DE102018203750A1

DE102018203750A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, durch dessen Inneres mindestens ein Mikrokanal geführt ist

Info

Publication number: DE102018203750A1
Application number: DE102018203750.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Füssel; Uwe Scheithauer; Eric Schwarzer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: DE102018203750B4

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, durch dessen Inneres mindestens ein Mikrokanal geführt ist, wird ein Kernelement (1) mit einem additiven Herstellungsverfahren so hergestellt. Mit dem Kernelement (1) wird/werden unter Berücksichtigung des Schwindmaßes bei einer Sinterung des metallischen oder keramischen Bauteilwerkstoffs die Form, Dimensionierung und/oder Ausrichtung des mindestens einen Mikrokanals vorgegeben. Der Werkstoff, mit dem das Kernelement (1) hergestellt wird, geht bei einer thermischen Behandlung, die zur Sinterung des Bauteilwerkstoffs führt, in die flüssige Phase über und kann dadurch abgezogen oder bei der thermischen Behandlung thermisch zersetzt werden. Das Kernelement (1) wird in eine Form eingesetzt und dann von pulverförmigem Bauteilwerkstoff zumindest teilweise umschlossen. Es kann auch mit einer den Bauteilwerkstoff enthaltenden Suspension (2) zumindest bereichsweise an seiner Oberfläche beschichtet oder pulverförmiger Werkstoff auf mit einem Haftvermittler beschichtete Oberflächenbereiche des Kernelements (1) aufgebracht werden. Anschließend wird eine thermische Behandlung, die zur Entfernung des Kernelementwerkstoffs sowie ggf. enthaltener organischer Bestandteile und zur Sinterung des Bauteilwerkstoffs führt, durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, durch dessen Inneres mindestens ein Mikrokanal geführt ist. Es können so Bauteile hergestellt werden mit denen verschiedene mikrofluidische Anwendungen möglich sind. So können Reaktoren, Wärmetauscher, Mischeinrichtungen, Brenner, Katalysatorträger, Separatoren, Verteilerstrukturen für Fluide, Verdampfer, Belüfter/Begasungsvorrichtung (z.B. in Belebungsbecken) und/oder Filterstrukturen hergestellt werden.
Üblicherweise werden solche Bauteile durch Montage von Einzelelementen, durch Gießverfahren oder mechanische Bearbeitung aus Vollmaterial hergestellt. Dabei können jedoch lediglich Kanäle mit nach unten begrenzter freier Querschnittsfläche erhalten werden. Für viele Anwendungen sind jedoch sehr kleine feine freie Kanalquerschnittsflächen erforderlich. Mit den bekannten Möglichkeiten sind auch der geometrischen Gestaltung insbesondere der Führung von Kanälen in verschiedensten Richtungen Grenzen gesetzt.
Ein weiteres Problem beim Stand der Technik ist die begrenzte Möglichkeit unterschiedliche Oberflächenstrukturen in den Kanälen, was insbesondere die Rauheit der Oberfläche betrifft, oder Bereiche mit unterschiedlicher Porosität oder Bereiche, die überhaupt porös sind, an den Kanalwänden auszubilden.
Auch ist es bisher nicht möglich, stark miniaturisierte Bauteile mit feinen innenliegenden Kanälen zur Verfügung zu stellen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von Bauteilen anzugeben, in denen mikrofluide Kanäle ausgebildet sind, die kleine freie Querschnittsflächen aufweisen und bei denen eine flexibel wählbare dreidimensionale Geometrie mindestens eines in einem Bauteil ausgebildeten Mikrokanals, insbesondere dessen Führung bzw. Ausrichtung im Bauteilinneren betrifft.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zuerst ein Kernelement mit einem additiven Herstellungsverfahren so hergestellt, dass mit dem Kernelement unter Berücksichtigung des Schwindmaßes bei einer Sinterung des metallischen oder keramischen Bauteilwerkstoffs die Form, Dimensionierung und/oder Ausrichtung des mindestens einen Mikrokanals vorgegeben wird/werden.
Der Werkstoff, mit dem das Kernelement hergestellt wird, wird bei einer thermischen Behandlung, die zur Sinterung des Bauteilwerkstoffs führt, in die flüssige Phase überführt und kann dadurch abgezogen werden. Der Kernelementwerkstoff kann aber auch bei der thermischen Behandlung thermisch zersetzt werden. Dies kann bevorzugt durch Pyrolyse erreicht werden und sollte vor der Sinterung des metallischen oder keramischen Bauteilwerkstoffs erfolgen, um die dabei auftretende Schwindung nicht zu behindern.
In einer ersten erfindungsgemäßen Alternative wird das Kernelement in eine Form eingesetzt und dann von pulverförmigem Bauteilwerkstoff zumindest teilweise, bevorzugt vollständig umschlossen.
Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative wird das Kernelement mit einer den Bauteilwerkstoff enthaltenden Suspension vollständig oder zumindest bereichsweise an seiner Oberfläche beschichtet. Mit den beschichteten Bereichen oder mit einem vollständig beschichteten Kernelement kann dann das Bauteil hergestellt werden.
Bei einer dritten erfindungsgemäßen Alternative wird pulverförmiger Werkstoff auf mit einem Haftvermittler beschichtete Oberflächenbereiche des Kernelements aufgebracht. Mit den so mit Pulver beschichteten Oberflächenbereichen oder bei Auftrag von Pulver auf die gesamte Kernelementoberfläche kann das Bauteil hergestellt werden.
Bei allen drei erfindungsgemäßen Alternativen wird anschließend eine thermische Behandlung, die zur Entfernung des Kernelementwerkstoffs sowie ggf. enthaltener organischer Bestandteile und zur Sinterung des Bauteilwerkstoffs führt, durchgeführt.
Nach der Sinterung wird ein Bauteil erhalten, in dessen Inneren mindestens ein Mikrokanal ausgebildet ist, der zumindest teilweise der geometrischen Gestaltung und vollständig dieser Gestaltung entspricht, wenn die gesamte Kernelementoberfläche mit pulverförmigem oder in Suspension vorliegendem Bauteilwerkstoff versehen oder in Kontakt gebracht worden war.
Das Kernelement sollte so hergestellt werden, dass der mindestens eine Mikrokanal über eine Länge von mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 5 mm, eine freie Querschnittsfläche von maximal 100 mm² oder einen Innendurchmesser von 5 µm bis maximal 10 mm und/oder jeweils mindestens ein Aspektverhältnis von 1:10 zwischen Kanalinnendurchmesser bzw. einer freien Querschnittsflächendiagonale und Kanallänge aufweist. Selbstverständlich können diese Querschnitte auch über die gesamte Kanallänge realisiert werden.
Das Kernelement kann so hergestellt werden, dass an dem mindestens einen Mikrokanal weitere sich verzweigende Mikrokanäle und bevorzugt miteinander verbundene Mikrokänale im Bauteilinneren ausgebildet werden. So können beispielsweise Verzweigungen an einem oder mehreren Hauptkanälen, die beispielsweise eine größere freie Kanalquerschnittsfläche auf weisen können, als die verzweigten Kanäle, vorhanden sein. Verzweigte Kanäle können bevorzugt bis an die äußere Oberfläche des Bauteils geführt sein und dort in Öffnungen münden oder diese bilden.
Das Kernelement kann auch so hergestellt werden, dass am Bauteil mindestens ein Anschlusselement für eine Zuführung und/oder Abführung eines Fluids in oder aus dem mindestens einen Mikrokanal, bevorzugt in Form eines Flansches oder Anschlussstutzens ausgebildet wird. Dadurch kann dort über ein Adapterelement mindestens eine externe Leitung für eine Fluidzu- und/oder -abführung angeschlossen werden. An einem Flansch oder Anschlussstutzen kann direkt ein Gewinde ausgebildet werden, das für den Anschluss eines Adapters genutzt werden kann.
Die additive Herstellung des Kernelements kann insbesondere mit einem Druckverfahren oder durch selektives Lasersintern oder -schmelzen in bekannter Form erfolgen.
Die Beschichtung von Oberflächenbereichen des Kernelements mit einer Suspension kann durch Aufsprühen, Eintauchen, oder Einstreichen durchgeführt werden.
Ein Auftrag von pulverförmigem Bauteilwerkstoff auf mit Haftvermittler beschichtete Oberflächenbereiche des Kernelements kann durch Aufstreuen, Aufsprühen oder in einer Wirbelschicht erfolgen. Die entsprechenden Oberflächenbereiche oder die gesamte Oberfläche des Kernelements kann mit Suspension oder bei einem Pulverauftrag mit Haftvermittler beschichtet werden.
Es sollte ein Haftvermittler eingesetzt werden, der eine ausreichende Haftwirkung für das Pulver aufweist und der sich bei der thermischen Behandlung möglichst vollständig zersetzen lässt.
Oberflächenbereiche des Kernelements können mehrfach beschichtet werden. Es kann auch ein mehrfacher Auftrag von Haftvermittler und Pulver auf die gleichen Oberflächenbereiche durchgeführt werden, um einmal dickere Wandungen um den mindestens einen Mikrokanal zu erhalten.
Allein oder zusätzlich dazu können gleiche Oberflächenbereiche des Kernelements mit einer Suspension beschichtet oder pulverförmiger Werkstoff aufgebracht werden, in der/dem sich bei der thermischen Behandlung zersetzende Partikel enthalten sind, so dass dort poröse Bauteilbereiche nach der Sinterung ausgebildet werden können. Sich zersetzende Partikel bilden Platzhalter, die zu Poren führen. In Suspensionen oder aufgetragenem Pulver können auch unterschiedliche Partikelgrößen enthalten sein. Gröbere Pulver mit höherer mittlerer Partikelgröße führen zu geringeren physikalischen Dichten oder porösen Bauteilbereichen.
Wie hier beschrieben, können mehrere Schichten übereinander aufgebracht oder aufgetragen werden, die gleiche Suspensionen oder Pulver nutzen oder Suspensionen oder Pulver mit voneinander abweichender Konsistenz nacheinander schichtweise aufgebracht oder aufgetragen werden. So lassen sich Bereiche mit unterschiedlicher Dichte und/oder Porosität in unterschiedlichen Bereichen herstellen, die unterschiedlich dicht und porös sind. Dies kann Lagenweise erreicht werden.
Bei einer mehrfachen Beschichtung der Kernelementoberfläche mit Suspension können zwischen dem Auftrag einzelner Lagen oder Schichten Trocknungsvorgänge durchgeführt werden.
Weiterhin können verschiedene Beschichtungsverfahren, wie z.B. die galvanische Abscheidung, die physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung (PVD/CVD), die Atomlagenabscheidung (ALD) oder Sputtern genutzt werden, um die Oberflächen ganz oder an ausgewählten Oberflächenbereichen eines Kernelements, insbesondere mit Metall dünn zu beschichten und anschließend durch eine der bereits aufgeführten Methoden zu stabilisieren.
Als Kernelementwerkstoff kann ein Polymer, Paraffin, ein Wachs oder ein Metall mit einer Schmelztemperatur, die kleiner als die Temperatur bei der thermischen Behandlung ist, mit der die Sinterung des Bauteilwerkstoffs erreicht wird, eingesetzt werden.
Der bei der thermischen Behandlung in die flüssige Phase übergehende Kernelementwerkstoff kann durch den/die mit dem Kernelement gebildeten Kanal/Kanäle gravitationskraftbedingt ablaufen und dann wieder verwendet werden. Dies kann durch Nutzung von Kapillarkraftwirkung mit einer damit oder anderweitig erreichbaren Saugkraftwirkung unterstützt werden. So kann eine Entfernung beispielsweise mittels eines Pulverbetts unterstützt werden, in dem ein Aufsaugen von Schmelze erreicht werden kann.
Vorteilhaft kann an in Richtung der Bauteiloberfläche weisenden Stirnseiten mindestens eines Mikrokanals oder verzweigten Mikrokanälen jeweils mindestens eine düsenförmige Öffnung ausgebildet werden.
Dazu können an in Richtung der Bauteiloberfläche weisenden Stirnseiten von Teilen des Kernelements, mit denen Mikrokanäle oder verzweigte Mikrokanäle ausgebildet werden, Einschnürungen des Querschnitts ausgebildet werden, die Sollbruchstellen zur Freilegung düsenförmiger Öffnungen bilden.
Allein oder zusätzlich dazu kann mindestens eine düsenförmige Öffnung durch einen mechanischen oder thermischen Werkstoffabtrag frei gelegt werden. Das Freilegen kann durch Abbrechen von Bauteilwerkstoff, einen lokal definierten Abtrag von Bauteilwerkstoff durch eine spanende Bearbeitung oder eine lokal definierte Entfernung von Bauteilwerkstoff mit einem Energiestrahl in Bereichen, in denen mindestens eine düsenförmige Öffnung frei gelegt werden soll, erfolgen.
Es ist auch möglich, bestimmte Bereiche des Kernelements gezielt nicht zu beschichten oder sie durch Aufbringen abweisender Schichten vor einer Beschichtung zu schützen.
Es kann auch lediglich mindestens eine Öffnung an einem Kanal ausgebildet werden, in die dann eine Düse eingesetzt und am Bauteil fixiert wird.
Ein Mikrokanal oder ein verzweigter Mikrokanal kann eine Außenwand mit einer Wandstärke im Bereich 50 µm bis 5000 µm, bevorzugt im Bereich 100 µm bis 1000 µm aufweisen oder vollständig in einem kompakten Block verborgen sein. Die spezifische Oberfläche sollte zumindest im Inneren des/der Mikrokanals/-kanäle größer als 100 m²/m³ sein und bevorzugt im Bereich 200 m²/m³ bis 6000 m²/m³ liegen.
Sowohl die Porosität, als auch die spezifische Oberfläche einer Mikrokanalwand oder eines Mikrokanalwandbereichs kann durch die Auswahl der Partikelgrößen des für den Bauteilwerkstoff eingesetzten Pulvers beeinflusst werden. So führen Pulver mit größerer Partikelgröße zu gröberen sowie raueren Oberflächen und zu höherer Porosität, wobei letztgenannte Eigenschaft durch ein schlechteres Sinterverhalten hervorgerufen werden kann.
Generell können Pulver für die Herstellung eines Bauteils eingesetzt werden, deren mittlere Partikelgrößen d₅₀ im Bereich 0,01 µm bis 100 µm liegen. Mit mittleren Partikelgrößen d₅₀ kleiner 5 µm können dichte Bereiche eines Bauteils oder einer Mikrokanalwand erhalten werden. Diese Bereiche können dann fluiddicht sein. Pulver mit größerer Partikelgröße führen zu mehr porösen Bauteilwerkstoffen oder Bereichen eines Bauteils. Poröser Bauteilwerkstoff oder solche Bauteilbereiche können auch mit sich im Pulver bzw. einer Suspension enthaltenen Partikeln, die sich bei der thermischen Behandlung zersetzen, ausgebildet werden.
Mikrokanäle können bei der Erfindung mit einem entsprechend ausgebildeten und dimensionierten Kernelement mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1 : 10 hergestellt werden, was bedeutet, dass ein entsprechendes Verhältnis von Innendurchmesser bzw. einer freien Querschnittsflächendiagonale zur jeweiligen Länge eines Mikrokanals oder verzweigten Mikrokanals eingehalten werden kann. Es können dabei deutlich längere Mikrokanäle mit entsprechend kleinen Innendurchmessern bzw. kurzen Diagonalen der freien Querschnittsfläche in einem Mikrokanal hergestellt werden, so dass auch Aspektverhältnisse von 1 : 100 und mehr möglich sind.
Die Ausrichtung eines Mikrokanals kann mehrfach die Richtung wechseln. Bei verzweigten Mikrokanalsystemen können verzweigte Mikrokanäle in unterschiedliche Richtungen geführt sein und dabei ggf. ebenfalls eine wechselnde Ausrichtung gewählt werden. Verzweigte Mikrokanäle können von mindestens einem „Hauptmikrokanal“ abzweigen und es kann ein Mikrofluidsystem ähnlich einer Baumstruktur ausgebildet werden.
Es können auch Mikrokanäle in einem Bauteil vorhanden sein, die unterschiedliche Innendurchmesser über deren gesamte Länge aufweisen. Der Innendurchmesser und die Querschnittsform eines Mikrokanals können aber auch über seine Länge variieren. Über seine gesamte Länge kann der Innendurchmesser mehrfach variieren, was sich strömungstechnisch vorteilhaft auswirken kann.
Mit der Erfindung können Geometrien, die ohne Fügestellen/Verschraubungen innerhalb eines so gefertigten Leitungs-/Kanalsystems in einem Bauteil auskommen und dadurch weder Verschleißteile noch Punkte mit lokal erhöhtem Korrosionsrisiko aufweisen, hergestellt werden. Es können auch thermische oder mechanische Schwachstellen bzw. auch Inhomogenitäten und Gradienten im Bauteilwerkstoff vermieden werden. Solche Schwachstellen oder Inhomogenitäten sowie unterschiedlich poröse Bereiche des Bauteilwerkstoffs können aber auch lokal definiert ausgebildet werden, wen dies an einem so herzustellenden Bauteil gewünscht wird.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 ein polymeres Kernelement 1, das z.B. mittels Stereolithographie additiv hergestellt wurde,
2 eine teilweise geschnittene Darstellung des aus polymerem Werkstoff hergestellten Kernelements 1 nach 1, das mit einer Pulverschüttung oder einer Suspension 2 beschichtet wurde,
3 das final hergestellte Bauteil 3 nach der Sinterung mit sehr feinen Kanälen im inneren Bereich und äußeren fluidischen Anschlussstellen,
4 ein polymeres Kernelement 1, das z.B. mittels galvanischer Abscheidung selektiv an Oberflächenbereichen 4 beschichtet wurde, um im späteren Bauteil in diesen Bereichen andere Oberflächeneigenschaften zu erzeugen und
5 in einer perspektivischen Teilschnittdarstellung einen Reaktor, wie er insbesondere mit einem Verfahren gemäß dem Beispiel 1 hergestellt werden kann.

Beispiel 1
Für die Herstellung eines Reaktors mit integriertem Wärmeübertrager mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, keramische oder metallische Reaktoren, die beispielsweise statische Mischeinheiten beinhalten, direkt mit einem Wärmeübertragersystem zu versehen, um gezielt Wärme zu- oder abführen zu können. Das Verfahren erlaubt es auch mehrere voneinander unabhängige Kanalsysteme zu realisieren. So können unterschiedliche Temperaturzonen eingestellt werden.
Für die Herstellung des Bauteils 3 wird zunächst ein polymeres Kernelement 1 (Templat) mittels Photopolymerisation/Stereolithografie hergestellt, welches die abzuformenden Kanalstrukturen, Reaktoreinbauten, wie Ein- und Auslassbereiche, sowie Mischelemente, und den Reaktormantel umfasst. Dazu wird ein entsprechendes CAD-Modell des Kernelements 1 erstellt, in Maschinendaten umgewandelt und additiv hergestellt. Ein polymeres Kernelement 1 kann z.B. unter Verwendung einer Mischung auf Basis von Acrylatverbindungen und Photoinitiatoren für eine spezifische Wellenlänge sowie einer additiven Fertigungsanlage, die mit der gleichen Wellenlänge arbeitet hergestellt werden. Durch ein nachfolgendes Beschichten über das oben beschriebene Verfahren, zum Beispiel mit einer Suspension 2 auf Wasserbasis, können diese Strukturen ummantelt werden. Diese Suspension 2 kann beispielsweise keramische Partikel aus SiC, Al₂O₃, ZrO₂ oder anderen Materialien enthalten, deren mittlere Partikelgröße zwischen 0,01 µm und 50 µm beträgt. Daneben kann diese Suspension 2 noch anorganische und/oder organische Additive zur Einstellung eines geeigneten Fließ- und Benetzungsverhaltens, sowie Hilfsmittel, zur Einstellung des Sinterverhaltens enthalten. Im Falle einer Siliciumcarbid-Suspension 2 enthält diese beispielsweise eine bimodale SiC-Partikelgrößenverteilung, hergestellt durch Mischung von SiC-Pulvern mit mittleren Partikelgrößen von 2 µm und 25 µm im Verhältnis von 60 % : 40 %; außerdem 0,7 % Borcarbid und 12 % eines wasserlöslichen Polysaccharids (entspricht 2,5 % Kohlenstoff nach der Pyrolyse) als Sinteradditiv.
Das Fließverhalten der Suspension 2 sollte so eingestellt sein, dass alle zu beschichtenden Oberflächenbereiche oder vollständig auszufüllenden Bereiche mit Suspension 2 benetzt / gefüllt werden können. Hierzu wird ein Feststoffgehalt von 87 % bezogen auf die gesamte Masse der Suspension 2 eingestellt. Die Beschichtung selbst kann mittels eines Tauchverfahrens erfolgen, bei dem das zuvor gedruckte Kernelement in ein Suspensionsreservoir eingetaucht und nach einer definierten Verweilzeit wieder entnommen wird. Zum Füllen besonders feiner Kavitäten kann dieser Tauchprozess zusätzlich durch Absenken des Druckes auf ca. 100 mbar unterstützt werden. Nach dem Tränkprozess kann überschüssige Suspension durch Rütteln oder Zentrifugieren entfernt werden, wobei die Wahl der Prozessparameter die Schichtdicke der Beschichtung bestimmt. Nach einem Trocknungsprozess bei 60 °C bis 80 °C über einen Zeitraum von 1 Stunde bis 8 Stunden erfolgt die Hochtemperaturwärmebehandlung, die mit der thermischen Zersetzung oder der Ausschmelzung des Kernelements 1 beginnt. Die Temperatur für diesen Prozessschritt ist so zu wählen, dass ein vollständiges Entfernen des Kernelementwerkstoffs durch Ausschmelzen oder thermische Zersetzung möglich ist, bevor der Verdichtungsprozess durch das Sintern beginnt. Im vorliegenden Fall kann diese Temperatur bis zu 1200 °C betragen, wobei die Zersetzung oder Ausschmelzung des Kernelementwerkstoffs günstigstenfalls unter Inertgasatmosphäre durchgeführt werden kann. Ist dies erfolgt, kann durch das Sintern das abgeformte Halbzeug in ein keramisches Bauteil mit vergrabener Kanalstruktur überführt werden. Dazu wird das verbliebene SiC-Pulvergerüst unter Argon-Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 2000 °C und 2200 °C gesintert. Die lineare Schwindung der Struktur durch den Sinterprozess liegt dabei zwischen 3 % und 10 %.
Beispiel 2
Analog zu dem vorab erläuterten Beispiel eines beschriebenen Reaktors als ein Beispiel eines Bauteils 3 können eingebrachte Kanalsysteme für ein integriertes Mischsystem durch Eindüsung einer oder mehrerer Komponenten in den Reaktionsraum ausgebildet werden. Durch ein weiteres, unabhängiges Kanalsystem kann zusätzlich Wärme zu oder abgeführt werden. Die Eindüsung oder Begasung kann sowohl durch Düsenelemente, also offene Kanalenden, als auch durch gezielt eingestellte poröse Wandbereich erfolgen.
Wie im Beispiel 1 beschrieben, kann auch in diesem Fall die Herstellung durch die Abformung eines gedruckten Kernelements 1 erfolgen. Durch die gezielte Änderung der eingesetzten keramischen Partikel, zum Beispiel die Verwendung überwiegend grober Pulverfraktionen mit mittleren Partikelgrößen zwischen 20 µm und 50 um, die Verwendung pulverförmiger, polymerer Werkstoffe mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 µm bis 30 µm und / oder die Verringerung des Anteils von Sinterhilfsmitteln, kann die Verdichtung des Gefüges verringert und so ein teilweise offenporöses Gefüge erzeugt werden, welches eine Durchlässigkeit für Fluide aufweist.
Im Falle einer wasserbasierten SiC-Suspension 2 ähnlich der unter Beispiel 1 beschriebenen, wird eine bimodale Partikelgrößenverteilung durch Mischung von SiC-Pulvern mit mittleren Partikeldurchmessern von 2 µm und 55 µm im Verhältnis von 60 % : 40 % und Pulverlackpartikeln auf Basis eines Polyamid 12 mit einer mittleren Partikelgröße von 26 µm zu einem Gewichtsanteil von 2,5 % bis 15 % und außerdem 0,4 % Borcarbid und 9 % eines wasserlöslichen Polysaccharids als Sinteradditiv erzeugt. Alle angegebenen Prozentwerte sind auf die Gesamtmasse der Suspension bezogen. Das Fließverhalten der Suspension 2 sollte so eingestellt sein, dass alle zu beschichtenden Oberflächenbereiche oder vollständig auszufüllenden Bereiche des Kernelements mit Suspension 2 benetzt / gefüllt werden können. Hierzu wird ein Feststoffgehalt von 80 % - 88 % bezogen auf die Gesamtmasse der Suspension eingestellt.
Um gezielt nur ausgewählte Bereiche mit diesem Material zu beschichten, kann der Tränkprozess zweistufig erfolgen. Es ist hierbei möglich die gesamte Struktur zunächst mit dieser, für poröse Wandbereiche eingestellten, Suspension 2 zu überziehen und anschließend ausgewählte Bereiche mit einer Suspension 2 höherer Sinteraktivität und damit Verdichtung des Gefüges zu versiegeln. Stellen die nicht beschichtet werden sollen, können beispielsweise durch nicht benetzbare Schutzschichten abgedeckt werden. Alternativ können auch nur Teilbereich bei der Erstbeschichtung für das dichte Wandmaterial abgedeckt und in einem zweiten Schritt mit der Suspension für die porösen Wandbereiche beschichtet werden. Die grundsätzlichen Prozesse zur Beschichtung und zur Wärmebehandlung bzw. Sinterung sind analog zu denen von Beispiel eins. Am Ende des Prozesses liegt dann ein komplex gestalteter Sinterkörper mit dichten und porösen Wandbereich vor.
Beispiel 3
Eine homogene Durchmischung von Brenngasen und Sauerstoff, der aus der Luft oder als Reingas zugeführt werden kann, lässt sich die Effizienz der Verbrennungsreaktion hinsichtlich des Umsatzes der chemischen Ausgangsstoffe, dem Erreichen höherer Temperaturen und der Verringerung von Schadstoffemissionen deutlich verbessern. Durch das vorliegende Verfahren können brennbare Gase oder Flüssigkeiten sehr fein verteilt in einen Reaktionsraum eingedüst und so optimal mit dem sauerstoffhalten Gas im Reaktionsraum vermischt werden. Eine gradierte Anordnung der Kanaldurchmesser und oder der Porosität der Kanalwände kann dabei gezielt genutzt werden, um eine große Modulierbarkeit des Brenners zu ermöglichen.
Die Herstellungsmethode ist hierbei Analog zu der in Beispiel 1 beschriebenen. Für das Anwendungsbeispiel ist die Strukturierung der Fluidführenden Kanäle allerdings so angepasst, dass durch die Variation der Kanaldurchmesser in Abhängigkeit vom anliegenden Mediendruck unterschiedliche Bereiche der Struktur durchströmt werden. Dies erweitert die Modulierbarkeit eines solchen Brenners und führt zu einer homogenen Vermischung von Brenngas und Luftsauerstoff oder reinem Sauerstoff. Dies kann durch eine hierarchische Anordnung der Fluidkanäle erreicht werden, deren Kanaldurchmesser vom Einlass bis zu den Auslassdüsen sukzessive verringert wird.
Beispiel 4
Für einige Anwendungsfälle kann es von Nutzen sein, wenn bestimmte Oberflächenbereiche 4 der Kanalstruktur mit einer katalytisch aktiven Substanz versehen sind. Hierfür bietet das Verfahren die Möglichkeit sehr dünne und lokal begrenzte metallische oder keramische Schichten auf dem polymeren Kernelement 1 abzuscheiden. Hierfür können je nach Kernelement- und angestrebtem Schichtwerkstoff und deren jeweiliger Temperaturbeständigkeit bzw. ihrem Abscheideverhalten verschiedene Verfahren genutzt werden. Vergleichsweise einfach und durch die Anwendung bei Raumtemperatur problemlos für polymere Kernelemente 1 nutzbar, ist das Sputtern. Ein polymeres Kernelement 1 oder ausgewählte Oberflächenbereiche 4 hiervon können beispielsweise durch RF-Sputtern bei ca. 13,56 MHz unter Verwendung eines CeO₂-Targets mit einer kristallinen CeO₂-Schicht überzogen werden, deren Kristallitgröße beispielsweise im Bereich zwischen 5 nm und 40 nm eingestellt werden kann. Der Prozess wird mit einer effektiven Leistung von 130 W und ohne zusätzliche Beheizung durchgeführt, wobei ein Prozessdruck von etwa 1,3 × 10^-2 mbar gewählt wird. Die Atmosphäre enthält ein Gasgemisch aus Argon und Sauerstoff im Verhältnis 1 / 3,5. Die Abscheidungsrate beträgt etwa 50 nm/h.
Das so an Oberflächenbereichen 4 durch Sputtern beschichtete Kernelement 1 kann anschließend analog zur Beschreibung in Beispiel 1 mit einer Suspension 2 beschichtet werden. Zur Vermeidung unerwünschter Reaktionen zwischen der eingebrachten Katalysatorschicht und dem Mantelmaterial sollte dabei eine Anpassung des Sinterverhaltens und insbesondere der Sintertemperatur erfolgen. So kann beispielsweise ein oxidisch gebundenes SiC eingesetzt werden, dessen Sintertemperatur unter 1350 °C eingestellt werden kann. Die Suspension 2 enthält beispielsweise eine bimodale SiC-Partikelgrößenverteilung, hergestellt durch Mischung von SiC-Pulvern mit mittleren Partikelgrößen von 2 µm und 25 µm im Verhältnis von 30 % : 70 %; außerdem ca. 7 % Aluminiumoxid und etwa 27 % Siliciumoxid. Die Verwendung weiterer Additive wie organischer Bindemittel, Dispergatoren und Entschäumer erlauben die exakte Anpassung des rheologischen Verhaltens. Der Feststoffgehalt der Suspension 2 sollte je nach abzuformender Geometrie zwischen 70 und 85 % liegen.
Nachdem die Struktur analog zum Beispiel 1 mit Suspension 2 beschichtet und getrocknet wurde, erfolgt eine Wärmebehandlung bei der das Kernelement 1 durch Ausschmelzung oder thermische Zersetzung entfernt wird und anschließend die Keramik bei Brenntemperaturen unter 1350 °C versintert. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich ausgewählte Bereiche der Struktur, wie verborgene Kanäle oder Reaktionsräume, mit einer katalytisch aktiven Substanz zu beschichten, um die Kinetik chemischer Prozesse gezielt beeinflussen zu können.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, durch dessen Inneres mindestens ein Mikrokanal geführt ist, bei dem ein Kernelement (1) mit einem additiven Herstellungsverfahren so hergestellt wird, dass mit dem Kernelement (1) unter Berücksichtigung des Schwindmaßes bei einer Sinterung des metallischen oder keramischen Bauteilwerkstoffs die Form, Dimensionierung und/oder Ausrichtung des mindestens einen Mikrokanals vorgegeben wird/werden; und der Werkstoff, mit dem das Kernelement (1) hergestellt wird, bei einer thermischen Behandlung, die zur Sinterung des Bauteilwerkstoffs führt, in die flüssige Phase übergeht und dadurch abgezogen werden kann oder bei der thermischen Behandlung thermisch zersetzt wird; und das Kernelement (1) in eine Form eingesetzt und dann von pulverförmigem Bauteilwerkstoff zumindest teilweise umschlossen wird oder das Kernelement (1) mit einer den Bauteilwerkstoff enthaltenden Suspension (2) zumindest bereichsweise an seiner Oberfläche beschichtet oder pulverförmiger Werkstoff auf mit einem Haftvermittler beschichtete Oberflächenbereiche des Kernelements (1) aufgebracht wird und anschließend eine thermische Behandlung, die zur Entfernung des Kernelementwerkstoffs sowie ggf. enthaltener organischer Bestandteile und zur Sinterung des Bauteilwerkstoffs führt, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement so hergestellt wird, dass der mindestens eine Mikrokanal über eine Länge von mindestens 5 mm, bevorzugt mindestens 10 mm eine freie Querschnittsfläche von maximal 1 mm², bevorzugt von maximal 10000 µm² oder einen Innendurchmesser von maximal 100 µm aufweist und/oder ein Aspektverhältnis an einem Mikrokanal von mindestens 1:10 für einen Innendurchmesser oder eine dementsprechende freie Querschnittsflächendiagonale in Bezug zu einer Länge eines Mikrokanals erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (1) so hergestellt wird, dass an dem mindestens einen Mikrokanal weitere sich verzweigende Mikrokanäle und bevorzugt miteinander verbundene Mikrokänale im Bauteilinneren ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (1) so hergestellt wird, dass am Bauteil (3) mindestens ein Anschlusselement für eine Zuführung und/oder Abführung eines Fluids in oder aus dem mindestens einen Mikrokanal, bevorzugt im Form eines Flansches oder Anschlussstutzens ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die additive Herstellung des Kernelements (1) durch ein Druckverfahren oder durch selektives Lasersintern oderschmelzen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung von Oberflächenbereichen des Kernelements mit einer Suspension (2) durch Aufsprühen, Eintauchen, oder Einstreichen oder ein Auftrag von pulverförmigem Bauteilwerkstoff auf mit Haftvermittler beschichtete Oberflächenbereiche des Kernelements (1) durch Aufstreuen, Aufsprühen oder in einer Wirbelschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächenbereiche des Kernelements (1) mehrfach beschichtet werden oder ein mehrfacher Auftrag durchgeführt wird und/oder Oberflächenbereiche des Kernelements (1) mit einer Suspension (2) beschichtet oder pulverförmiger Werkstoff aufgebracht wird, in der/dem sich bei der thermischen Behandlung zersetzende Partikel enthalten sind, so dass dort poröse Bauteilbereiche nach der Sinterung ausgebildet werden und/oder in Suspensionen oder aufgetragenem Pulver unterschiedliche Partikelgrößen enthalten sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kernelementwerkstoff ein Polymer, Paraffin, ein Wachs oder ein Metall mit einer Schmelztemperatur, die kleiner als die Temperatur bei der thermischen Behandlung ist, mit der die Sinterung des Bauteilwerkstoffs erreicht wird, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer in Richtung der Bauteiloberfläche weisenden Stirnseite mindestens eines Mikrokanals oder mindestens eines verzweigten Mikrokanals mindestens eine düsenförmige Öffnung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an in Richtung der Bauteiloberfläche weisenden Stirnseiten von Teilen des Kernelements (1), mit denen Mikrokanäle oder verzweigte Mikrokanäle ausgebildet werden, Einschnürungen des Querschnitts ausgebildet werden, die Sollbruchstellen zur Freilegung düsenförmiger Öffnungen bilden.
Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine düsenförmige Öffnung durch einen mechanischen oder thermischen Werkstoffabtrag frei gelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche oder Oberflächenbereiche (4) des Kernelements (1) durch die galvanische Abscheidung, physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung (PVD/CVD), Atomlagenabscheidung (ALD) oder Sputtern beschichtet wird/werden.