Additively manufactured permeable-dense composites and its applications in microstructured reactors

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. ... mehrDie 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.

Additive manufacturing (also known as 3D printing) is a novel manufacturing technology to make objects from a shapeless material according to a 3D model by a layer-by-layer manufacturing method. Laser-beam powder bed fusion (LB-PBF) is an important metal additive manufacturing method which is widely used in numerous industries. Biomedical implants with complex pore structures are often made by LB-PBF. Their pore structure is usually defined by a computer-aided design (CAD) model; the resulting materials are therefore named geometrically defined lattice structure porosity (GDLSP) materials. ... mehrHowever, the pore size of GDLSP-materials is often larger than 100 µm. Another kind of additively manufactured porous material are geometrically undefined porosity (GUP) materials. The pore structure of GUP-materials is controlled by the LB-PBF scanning parameters, and their pore size ranges from 1 µm to 100 µm. Due to the smaller pore size compared to GDLSP and the opportunity to create permeable-dense composites, there has been an increasing interest in GUP materials, recently.
In this dissertation, the relation between the scanning parameters including hatch distance, laser spot size and scan strategy and the resulting properties of the permeable structure was systematically studied. The experimental results show that there are two kinds of pores in GUP materials. The pores within the laser tracks have a larger size and are unstable. The pores between the laser tracks are easily controlled by the laser parameters. When the hatch distance is increased, the porosity, pore size, permeability and surface roughness all increase. When the laser spot size is increased, the porosity has no significant changes, the roughness is increasing and pore size and permeability are both decreasing. The key point is the balling phenomenon. A larger laser spot size leads to more powder sintered on the permeable surface. The effect of different scan strategies including unidirectional scan vectors (USV), rotation scan vectors (RSV) and four direction scan vectors (FDSV) on the surface morphology was studied on tubular samples.
Based on the additively manufactured porous material, permeable-dense composites were printed. A test module made on that basis was prepared for coating with a permeable ceramic interlayer. A 2 mm thick test module was smoothed by high precision milling. The roughness of the smoothed test module is 1.36 µm which shows the potential as novel membrane substrate. Further, permeable membrane substrate plates (PMS plates) and permeable membrane substrate pipes (PMS pipes) were prepared for use in microreactors.
Recently, researchers have shown increasing interest in additively manufactured devices for process engineering applications. A 90° design strategy and a 45° printing strategy were proposed for additively manufactured microreactors. Microreactors with temperature barrier module and internal channels were designed and printed as an exemplary application.