Forschung am Institut für Industrialisierung Smarter Werkstoffe

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den Sonderforschungsbereich (SFB) „SMART Reactors“! Das Institut für Industrialisierung Smarter Werkstoffe ist am Teilprojekt C01 - „Integration of components into adaptive geometries“ beteiligt, und wird sich u.a. mit der Erforschung und der additiven Fertigung selbstregulierender Strukturen befassen. Auf sich verändernde Prozessbedingungen wie z.B. Temperaturabweichungen soll dabei derart reagiert werden, dass die Reaktion wieder zu idealen Prozessbedingungen hingeführt wird. Für den 3D-Druck wird dabei eng mit dem Fraunhofer IAPT kooperiert. Nähere Informationen zur Einrichtung des SFB sind der Pressemitteilung zu entnehmen.

The project 'Integration of components into adaptive geometries' aims to develop self-optimizing lattice structures for SMART reactors with integrated components for in situ detection and self-adjustment, fabricated by additive manufacturing (AM).

Periodic Open Cell Structures (POCS) are used in process engineering for controlling and optimizing heat- and mass transfer, mixing and other properties. Due to their complex and filigree shapes, AM is the production technology of choice for these structures, as it offers outstanding design freedom. Different structures such as strut-based POCS as well as Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) each have shown their specific advantages under different conditions. Thus, a fundamental understanding of the varying effects of such structures is required. The preliminary design of the lattice structures will be determined using Computational Fluid Dynamics, and the fabricated structures will be used for experiments to determine important process parameters like pressure drop, mixing performance, resistance time distributions, bubble size distributions, and mass transfer coefficients.

Based on that, the project aims at identifying ‘ideal’ structures for the exemplary biochemical and chemical hydrogenolysis reaction of glycerol to propanediol as well as for the exothermic neutralization reaction between NaOH and HCl. The figure gives a first impression of the variety of available structures.

Furthermore, the goal is to control reactions based on reactor conditions, such as temperature, pressure drop, or pH-value, and to develop and implement self-adaptive structures. Later, components for in situ detection and self-adjustment will be integrated into the structures to optimize the surface-to-volume ratio and enhance transport processes on all relevant scales.

Die additive Fertigung (AM) bietet im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren eine hohe Designfreiheit. Bislang wird dies jedoch noch nicht in vollem Umfang für die Herstellung hochwertiger Produkte in der Luftfahrt und im Energiesektor genutzt. BRAVE zielt daher darauf ab, einen integrierten digitalen Rahmen für die Optimierung der AM-Lieferkette zu schaffen, und dabei insbesondere die Oberflächenqualität zu erhöhen. Auf deutscher Seite soll eine kamerabasierte Sensorik entwickelt werden, die während des AM-Prozesses eine in-situ Rauheitsvermessung insbesondere von innenliegenden, schwer zugänglichen Bereichen erlaubt.

Das Teilvorhaben BRAVE-TUHH umfasst das Design und die Fertigung von Testgeometrien für die Rauheitsuntersuchungen, sowie die experimentelle Ermittlung rauheitsoptimierter Prozessparameter.  Anschließend werden Komponenten entwickelt, die eine Integration der Lichtfeldkamera als Sensor in einer PBF-LB/M-Anlage (pulverbettbasiertes Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahl) ermöglichen, sowie die Inbetriebnahme und Funktionstests der modifizierten Anlage. Es erfolgen Vergleichsmessungen zur Validierung der neuartigen Rauheitssensorik.

Projektpartner: Raytrix GmbH, Kiel

Assozierter Projektpartner: Ampower GmbH & Co. KG, Hamburg

Projektförderung: Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. FKZ: KK5570402JO3.

Partner im Rahmen des verbundenen EUREKA Smart Projekts "BRAVE":
Chalmers University of Technology, Göteborg; RISE Research Institutes of Sweden AB, Mölndal; Ringhals AB, Väröbacka; OKG AB, Simpewarp; Forsmark AB, Östhammar; Höganäs AB, Höganäs; AB Sandvik Coromant, Sandviken; Tribonex AB, Uppsala; GKN Aerospace Sweden AB, Trollhättan; Quintus Technologies AB, Västerås

Das internationale Kooperationsprojekt LitEndo plant eine Erschließung des geometrischen LMM-Potenzials für osseointegrative Strukturen in patientenindividuellen Hüftpfannen. Dadurch wird eine neue Generation von Revisionspfannen herstellbar sein, die speziell an die Bedürfnisse der Patienten angepasst sind und gleichzeitig eine bessere Osseointegration wie auch hohe Bio-Kompatibilität aufweisen. Dabei wird durch die geringere Schichtstärken (im Vergleich zu L-/E-PBF) bei der Fertigung eine höhere Oberflächengüte erreicht, wodurch selbst Gewinde direkt mitgedruckt werden können und Funktionsflächen einer geringeren Nachbearbeitung bedürfen. Dadurch können direkte Kosteneinsparungen entlang der Prozesskette und ein attraktiverer Business-Case realisiert werden. Als Materialien werden biokompatible Titanlegierungen sowie der Industriestandard CoCrMo betrachtet.

Im Teilprojekt des ISM wird an der TUHH die Wärmebehandlungsstrategie der LMM-Bauteile entwickelt. Hierbei liegt der Fokus auf dem Erreichen markttypischer Anforderungen. Dies betriff vor allem die chemische Zusammensetzung und Verunreinigungen im gesinterten Bauteil.

Projektpartner: Back to Mobility GmbH, Hürth; amsight GmbH, Hamburg; Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH, Dresden; Incus GmbH, Wien

Projektförderung: Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. FKZ: KK5570403IE4.