviskose Harzsysteme Unterscheidung verschiedener Verfahren je nach Einspritzdruck des Harzes: SRIM (structural injection molding, p>20bar), RTM (p<6bar), VARI (vacuum assisted resin infusion) Vorteile: (im Vergleich zur Niederdruckautoklaven- Technik) niedrige Taktzeiten komplexe Bauteilstrukturen möglich Herstellung von Sandwich-Bauteilen mit schubfestem Kern (Balsaholz, technische Schäume (z.b. PVC) Nachteile: hohe Fasergehalte (bis 50 vol.%) erhöhen die Taktzeiten komplexe, hochreaktive und teuere Harzsysteme notwendig

16 Prepreg-Autoklavverfahren - Lamination Multidirektionales, quasiisotropes Laminat mit symmetrischem Aufbau Vermeidung von Bauteilverzug und Verwindungen, Spannungsrissen durch anisotrope Ausdehnungskoeffizienten der Fasern Quelle: R&G, Faserverbundwerkstoffe Handbuch; Edition 06/2009 exakte Ablegepläne (Lagenzahl, Lagenwinkel) symmetrischer Lagenaufbau Vermeidung von Winkelsprüngen > 45

17 Prepreg-Autoklavverfahren - Anwendungen Quelle: Pagani Automobili S.p.A. Herstellung eines Monocoques (Toyota F1) Autoklav (Les Mureaux) Quelle: Toyota Motorsport GmbH (TMG) Copyright : EADS SPACE Transportation

18 Beschichtung von Implantaten Zusammensetzung natürlicher Knochen: Ca 8,3 (HPO 4,CO 3 ) 1,7 (PO 4 ) 4,3 (CO 3,OH) 0,3 Überwiegende Calciumphosphatphase: Hydroxylapatit [HA, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ] (70 % in weight, 50 % in vol.) Siemens IFKB Thermisch gespritzte HA-Schicht auf einer Ti-Prothese Beschichtete Dentalimplantate

19 Berechnung und Simulation von Bauteilen und Systemen in der medizinischen Technik Metallkundliche Grundlagen Mechanisches Verhalten der Werkstoffe Stoffgesetze Neue Werkstoffe 1000 Legierungen 1/2 Bruchzähigzeit K 1C in MPam ,0 Kunststoffe Riß senkrecht zur Maserung Verbundwerkstoffe Ingenieur- Keramiken Cermets 0,1 Riß parallel zur Maserung Holz poröse Keramiken Eis Polymer-Schäume 0,01 0,01 0, Elastizitätsmodul E in GPa

20 Berechnung und Simulation von Bauteilen und Systemen in der medizinischen Technik Atomistik Kristallplastizität Versetzungstheorie Mikrostrukturmechanik Mesomechanik Makromechanik Bruchmechanik Schädigungsmechanik

21 Kompetenzfeld Werkstoffe für med. Anwendungen Vielen Dank!!!