Additively manufactured permeable-dense composites and its applications in microstructured reactors
Creators: name: Xie, Dongxu
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Additive manufacturing
porous material
3D printed porous material

description: Die additive Fertigung (auch als 3D-Druck bekannt) ist eine neuartige Fertigungstechnologie, mit der Objekte gemäß einem 3D-Modell aus formlosem Material schichtweise aufgebaut werden können. Das Laserstrahl-Pulverbettschmelzen (Laser Beam Powder Bed Fusion, LB-PBF) ist ein wichtiges Verfahren der additiven Fertigung für metallische Werkstoffe, das mittlerweile in zahlreichen Branchen weit verbreitet ist. Biomedizinische Implantate mit komplexen Porenstrukturen werden häufig mittels LB-PBF hergestellt. Diese Porenstrukturen werden normalerweise in einem CAD-Modell entworfen, so dass man von geometrisch definierter Gitterstrukturporosität (GDLSP) spricht. Die Porengröße von durch GDLSP hergestellten porösen Materialien ist jedoch häufig größer als 100 µm. Eine andere Art von 3D-gedrucktem porösem Material wird als Material mit geometrisch undefinierter Porosität (GUP) bezeichnet. Die Porenstrukturen von GUP-Materialien werden durch Variation der Parameter des LB-PBF-Verfahrens gesteuert und die Porengröße liegt im Bereich von 1 µm bis 100 µm. Aufgrund der im Vergleich zu GDLSP-Materialien geringeren Porengröße und der Möglichkeit in einem Arbeitsgang poröse Bereiche mit unporösen Bereichen in einem Bauteil zu verbinden besteht ein zunehmendes Interesse an GUP-Materialien. In dieser Dissertation wurde die Beziehung zwischen den Parametern des LB-PBF-Verfahrens wie Schraffurabstand, Laserfokusdurchmesser und Scanstrategie und den resultierenden porösen Struktureigenschaften systematisch untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das GUP-Material zwei Arten von Poren enthält. Die Poren innerhalb der Laserspuren sind größer und instabil. Die Poren zwischen den Laserspuren können leicht durch die Laserparameter gesteuert werden. Wenn der Schraffurabstand zunimmt, nehmen Porosität, Porengröße, Permeabilität und Oberflächenrauigkeit zu. Wenn der Laserfokusdurchmesser zunimmt, ändert sich die Porosität nicht wesentlich, die Rauigkeit nimmt zu, Porengröße und Permeabilität nehmen ab. Der entscheidende Punkt ist das Balling-Phänomen. Eine größerer Laserfokusdurchmesser führt zu mehr Pulver, das auf der porösen Oberfläche versintert wird. Die Wirkung verschiedener Scanstrategien, einschließlich unidirektionaler Scanvektoren (USV), Rotations-Scanvektoren (RSV) und Vier-Richtungs-Scanvektoren (FDSV) auf die Oberflächenmorphologie wurde auf rohrförmigen Proben untersucht. Basierend auf dem 3D-gedruckten porösen Material wurden porös-dichte Verbundbauteile gedruckt. Ein Testmodul auf dieser Basis wurde für die nachfolgende Beschichtung mit einer permeablen keramischen Zwischenschicht vorbereitet. Ein 2 mm dickes Testmodul wurde dazu mit einer Fräsmaschine geglättet. Die Rauigkeit des geglätteten Testmoduls beträgt 1,36 µm, was das Potenzial als neuartiges Membransubstrat zeigt. Ferner wurden poröse Membransubstratplatten (PMS-Platten) und poröse Membransubstratrohre (PMS-Rohre) für Mikroreaktoren hergestellt. In der Forschung lässt sich ein zunehmendes Interesse an 3D-gedruckten mikrostrukturierten Apparaten für verfahrenstechnische Anwendungen beobachten. Für die Herstellung von 3D-gedruckten Mikroreaktoren wurde eine 90 ° - Designstrategie und eine 45 ° - Druckstrategie vorgeschlagen. Mikroreaktoren mit Temperatursperrmodul und internen Kanälen wurden als beispielhafte Anwendung konzipiert und gedruckt.