Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den Sonderforschungsbereich (SFB) „SMART Reactors“, an dem das Institut für Industrialisierung Smarter Werkstoffe (ISM) maßgeblich im Teilprojekt C01 mit dem Titel „Integration von Komponenten in adaptive Geometrien“ beteiligt ist. Die Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung und additive Fertigung (AM) selbstregulierender Strukturen, die dynamisch auf sich ändernde Prozessbedingungen, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, reagieren können. Das übergeordnete Ziel besteht darin, chemische Reaktionen durch adaptive Geometrien autonom wieder in Richtung idealer Prozessparameter zu steuern. Zur Realisierung dieser komplexen Designs pflegt das ISM eine enge Kooperation mit der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien (IAPT), wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung selbstoptimierender Gitterstrukturen mit integrierten Komponenten zur In-situ-Erfassung und Selbstanpassung liegt.
Ein zentraler Ansatz hierbei ist die Verwendung von periodischen offenporigen Zellstrukturen (POCS) sowie triply periodischen Minimalflächen (TPMS), die in der Verfahrenstechnik zur Steuerung und Optimierung des Wärme- und Stofftransports, der Mischung und anderer Eigenschaften eingesetzt werden. Aufgrund ihrer komplexen Formen ist die additive Fertigung die ideale Technologie, um die unterschiedlichen Strukturen zu untersuchen. Die Methodik umfasst Gitterdesigns mittels numerischer Strömungsmechanik (CFD) sowie experimentelle Validierungen von Parametern wie Druckverlust, Mischleistung und Stoffübergangskoeffizienten. Des Weiteren sollen Reaktionen basierend auf Reaktorbedingungen wie Temperatur, Druckverlust oder pH-Wert gesteuert sowie selbstadaptive Strukturen entwickelt und implementiert werden.
Letztendlich zielt das Projekt darauf ab, „ideale“ Strukturen für beispielhafte Reaktionen zu identifizieren, darunter die Hydrogenolyse von Glycerin zu Propandiol sowie exotherme Neutralisationsreaktionen. Hierzu werden Komponenten zur In-situ-Erfassung und Selbstanpassung in die Strukturen integriert, um das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis zu optimieren und Transportprozesse auf allen relevanten Skalen zu verbessern. Durch die Kombination von Simulation und präziser additiver Fertigung liefert das Projekt ein grundlegendes Verständnis dafür, wie adaptive Geometrien die moderne Reaktortechnologie transformieren und stabile Prozessbedingungen in hochdynamischen Umgebungen gewährleisten können.
Laufzeit: 01.07.2023 - 30.06.2027
Verantwortlicher Mitarbeiter: Prof. Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa, Dr.-Ing. Dirk Herzog, Serhan Acikgöz, Jan Hünting und Maria Isabelle Maiwald
Förderprogramm: Diese Forschung wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert – SFB 1615-503850735 – TP C01 & B04.
Projektpartner: Institute of Multiphase Flows (IMS), Fraunhofer IAPT
