EP4196248A1 - Monolithic membrane filter - Google Patents
Monolithic membrane filterInfo
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- EP4196248A1 EP4196248A1 EP21765855.8A EP21765855A EP4196248A1 EP 4196248 A1 EP4196248 A1 EP 4196248A1 EP 21765855 A EP21765855 A EP 21765855A EP 4196248 A1 EP4196248 A1 EP 4196248A1
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- B01D46/2403—Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
- B01D46/2418—Honeycomb filters
- B01D46/2451—Honeycomb filters characterized by the geometrical structure, shape, pattern or configuration or parameters related to the geometry of the structure
- B01D46/2486—Honeycomb filters characterized by the geometrical structure, shape, pattern or configuration or parameters related to the geometry of the structure characterised by the shapes or configurations
- B01D46/2496—Circular
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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- B22F10/18—Formation of a green body by mixing binder with metal in filament form, e.g. fused filament fabrication [FFF]
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- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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- B22F5/10—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
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- C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
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- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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- Y02P10/25—Process efficiency
Definitions
- the present invention relates to a method for producing monolithic components and monolithic components, in particular as membrane filters.
- Membrane filters for filtering or separating substances from mostly liquid mixtures are known as such.
- a mixture can be a disperse medium or, for example, a solution in which further components are dissolved in a base substance.
- Membrane filters are used in various areas of application, e.g. E.g. in the treatment of water and food, in the manufacture of pharmaceutical products, in biotechnological or chemical processes.
- An example of such an application can be the separation of alcohol from beer to produce non-alcoholic beer. A particularly gentle process enables preferential alcohol removal with minimal impairment of taste.
- Another application can be the separation of cells and cell fragments from active ingredient solutions in the biotechnological production of pharmaceuticals.
- There is still an intensive search for further developments here for example to increase the throughput of medium to be filtered or to further reduce costs. In contrast to medical apparatus, much larger membrane surfaces are required for technical systems.
- hold modules made of polymeric materials such as. e.g. E.g. PP typically does not withstand higher loads such as temperatures of over 60 °C or higher transmembrane pressures (over 3 bar) or at least not over long periods of time without damage.
- higher loads such as temperatures of over 60 °C or higher transmembrane pressures (over 3 bar) or at least not over long periods of time without damage.
- this is desirable for numerous areas of application.
- membrane filters are nowadays manufactured as standardized products with a given geometry, whereby adaptations to special requirements from the process control, such as for high viscosities and/or low pressure losses during flow or for difficult installation environments, are practically impossible or not planned. since the resulting lower quantities would drive unit costs into regions that cannot be sold.
- filter modules typically consist of different, in particular different, components that are produced using different methods and are then reversibly or irreversibly connected to one another.
- the separate components include membranes as flatware or tubes, components for fluid supply and removal (e.g. pressure pipes, connectors, permeate pipes, aeration pipes, ...) and components for fluid distribution and mixing (e.g. spacers, ATD's,).
- filter modules have been used which are provided in particular with sealing rings or other sealing means and are installed in a separate housing with separate connections. The sealing to avoid cross-flows between the envelope side and the lumen side is expensive and limits the possible areas of use for membrane filters to a decisive extent.
- the membranes are bonded or welded to the other components to form a filter element. Also mechanical seals that are clamped between membranes and housing, z. B. common with ceramic membranes.
- Connectors filter element to piping system
- Connectors are often detachably connected to the filter unit, e.g. E.g. supply and discharge caps via clamps, flanges or threads. Seals prevent a "short circuit" between feed and filtrate.
- capillary modules For capillary modules z. For example, there are always capillary breaks in the embedding, detachment of adhesive (potting) from the housing wall or even encapsulation. In the case of flat membranes glued over the entire surface, e.g. For example, in submerged modules, delamination between the laminate layers is observed. In the case of ceramic tubular membranes or multi-channel elements, the elastomer seal used often represents the limiting weak point of the entire filter unit. Both the ceramic of the constructed membrane and the typically used stainless steel of the housing can show a significantly higher temperature and/or chemical resistance than the material used sealing material.
- Capillary membranes are usually glued into the housing. During the curing of the casting compound, the material can shrink as a result of the crosslinking reaction. The transition from the casting block to the housing of such a filter is therefore typically under tension, which in practical use under changing temperatures and/or pressures can lead to at least partial detachment of the casting compound from the housing wall. A reliable separation between the flow on the lumen side and the flow on the envelope side is therefore no longer guaranteed.
- the present invention has therefore set itself the task of solving the aforementioned problems or at least introducing improvements thereto.
- the invention has set itself the task of providing filter modules or membrane filters or components that are considerably more robust with regard to their handling, alternatively or cumulatively also with regard to the applicable process and operating parameters.
- the invention solves the problem that the described aging processes of known filters are avoided or improved and that the number of failures of entire filter modules is reduced both in production and in operation.
- the present invention thus also fulfills the further partial aspect of increasing the service life of filter modules or components in tough technical use and thus improving economic efficiency.
- the present invention also fulfills the partial aspect of providing filter modules or components that achieve further improved mixing of the fluids used and/or further increase the filtrate throughput. In this way, on the one hand, the yield can be increased and/or the throughput quantity can be increased.
- the present invention also provides a filter that can be adapted with simple means and that can be optimized in the manufacturing process for the specific later application with regard to, for example, the parameters of filtration capacity, delivery capacity, with regard to the volume or mass flow of fluid and/or the mechanical resilience or resistance to mechanical influences.
- the invention has also set itself the task of simplifying the manufacturing process of filter modules and/or making it available more cost-effectively, or even individually adaptable to the specific requirement.
- the improvements and new designs proposed in this description concentrate on providing a component which is suitable for separating components from a fluid.
- a separation is, for example, the filtration of a fluid, i.e. the extraction of substances from a solution, for example, or the stripping or separation of suspended matter from a disperse medium such as a suspension.
- the invention is not limited to this.
- the present invention concentrates on providing monolithic components for the production of filter modules.
- monolithic components such as membrane filters in particular, can be formed additively in the light of the present invention and/or have an intrinsic porosity.
- all components can be provided from a uniform starting material.
- monolithic components are typically manufactured in one piece and without interruption. Due to the lack of joined component-to-component transitions, they can be characterized by extreme robustness in the application and can also be optimized in terms of flow technology as well as their size and thus the filtration capacity for their intended use.
- additive manufacturing offers great freedom of design.
- the elements to be manufactured are built up in layers.
- the additive manufacturing processes known to date are particularly suitable for use in the construction of membrane modules insufficient in various respects and are only ready for use with the present invention.
- Additive manufacturing also allows, for example, the production of geometries that are not possible with previously known processes for membrane or membrane module production.
- three-dimensional geometries should be emphasized that are prepared in such a way that a damping or force-absorbing shape can be kept ready.
- the membrane module or modules are therefore preferably designed to be stress-tolerant, in particular longitudinal stress-tolerant.
- the stress-tolerant construction of the membrane modules can be achieved by a three-dimensional geometry of the membrane tubes of the membrane module, i.e. a stress-tolerant shape of the membrane tubes.
- the membrane module(s) can be provided in a stress-tolerant manner in that an inherent spring action of the membrane module(s) is present or can be utilized, so that compression of the individual membrane tubes causes the membrane tubes to yield.
- the deflection of the membrane tube can be caused by twisting, arching or the like.
- the stress-tolerant design of the membrane tubes or membrane modules can also include a transverse stress-tolerant provision.
- Membrane modules are also occasionally exposed to transverse stresses, for example if they are not inserted precisely into the respective holder and the membrane module compensates for the imprecise installation by twisting. This twisting can be transferred to the membrane tubes inside the membrane module.
- porous material systems for additive manufacturing described in the present invention also allows, for example, the reproducible production of porous components with an average pore size of down to less than 1 m, which has hitherto not been solved represents a challenge.
- Previous attempts in this regard required an immense amount of time for a single filter due to the required high resolution, which is unacceptably long for series production.
- the relationship between the achievable component size and the resolution of the component structure was an obstacle to the effect that such filters could not be produced in technically relevant sizes. Precisely this problem is solved particularly elegantly by the approach shown in the present description.
- the geometric resolution that can be provided by an application device particularly preferably no longer represents an obstacle with regard to the achievable pore size.
- the geometric resolution of the application device is then only for the general shape of the component or the membrane filter relevant, but not for the specific pore size of the membrane filter.
- the method according to the invention for producing a component with an at least partially or at least regionally porous material structure, in particular as a filter element or filter device comprises a number of steps.
- the step of providing a porous or porous starting material the starting material for the application is provided.
- the starting material is provided using an extruder.
- the starting material is already porous or it is provided in a porous form. This means that the starting material is initially not porous when it is provided, but is influenced, changed or composed differently in connection with the application of the starting material in such a way that the starting material can be interspersed with pores in the temporal connection with the application of the starting material.
- the provision of the porous or porous starting material means the transfer of a primary material to the component being produced.
- the provision can also include conveying the porous or porous starting material to the site where the material is applied.
- the provision can also include the thermal adaptation to desired application conditions, as well as the setting of an advantageous physical pressure at the moment of application of the starting material for the production of the component.
- providing comprises conveying and pressing in the extruder screw, with the porous or porous starting material finally being provided at the outlet of the extruder.
- the method according to the invention also includes the application of the porous or porous starting material for the construction of the component. During application, the method also includes adjusting the porosity of the porous or porous starting material.
- the porosity is adjusted at the location of the material application.
- this setting takes place immediately before, during or immediately after the specific application of material.
- machine parameters of an application machine can be changed, such as an extruder, or a mixing ratio of the starting material can be changed, or process parameters can be set during the solidification of the starting material in order to set the porosity at the point where the material is applied.
- the decisive factor here is that the material permeability is set intrinsically in the material in order to provide a corresponding filter performance.
- a little or no porous material can be provided in this way in order to build up parts of the housing of the component therefrom.
- a porous material structure can be created elsewhere on the component using the same starting material but different physical parameters or different composition or different additives.
- the various component areas, such as the housing and porous material structure in the aforementioned example, are constructed monolithically, ie in one piece with one another. It is therefore characteristic that there are no conventional component-to-component transitions, but rather areas of the component with different porosity can be built up, with all areas being produced together in one piece and typically bonded to one another, i.e. fused, baked, sintered or glued, for example are. The process is continued until the component is manufactured as a whole.
- the method is continued without interruption or without a break, so that the additive manufacturing method is carried out in one piece.
- an advantageous application temperature can be kept constant or maintained in a material application zone, so that there is a continuous application of material for the production of the ok
- the additive manufacturing method for producing a component can comprise the application of the porous or porous starting material pointwise, linearly or in layers of the porous or porous starting material.
- the starting material is preferably applied point by point, i.e. in particular point by point in a point target matrix, with the material being applied successively.
- the material application can nevertheless be continuous or quasi-continuous, e.g. "caterpillar-shaped", and a point-target matrix can still be approached point by point, which can be described as a quasi-continuous material application.
- the application of material can also advantageously take place in a layer target matrix. In this way, a number of points to be approached can be combined in such a layer.
- Layers of the layer target matrix are arranged one above the other, for example, at a further, for example, equidistant distance from one another.
- the application of material can also be prepared in layers and an entire layer can be connected or crosslinked as a unit, for example if the starting material is in powder form, layer by layer can first be deposited and one layer as Whole are prepared, so for example heated with a radiation source and integrally connected to each other.
- Layers as well as points can also be provided in other coordinate systems, such as cylindrical coordinates, for example if a tubular structure is to be produced as a component.
- the point-target matrix is understood as the best possible resolution or subdivision of the component to be produced in spatial coordinates, since this describes the smallest possible subdivision of the component to be produced.
- the point distance from one point to the next neighboring point does not have to be identical; Rather, it can be advantageous to vary the point spacing, to vary it within one direction depending on the application and/or to express it differently in different directions of the coordinate system. For example, an area of particularly complex geometry can be provided with a narrower grid of points, whereas simple structures can be described with fewer points.
- the layer target matrix typically includes target points in each application layer, into which the component to be produced and, if appropriate, intermediate spaces or cavities of the component to be produced are subdivided.
- Point-by-point application can include moving to a point of the point-target matrix to be approached, to which point the porous or porous starting material is to be applied. From a technical point of view, various configurations can be implemented here for approaching a point to be approached. In principle, approaching a point to be approached means that the starting material is provided in such a form and manner that it is available at the corresponding point in the point-target matrix. The approach can thus take place by means of an application tool.
- Such an application tool can be the extruder already mentioned, in which case the application tool can be moved in a three-dimensional manner to the point of the point-target matrix to be applied, or a component carrier is designed to be adjustable in such a way that a movable system of the point-target matrix is created, whereby the point-target matrix is shifted in front of the application tool and the point of the point-target matrix to be applied comes to rest on the application tool.
- An application tool is preferably used when the starting material is in a liquid, pasty or solid form.
- the point of the point target matrix to be approached can also include directing a heat generator, such as in particular a laser or a radiation source, at the point of the point target matrix to be approached be understood in order to bring the powdery starting material deposited there at least into a kind of pre-melt at the point of the point-target matrix, so that it connects to the surrounding component or the surrounding starting material, possibly as a preparation for a later sintering of the component as a whole.
- the starting material in powder form can be an inorganic, ie for example ceramic and/or metallic, filled polymer powder.
- targeting a target point of the point-target matrix means changing, preparing, or positioning the target point of the point-target matrix so that the starting material at the target point can be integrally bonded to the monolithic component.
- the porous or porous starting material is preferably set, specifically at the point of the point-target matrix to be approached.
- the setting of the porous and/or porous starting material can also take different forms. Adjusting the porous or porous starting material means, for example, adjusting a mixing ratio in the starting material if, for example, a filler is provided in a variable mixing ratio, the mixing ratio of the filler defining the porosity of the starting material.
- Setting the starting material at the point to be approached in the point-target matrix can also implement the setting of the radiation source or the source for thermal treatment of the starting material at the point to be approached. For example, the intensity of a laser to be used can be adjusted in such a way that a higher intensity produces a different porosity than a lower intensity.
- the additive manufacturing method for producing a component can also include the step of approaching at least one first point of the point-target matrix and setting the porous or porous starting material at the at least one first point in such a way that a porous material structure is formed at the at least one first point .
- the starting material is adjusted at the at least one first point, for example at a plurality of points that form a common area in the component, such that a porosity in the component can be adjusted in an additive manner.
- a porous material structure is built up successively by approaching the point or points of the point-target matrix.
- the method can also include the step of approaching at least one second point of the point-target matrix and adjusting the porous or porous starting material at the at least one second point in such a way that an impermeable material structure is formed at the second point.
- the starting material is adjusted at this second point or at these second points, which form a region in the component, for example, such that the resulting structure has an impermeable structure.
- a structure is impermeable, for example, which has comparatively few pores or no pores at all, or which is constructed with closed pores, so that no fluid exchange and/or mass exchange between fluids is ensured.
- An impermeable structure within the meaning of the invention therefore preferably prevents a fluid from flowing through the impermeable material structure, but on the other hand also prevents in particular the exchange of substances from a first fluid on a first side of the impermeable material structure to a second fluid on a second side of the impermeable material structure.
- An exemplary structure that can be advantageously constructed with an impermeable material structure is a casing around the component for protection of the same, as well as for the purpose of keeping an enveloping fluid in the component in particular and at the same time providing an enveloping side for the enveloping fluid.
- the points of the point target matrix can be arranged in storage layers.
- the point-target matrix can be approached in layers, so that first the points of a first storage layer are approached, it not having to be possible to approach all points of the first storage layer. Subsequently, ie after moving to the first deposit layer, points of a second deposit layer are then approached, it again not being necessary for all points of the second deposit layer to be approached will; Rather, it is intended to provide cavities in a continuous form in the component.
- the application step can include the application of the porous or porous starting material in such a way that at least one storage layer has areas with an impermeable material structure.
- the application can also be designed in such a way that at least one storage layer has areas with a porous material structure.
- the application can also be designed in such a way that at least one storage layer has both an impermeable material structure and a porous material structure, which is applied with the same porous or porous starting material.
- both an impermeable material structure and a porous material structure can be built up in a storage layer using the present method.
- the basic idea of the present invention remains that all areas are monolithic, d. H. are integrally connected. Within the scope of this invention, it was possible to realize that areas with an impermeable material structure are constructed in one piece together with areas with a porous material structure. This can be achieved by adjusting the starting material at the point to be approached.
- the application of the porous or porous starting material can be carried out in such a way that the partly or regionally porous material structure of the component is arranged or built up chaotically.
- the porous material structure has a chaotic arrangement or a chaotic structure.
- chaotic means that the specific microporous structure that is achieved with the application of the porous or porous starting material is not so exactly reproducible in its specific microporous design, that a component meets a second component at a specific point of the point target Matrix equals. Rather, the idea of the present invention is, at least in one aspect, that the specific pore structure is not defined exactly in the micrometer range, but is only adjusted with regard to the effect.
- an achievable pore size can be set when the material is applied, but not the exact arrangement and structure of the pores achieved. In terms of technical effect, this is neither a difference nor a disadvantage.
- the aspect has the advantage that an exact modeling of each individual pore can be dispensed with and only a desired porosity is adjusted.
- the specific arrangement of the pores in relation to one another is not important here.
- the porosity created and provided in this way can therefore be used as intrinsic porosity can be described.
- the inventors have recognized that it is sufficient and particularly advantageous to provide such an intrinsic porosity, since this allows components to be produced considerably more quickly and at the same time more cost-effectively than with known methods.
- the idea of adjusting the porosity of the starting material - in contrast to modeling each individual pore - can also be used with wet-precipitated flat membranes or capillary membranes made of polymers (NIPS). This can also be used in such a method, for example for polymer membranes that are produced by means of thermally induced phase inversion or phase separation (TiPS).
- the partially or regionally porous material structure of the component can result from the application of the starting material in or on the component and can have a non-repetitive structure, i.e. a “chaotic” or “non-deterministic” structure or arrangement.
- a non-repetitive structure i.e. a “chaotic” or “non-deterministic” structure or arrangement.
- the structure or construction of the porous material structure cannot be repeated in such a way that an exactly identical pore arrangement could be achieved by repeating the component production. Rather, a second component will have a comparable porosity with regard to a comparison to the first component at a specific point of the point target matrix, the porosity being set or adjustable in the method according to the invention, but not the exact pore distribution and arrangement in the component.
- the starting material can therefore preferably be made or prepared to be intrinsically porous. In other words, it is particularly advantageous not to precisely adjust the position of each pore with the method according to the invention or with the application machine according to the invention, but rather the
- the porous material structure preferably has an open porosity.
- the impermeable material structure can have closed porosity or no porosity at all, in any case no open porosity.
- the porous material structure can be characterized in that it is at least partially permeable to the fluid or at least to components of the fluid.
- the porous material structure can be characterized in that there is less resistance to the flow or penetration of a fluid through the porous material structure than in the impermeable material structure. It can prove to be advantageous if the pores are at least partially connected to one another, so that a fluid can flow from one pore to the next and a flow can take place overall through the porous Material structure can form.
- the open porosity therefore preferably means that a pore is typically in fluid communication with at least two other pores when a fluid flows through the porous material structure.
- the liquid can be made to flow by conveying the liquid through the component with the application of a pressure gradient, for example generated by gravity and without an external pump device, or also by the action of a pump device.
- the porous material structure can have an open microporous or mesoporous structure.
- the average pore size can be less than 40 ⁇ m, preferably less than 5 ⁇ m and more preferably even less than 1 ⁇ m. Such mean pore sizes have not been achieved with comparable processes to date.
- the porous material structure preferably has an average volume porosity of 20% or greater, preferably 35% or greater. Depending on the manufacturing process, the average volume porosity can even reach 50% or more.
- the impermeable material structure can have a higher density than the porous material structure.
- the ratio of the density of the impermeable material structure to that of the porous material structure is in particular 1.2: 1, preferably 1.5: 1 and even more preferably 2: 1.
- the material structure is denser in impermeable areas than in Areas of porous material structure.
- the ratio of the density of the impermeable material structure to the porous material structure can also be specified in intervals, for example in an interval between 1.2:1 to 1.5:1 and preferably in the interval from 1.5:1 to 2:1 .
- the step of adjusting the porosity of the porous or porous starting material can include, for example, adding additives or fillers to the starting material to adjust the porosity at the moment the material is applied. In particular, this is carried out at the point of the point-target matrix to be approached in each case.
- the adjustment can also include the adjustment of hardening parameters for the respective point of the point-target matrix to be approached.
- the adjusting step can also include the selection of a starting material to be used from a plurality of at least two starting materials, wherein the at least two starting materials can be supplied alternately or simultaneously.
- this can be configured so that the at least two Starting materials are provided at the point of the point-target matrix to be approached in each case for the production of the monolithic component.
- the adjusting step can also include providing a location-dependent radiation intensity with a radiation source that is directed at the material application, i. H. i.e. in particular to the point of the point target matrix to be approached.
- the adjustment step can include the location-dependent adjustment of the light absorption capacity of the porous or porous starting material, so that the component construction can be carried out in particular by means of a location-independent radiation source.
- Polymeric or inorganic nanoparticles can be used as an additive. Particles with an average diameter of typically 100 nm or less are referred to as nanoparticles. For example, the nanoparticles can have an average diameter of 900 nm or less, 500 nm or less, 100 nm or less or 50 nm or less.
- An inorganic or organic filler can be used as the filler.
- the pores of the porous or porous starting material can during material application, i. H. ie in particular at the specific point in time and the specific location of the point of the point target matrix to be approached, are designed or prepared in such a way that they form a coherent porous material structure in the component.
- the pores can also be provided to have a rounded or potato-shaped single structure.
- the porous material structure of the component can be constructed and/or arranged in such a way that it is suitable for separating an envelope side from a carrier side in a permeable manner.
- the component is prepared in such a way that the porous material structure forms an envelope side on its first side and a carrier side on its second side.
- the porous material structure can be referred to as a membrane, with the membrane having two flat sides and the first flat side being swept by an enveloping fluid, with the second flat side being swept by a carrier fluid.
- a monolithic component is also described within the scope of the invention, in particular as a device for separating components from a fluid, further in particular produced by the method as described above.
- the monolithic component comprises a first and a second end face opposite the first end face.
- a porous structure is arranged between the first and the second end face, which with the End faces is constructed in one piece and connected. In any case, the porous structure is designed to be permeable in some areas or at least in part.
- the porous structure is also prepared and arranged in such a way that an envelope side can be separated from a carrier side at least partially and/or at least in regions in a permeable manner.
- a carrier fluid can be provided on the carrier side.
- the porous structure is designed to ensure mass transfer of the carrier fluid with the shell side.
- a mass transfer means in particular a transfer from the carrier fluid into an enveloping fluid and/or from an enveloping fluid into the carrier fluid.
- the monolithic component can be designed as a membrane element for a filter device or as a filter device as a whole.
- the filter device is then constructed monolithically with the porous structure as a membrane element.
- the monolithic component can further comprise a housing monolithically formed with the porous structure and the first and second faces.
- the porous structure is preferably surrounded by the housing together with the first and second end faces.
- An enveloping fluid can preferably be provided on the enveloping side of the monolithic component, so that both the carrier fluid and the enveloping fluid can flow in or through the monolithic component.
- the carrier fluid is then separated from the sheath fluid by means of the porous structure.
- the monolithic component can also be provided in such a way that the porous structure is designed to be semipermeable or selectively permeable.
- the monolithic component can be prepared in such a way that it is set up for substances and/or particles with a size smaller than 10 ⁇ m, preferably smaller than 2 ⁇ m and more preferably smaller than 0.5 ⁇ m, for which the porous structure permeable, semi-permeable or selectively permeable.
- the monolithic component can be prepared for receiving and discharging the carrier fluid on the carrier side and a sheath fluid on the sheath side.
- the carrier fluid as well as the sheath fluid can then flow through the monolithic component to provide a carrier flow and a sheath flow in the monolithic component.
- the porous structure of the monolithic component can include filter capillaries, in particular membrane capillaries.
- the first end face of the monolithic component can be designed in the form of a plate.
- the porous structure is formed in one piece on the first end face, ie in particular formed integrally together with the first end face.
- the porous structure is then monolithic, ie formed integrally with the first end face.
- the first end face and the porous structure consist of the same material.
- the second end face can also be designed in the form of a plate.
- the porous structure can be formed in one piece on the second end face, in particular formed integrally with the second end face.
- the porous structure may comprise a plurality of elongate membrane tubes or filter capillaries.
- the membrane tubes or filter capillaries connect the first end face of the monolithic component to the second end face in one piece and preferably integrally.
- the membrane tubes or filter capillaries preferably have an inside.
- the inside of the membrane tubes or filter capillaries form the carrier side.
- the carrier fluid can therefore flow along the inside.
- Membrane tubes or filter capillaries are particularly preferably tubular, so that the carrier side is formed in the tubular structure and the carrier fluid flows there.
- the membrane tubes or filter capillaries preferably form the shell side on their outsides.
- the sheath fluid can therefore flow along the outside.
- the membrane tubes or filter capillaries typically have a tubular or tubular design.
- the diameter of the tubular or tubular configuration can vary along the length.
- the membrane tubes or filter capillaries are preferably essentially straight and tubular.
- the membrane tubes or filter capillaries are designed to be stress-tolerant, in particular longitudinal stress-tolerant, but also transverse stress-tolerant. If the first end and the second end are arranged parallel to one another, a longitudinal tension may imply a force application to the membrane tubes or filter capillaries, in which the end faces remain arranged parallel to one another, but possibly are shifted parallel; A longitudinal stress that increases beyond a certain point can therefore result in a evasive movement of the end faces towards one another. In this case, the membrane tubes or filter capillaries are subjected to a force along their main extension direction, that is to say they are typically compressed, but also lengthened. The membrane tubes or filter capillaries can break.
- a transverse stress can imply that a force is applied to the membrane tubes or filter capillaries, in which case the end faces are tilted relative to one another, ie a force is applied perpendicularly to the main direction of extension of the membrane tubes or filter capillaries.
- the membrane tubes or filter capillaries are designed to be stress-tolerant, they can be subjected to a higher degree of longitudinal stress and/or transverse stress than a comparable straight membrane tube or filter capillary.
- the geometry of the membrane tubes or filter capillaries is constructed in such a way that a higher longitudinal stress or transverse stress can be absorbed without the membrane tubes or filter capillaries breaking.
- An embodiment of a membrane tube or a filter capillary that is designed to be stress-tolerant is a spring-like compressible membrane tube or
- the membrane tube or the filter capillary can be compressed by 1 mm or more without being damaged or destroyed, preferably by 2 mm or more, more preferably by 5 mm or more, even more preferably by 10 mm or more, finally preferred by 20 mm or more.
- the change in length tolerance - i.e. the change in length that results when voltage is applied due to the voltage tolerance of the membrane tube or the filter capillary - 0.1% of the original length or more, preferably 0.2% or more, more preferably 0.5% or more, even more preferably 1% or more, and finally 2% or more of the original length of the membrane tube or the filter capillary.
- Stress-tolerant can also be understood as elastic, stress-distributing or stress-reducing, because stress peaks in inelastic areas are distributed over a larger component area, but may even be reduced overall if the component allows deformation as a result. It is particularly preferred that the membrane tubes or filter capillaries are designed to dissipate stress, because if the membrane tubes or filter capillaries can yield under the application of force, e.g. compress like a spring, and at the same time the component housing is designed to be sufficiently rigid, then the applied stress, e.g. the compressive stress, can be derived from the component housing and be accommodated by it.
- force e.g. compress like a spring
- the membrane tubes or filter capillaries can extend helically or helically, in particular as a double helix or triple helix, in which two or three membrane tubes or filter capillaries run around one another.
- a helical or helical extension of the membrane tubes or filter capillaries has several advantages. This intensifies the mass transfer on the inside of the membrane tube or the filter capillary; also the resistance to external mechanical influences, such as a shock or torsion of the component is improved. This represents a suitable design for equipping the membrane tubes or filter capillaries to be stress-tolerant, as described above.
- the membrane tubes or filter capillaries preferably each have a first or second opening through which a fluid can flow.
- the mouth is preferably designed integrally with the first or second end face. In other words, the first or second end face merges in one piece from a flat extension into the mouth.
- the orifice can have a flow-guiding surface configuration.
- the flow-guiding surface design reduces flow resistances for a fluid flowing through, for example by avoiding or reducing turbulence and/or pressure fluctuations in the course of the flow.
- Such a flow-guiding surface design of the orifice can have, for example, a conical, cone-shaped, parabolic or torus-shaped inner surface design.
- the flow-guiding surface configuration is in particular arranged or constructed concentrically around the mouth and embedded in one piece in the first or second end face. In other words, the mouth merges into the first or second end face in one piece.
- the monolithic component can further include a first carrier fluid collection port formed monolithically with the first end face and the porous structure.
- the first carrier fluid collection port is in particular an inlet for the carrier fluid.
- the monolithic component can also comprise a second carrier fluid collection connection which is constructed monolithically with the second end face and the porous structure, ie in particular an outlet.
- the monolithic component can comprise a sheath fluid connection formed monolithically with the porous structure.
- the enveloping fluid connection can also be formed monolithically together with the porous structure via the first or second end face.
- the porous structure can have at least one connection, cross-connection or stiffening made monolithically with the porous structure in order to increase the mechanical stability of the porous structure.
- connection, cross-connection or stiffener may directly integrally connect the porous structure to the housing.
- connection, cross-connection or reinforcement can be arranged in such a way that it directly and immediately connects the porous structure to the housing, ie the latter is arranged between the porous structure and the housing.
- the connection, cross-connection or stiffener can also connect porous structures to each other, for example when a plurality of porous structures together define a filter element.
- the porous structure can have at least one turbulator for mixing the carrier fluid and/or for mixing the enveloping fluid.
- a turbulator can provide turbulence in the corresponding fluid, so that there is improved mixing and thus an improved mass transfer between the enveloping fluid and the carrier fluid.
- the porous structure can provide a flow cross section that is variable over the length for the carrier fluid and/or the sheath fluid.
- the porous structure has a higher or lower porosity and/or pore size distribution in some areas or in parts.
- the porous structure can have impermeable areas, permeable areas and other areas that have a different porosity compared to both the impermeable areas and the permeable areas.
- Such a further different range of porosity can be materialized in such a way that, for example, a type of coating is applied to the inner surface inside the membrane capillaries.
- the coating can be applied monolithically from the same starting material.
- the first and/or the second end face has an integral fluid barrier or is designed as an integral fluid barrier, with the fluid barrier separating the flow of the carrier fluid from the enveloping flow.
- the use of potting compound is completely avoided here, so that the associated disadvantages are eliminated.
- the monolithic component is preferably made up entirely of the porous or porous starting material.
- the porous or porous starting material preferably has inorganic, ie, for example metallic and/or ceramic, components.
- inorganic components can be provided in particular as an inorganic paste, for example a ceramic paste.
- the starting material can also have polymers, in particular provided as a polymer powder, including, for example, polypropylene or polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyether sulfone (PES), polysulfone (PSU), polyamide (PA), polyacrylonitrile (PAN), peloyether ether ketone (PEEK), polyethylene terephthalate (PET) or the like.
- PVDF polypropylene or polyvinylidene fluoride
- PES polyether sulfone
- PSU polysulfone
- PA polyamide
- PAN polyacrylonitrile
- PEEK peloyether ether ketone
- PET polyethylene terephthalate
- the starting material can thus comprise, in the form of polymers, at least one of polyolefins, for example polypropylene, polyamides, polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyether sulfone (PES).
- the starting material can also comprise a polymer-solvent mixture, for example in melted form.
- the porous or porous starting material can also be provided as a polymer solution with inorganic fillers, in particular ceramic, metallic and/or polymeric fillers.
- the starting material can comprise ceramic, metallic and/or polymeric components, optionally in a mixing ratio to one another.
- the invention also includes a monolithic component which is produced using a method as described above.
- the invention also describes a monolithic filter module for a device for separating components from a fluid.
- the filter module of monolithic construction comprises a first end face and a second end face lying opposite the first.
- the filter module also includes a filter housing, in particular an elongate or tubular one, formed in one piece with the first and second end faces.
- the filter module also has a porous structure which is arranged in the filter housing and is constructed and connected in one piece to the end faces and the filter housing. In any case, the porous structure is designed to be permeable in part or in certain areas.
- the filter module also has at least one carrier fluid collection port and at least one sheath fluid port.
- the first end face and the second end face of the filter module are each designed as an integral fluid barrier to prevent a cross flow between the carrier fluid collection port and the sheath fluid collection port.
- the porous structure is prepared and arranged in such a way that an envelope side is separated from a carrier side in an at least partially and/or at least regionally permeable manner.
- a carrier fluid can be provided on the carrier side.
- the porous structure is prepared in such a way that mass transfer of the carrier fluid with the shell side is ensured.
- FIG. 8 shows a perspective representation of a monolithic component with membrane tubes arranged to form triple helixes
- Fig. 12a - 12e monolithic component with internals or internal structures (static mixer)
- FIG. 14 - 16 representation of different heaps that can be achieved with the method according to the invention
- Fig. 17 example scheme for different process sequences for the production of a monolithic filter module
- a first embodiment of a monolithic component 50 which has a first end face 2 and a second end face 2a and a bundle of membrane tubes 1.
- FIG. The two end faces 2, 2a are constructed in one piece with the membrane tubes 1 and are directly connected.
- the membrane tubes 1 and end plates 2 are successively manufactured in one process step. A subsequent connection by joining, welding, gluing, clamping or the like is in particular not required or not produced.
- the end plates 2 and membrane tubes 1 are made of the same, similar, but at least compatible material, so that the end plates 2 and membrane tubes 1 can be built in one piece.
- the membrane tubes 1 have membrane inlets 3, which merge into the respective end face 2, 2a.
- the membrane inlets 3 are therefore at the same time part of the respective membrane tube 1 as well as part of the respective end face 2, 2a.
- the membrane inlets 3 therefore also represent the respective connection point between the membrane tube 1 and the end plate 2, 2a, so that mechanical forces can possibly also act on the membrane inlet.
- the membrane inlet 3 can therefore also be optimized in terms of mechanical resistance in order to reduce the tendency to fracture in the area of the transition from the end face 2, 2a to the respective membrane tube 1.
- the membrane tubes 1 together form the membrane or the membrane filter 60a.
- FIG. 1a shows a detail of the end face 2a, as shown in FIG.
- the diaphragm inlets 3 are rounded in a hydraulically favorable manner with a rounded funnel area 4a.
- the rounded transitions 4a from the membrane tubes 1 to the end faces 2, 2a also ensure a mechanically favorable coupling of the membrane tubes 1 to the respective end plate 2, 2a.
- FIG. 2 shows a cross-sectional view of a longitudinal section through the monolithic component 50 along the line marked A-A in FIG. 2b.
- Fig. 2b shows a plan view of the end face 2 of the monolithic component 50.
- FIG Connection collar 58 shows three cut membrane tubes 1 in FIG Connection collar 58, for example in order to couple the monolithic component 50 to another connection piece (not shown).
- FIG. 2a shows the detail "B" from FIG. 2, the membrane inlets 3 of the end face 2 being shown more clearly.
- the shell side 10 is located between each membrane tube 1 and the next membrane tube 1.
- the membrane inlets 3 are rounded in order to improve the mechanical load-bearing capacity as well as the flow profile at this point.
- a monolithic component 50 is shown with an inlet 7 and an outlet 7a on the respective end face 2, 2a of the monolithic component 50.
- the membrane tubes 1 extend from the end face 2 to the end face 2a and connect the two end faces 2 , 2a integral with each other.
- the monolithic component also has an outer side 5 in the form of a housing 5, which also closes the shell side 10 off from the environment, in particular in a fluid-tight manner, apart from the connections provided for the shell fluid inlet and shell fluid outlet 8, 8a.
- FIG. 3b depicts a top view of the filter 50 shown with FIG. 3, with the line A-A depicting the sectional plane in which FIG. 3 is shown as a sectional view.
- a sheath fluid collection port 56 is arranged on one side of the monolithic component 50 as an inlet or outlet for the sheath fluid.
- the sheath fluid collection connection 56 can be designed as a flange, so that a connection line for the sheath fluid can be connected there, for example by means of a screw connection.
- a carrier fluid collection connection 52 which can also be designed as a flange for the screw-type or clamped connection of a connection line for the carrier fluid, is arranged on one longitudinal side, specifically on the inlet 7 in particular.
- FIG. 3a shows the detail "B" of FIG. 3, the structure of the inlet 7 being further clarified.
- the inlet 7 forms a carrier fluid chamber 54 in which the carrier fluid is supplied to the individual membrane tubes 1 communicating with the carrier fluid chamber 54 or is discharged from the membrane tubes 1 .
- the inlet 7 is formed in one piece with the end face 2 and in one piece with the housing 5 and the membrane tubes 1 .
- the membrane tubes 1 are formed in that the side walls 9 of the membrane tubes emerge in one piece from the end face 2 and are lengthened to form a tubular structure.
- the carrier fluid can flow inside the membrane tube 1, ie on the inside of the side surface 9 of the membrane tube, in order to get from one end face 2 to the opposite end face 2a.
- the carrier fluid flows typically from the end face 2 to the end face 2a (or in the opposite direction), with direct fluid-dynamic communication between the carrier side and the envelope side not occurring or being prevented as far as possible.
- the side surface 9 of the membrane tube provides a porous surface in order to ensure a mass transfer between the enveloping fluid on the enveloping side 10 and the carrier fluid in the membrane tube 1 .
- the side walls 9 of the membrane tubes 1 therefore form the porous structure 60, which is designed to be permeable, semi-permeable or selectively permeable.
- the transitions 6, 6a between the housing 5 and the membrane end plates 2, 2a are also rounded.
- End plates 2, 2a and housing 5 are in particular made of the same, but at least compatible, material in order to ensure the monolithic construction of component 50.
- the fluid to be separated or the carrier fluid reaches the housing 5 via the inlet 7 , more precisely the membrane tubes 1 there. It enters the respective membrane tube 1 via the membrane inlet 3, flows through the membrane tubes 1 from their first side to their second side and at the other end of the housing the fluid exits again at the opposite end face 2a.
- the filtrate penetrates through the walls 9 of the membrane tubes 1, i. H. through the porous structure 60, possibly collects in the filtrate chamber 10 and can leave the housing via one of the filtrate connections 8.
- a membrane tube bundle 1a according to FIG. 1 can also be designed as a porous structure 60 as an insert for a separate housing 62, as is shown, for example, with FIGS. 4 to 5 is further specified.
- a groove 11 for a possible seal can be provided on the end faces 2, 2a.
- the membrane tube bundle 1a from the plurality of membrane tubes 1 is in any case formed in one piece with the end plates 2, 2a, so that the separation of the carrier fluid from the enveloping fluid is completely ensured by the monolithic component 50 and here the particularly vulnerable casting compound is already dispensed with can be. This already represents a significant further development compared to the well-known dialysis filters.
- FIG. 4a shows detail “B” from FIG. 4, the structure with the groove 11 in the connecting collar 58 being further illustrated.
- the connection collar 58 is shown rounded with the fillets 4, 4a, as shown in detail with reference to FIG.
- FIG. 4b shows the top view of the second end face 2a, with the line AA showing the sectional plane for FIG.
- FIG. 5 a further embodiment of the monolithic component 50 is shown, which has the two end faces 2, 2a formed in one piece with the porous structure 60.
- FIG. An inlet piece 13 and an outlet piece 13a are flanged on by means of a clamping ring 15.
- the housing 62 is designed as a separate component which is slipped over the porous structure 60 in a tubular manner.
- FIG. 5b shows a top view of the end face 2a, with the section line A-A clarifying the section plane of FIG.
- the carrier fluid collection connection 52 is arranged concentrically in order to enable a supply line to the porous structure 60 and thus to the filter element, consisting of the membrane tubes 1 .
- FIG. 5a shows the detail "B" from FIG. 5, with an exemplary structure for connecting the monolithic component to the inlet piece 13 being shown.
- the separate housing 62 is placed sealingly against the flat sealing element 14 via the sealing element 12 and is clamped to the inlet piece 13 by means of the clamping ring 15 .
- An overhang 16 of the inlet piece 13 improves the axial fixation of the membrane tube bundle 1 in the separate housing 62.
- the clamping ring 15 can be subjected to a corresponding contact pressure in order to produce a sealing connection between the separate housing 62 and the inlet piece 13.
- an identical connection is also realized on the second end face 2a.
- one end face 2, 2a could also be designed integrally with an inlet 7 and one side as separate components .
- FIG. 6 another embodiment is shown in perspective, wherein the monolithic component 50 is characterized as having support structures 17 to provide mechanical reinforcement of the monolithic component 50 .
- the connection between the individual membrane tubes 1 and thus the sensitivity to impacts with the risk of membrane rupture can be significantly improved.
- FIG. 6a shows the detail marked “A” in this regard, with webs 17 being shown, which represent a suitable connection in order to improve the mechanical stability mentioned above bring about.
- Such webs 17 or a support structure 17 can also be continued up to the housing 5, see for example Figure 7a.
- FIG. 7 shows a further illustration of a monolithic component 50 with a support structure 17 in a side view, the housing 5 being omitted for reasons of better visibility.
- FIG. 7a shows the sectional plane B-B of FIG. 7, although the housing 5 can be shown here.
- the support structure 17 extends between the individual membrane tubes 1, with 19 membrane tubes 1 being shown in this embodiment, which together form the porous structure 60 or the filter element.
- the support structure 17 is also connected to the repositioning 5 with housing webs 17a in order to further improve the mechanical stability, in particular of the prosize structure 60.
- FIG. 7b shows a further detail of an embodiment of the monolithic component 50 with support structure 17 in a sectional view.
- the 17 membrane tubes 1 also shown in this representation, which together form the membrane filter 60a, are each connected to one another with the adjacent membrane tube 1 by means of the support structure 17 .
- the porous structure comprises curved membrane tubes 1.
- the membrane tubes are helically shaped, specifically divided into triple helixes 1b.
- Helically shaped membrane tubes 1 offer the advantage of better mass transfer on the inside when carrier fluid flows through them.
- the advantage over straight membrane tubes 1 is that helically shaped membrane tubes 1 have elastic resilience under loads in the direction of the main axis of the membrane tube bundle or the triple helix 1b. Such a load can occur during operation when the temperature of the fluid flowing through changes rapidly.
- the membrane tube bundle 1a wants to expand according to the temperature, for example, but is prevented from doing so by the still cold housing 5 (cf., for example, FIG. 3). The same applies to rapid temperature drops.
- the triple helix 1b or, in general, the helical shape acts like a helical spring.
- the shape of the membrane tubes shown thus provides a stress-tolerant design that tolerates longitudinal stresses that build up, in that these are stored like a spring in the triple helix 1b and relieved again after the monolithic component 50 has cooled. It is therefore a stress-tolerant monolithic component 50, in particular longitudinal stress-tolerant, which higher stresses, in particular by Longitudinal stresses caused by temperature differences can absorb before fatigue or even fracture of one or more membrane tubes 1 takes place.
- the helical structure 1b can also be provided to be tolerant of transverse stresses, with the membrane tubes 1 having a higher capacity to absorb transverse stresses before fatigue or fracture occurs. This increases the service life and service life of the monolithic components 50 and further simplifies handling.
- the membrane filter 60 is made up of seven triple helixes 1 b and thus of 21 membrane tubes 1 .
- the membrane tubes open out in one piece on their first side into the first end face 2 and on their second side into the second end face 2a. They have the curves 4, 4a already described to improve the mechanical stability and the flow guidance for the carrier fluid.
- the membrane tubes 1 are designed in such a way that they have an impermeable structure 64 at their front ends and the porous structure 60 only in the central part, which is prepared for the exchange of substances with the enveloping fluid.
- FIGS. 9a, 9b and 9c A further embodiment of a membrane tube 28a is shown in FIGS. 9a, 9b and 9c, which is shaped like a meander or a wavy line.
- the monolithic component 50 in this embodiment is shaped to improve various requirements.
- the wavy membrane tube 28a can, if necessary, bring about a thorough mixing of the carrier fluids flowing inside the tube 28a, so that overall the mass transfer towards the enveloping flow is also improved.
- a direction-variable flow direction is generated, which can bring about the formation of turbulence in the carrier fluid.
- the meandering or wavy membrane tube 28a can be provided in such a way that the curves of the membrane tube 28a alternate with the curves of an adjacently arranged membrane tube 28a, so that overall no increased space requirement arises despite the wavy design of the membrane tube 28a.
- wavy membrane tubes 28a have the same advantages as the helical membrane tube bundle 1b described above, namely mechanically a damping effect or elastic flexibility in the direction of the main axis of extension of the membrane tube 28a.
- this embodiment is also a suitable stress-tolerant design of the monolithic component 50.
- the wavy membrane tube 28a is shown in FIG. 9a in a perspective three-dimensional view, in FIG. 9b in a perspective side view and with FIG. 9c in a side sectional view through the corrugated membrane tube 28a.
- FIG. 10 shows a sectional view through a membrane tube 1 with variable cross-sectional geometry.
- the membrane tube cross section is varied in the flow direction. Due to the variable cross sections in the flow direction, the flow speeds and flow directions also change with the cross sections, which leads to better mixing of the flowing carrier fluid.
- FIG. 10a shows a top view of a correspondingly shaped membrane tube 1 with a variable cross section, with section line BB showing the widest cross-sectional geometry also shown in FIG. 10d, section line C-C showing the narrowest cross-sectional geometry also shown in FIG. 10c.
- FIG. 10b shows a top view of an inlet opening 3 of the membrane tube 1, the plane AA showing the sectional plane of FIG.
- FIG. 10e shows a perspective view of the membrane tube 1 with variable cross-sectional geometry.
- the narrower cross section 20 alternates with the wide cross section 21 in an alternating manner.
- Impermeable material structures 64 are shown at the two ends, and the membrane tube 1 is designed as a porous structure 60 in the middle region.
- Fig. 11a shows a perspective view of another embodiment of a membrane tube with variable cross-sectional geometry 19.
- the narrowest cross-section 20 alternates with the wide cross-section 21
- the ends are designed as an impermeable structure 64
- the porous structure 60 is in the central region for a material exchange or mass exchange of the carrier fluid formed with the sheath fluid.
- the membrane tube segment has a variable elliptical cross-section, the long axis of the elliptical cross-sections being alternately aligned in the starting position according to the section BB shown in FIG. 11d and rotated by 90° thereto, as shown in FIG. 11e.
- a longitudinal section along the section line AA marked in FIG. 11c is reproduced in FIG.
- the changes of Directions of flow and thus, depending on the fluid, also the mixing can be more pronounced here than with the circular cross-sections.
- turbulators 29 it has been shown that an even stronger mixing of the carrier fluid flowing through can also be achieved by suitable turbulators 29 .
- Internals, such as static mixers as turbulators 29, are known as such in process engineering in order to improve the thorough mixing of a flowing fluid.
- Static mixers cannot be fixed well in conventional membrane tubes or can they be fixed at all with third materials and therefore regularly perform movements relative to the membrane surface during operation. The membrane surface is permanently damaged by the resulting friction and it can no longer fulfill its separation task.
- FIG. 12b shows the embodiment of FIG. 12a in a perspective representation.
- Fig. 12c shows a membrane tube 28 with a plurality of turbulators 29 arranged next to one another or one after the other, which are each arranged at an angle to one another, for example offset by 90° to one another, and thus far greater mixing of the carrier fluid and thus better mass transfer with take care of the sheath fluid.
- FIG. 12d shows a top view of an inlet 3 of the porous structure 60 in the form of the membrane tube 28, the line AA illustrating the sectional plane of FIG. 12c.
- Fig. 12e shows a perspective view of the membrane tube 28.
- the aforementioned or other turbulators 29 can also be used monolithically in the other embodiments, for example in the helical membrane tube bundles 1a, 1b, or in the wavy or meandering membrane tubes 28a Intensifying the mixing of the carrier fluid flowing through the membrane tube 1, 28, 28a.
- FIG. 13 a further embodiment of the monolithic component 50 is shown, the membrane tubes 1 having an additional layer 30 on the side surfaces 9, which is either applied monolithically and thus consists of a compatible or identical material to the porous structure 60, or which is applied as a coating 30 after the production of the porous structure. This can involve one or more layers 30 on the inside 9, which have a different porosity and/or pore size distribution.
- FIG. 13a This is shown enlarged in FIG. 13a, with the coating 30 being applied to the inner surfaces 9 of the membrane tubes 1.
- FIG. 13a The coating 30 is also extended to the surface of the end plate 2 in order to further improve the transition from the membrane tube 1 via the inlet 3 to the end plate 2.
- the coating can be produced as a separate track in the layered structure of the filter body during the additive manufacturing process.
- traces for producing the coating 30 can be laid by a separate print head, which deposits, for example, an inorganic mass, for example an unfilled or ceramically or metallically filled polymeric mass, which leads to a finer pore structure than in the base body.
- a separate print head which deposits, for example, an inorganic mass, for example an unfilled or ceramically or metallically filled polymeric mass, which leads to a finer pore structure than in the base body.
- One or more coatings can also be applied subsequently after the base body has been fired and, for example, sintered at a lower temperature, particularly if inorganically filled polymeric masses are used.
- a ceramic coating can be applied to a metallic base body.
- FIG. 13b shows a top view of the end face 2, with the line A-A representing the sectional plane of FIG.
- FIG. 14 an exemplary heap 31 of porous structure 60 achievable with the method of the present invention is illustrated.
- the heap 31 has a plurality of pores 32 .
- the resulting pore structure, as shown in FIG. 14, can be produced, for example, with additive manufacturing using the principle of thermal phase separation.
- At least one polymer is dissolved at an elevated temperature in a solvent which is poorly soluble at room temperature.
- the composition of the solution is chosen - if necessary by adding further additives - so that a phase separation takes place during cooling and the polymer solution is divided into a polymer-rich phase (membrane matrix) and a polymer-poor phase (pores) separates.
- the membrane is shaped by continuous extrusion through an annular die in the case of tubular membranes or through a slit die for flat membranes. The dimensions of the membrane that can be achieved depend on the geometry of the nozzle and can only be varied within narrow limits.
- the membranes are then freed from the auxiliary materials by extraction, then dried and, in further steps, connected to various components to form a filter.
- the aforementioned solution is formed into a membrane using an extrusion printer.
- the TiPS solution or the starting material is fed to the printer nozzle above the demixing temperature and deposited in the form of thin filaments in a desired shape, such as a tubular membrane 1 .
- Phase separation occurs as the TiPS solution cools.
- the phase separation can be additionally influenced (N-TiPs) by providing a non-solvent, such as in particular water vapor or glycerol.
- Sandwich structures with different pore structures can also be built up by depositing TiPS solutions with different compositions.
- a polymer melt can be extruded at the same pressure, which forms a non-permeable layer when it cools down.
- This polymer can be printed into impermeable housing parts of the filter, such as a filtrate collection tube or filtrate discharge tube, an aeration unit or even filter heads with connections.
- nozzles with a mixing function for two or more components can also be used. This results in the possibility of changing the composition during the printing process and thus producing areas of different porosity up to impermeable areas with just one head. This is therefore a mixing head.
- a pore structure resulting from such a method is shown in FIG. 14, the pore structure being essentially determined by the composition of the polymer solution of the starting material 70, 71, 72, 73, 74.
- a solid matrix 31 made of polymer material with ceramic particles optionally enclosed therein is produced by a phase inversion.
- cavities 32 are formed, which are typically connected to one another. The size and number of cavities depends on the composition of the polymer solution (polymer content, possibly with ceramic content or metal content, solvent content and/or additives) and the precipitation conditions or the ambient conditions (temperature, medium, etc.).
- the resulting microporous structure 60 is fundamentally suitable as a filter medium for micro- and ultrafiltration. Defined particles cannot be recognized in the solid matrix.
- the solvent can be removed from the finished filter in a separate step or even when the filter is put into operation and, depending on the composition of the solvent, protect the filter during transport and installation. This also reduces clogging of the filter with foreign matter, such as dust.
- additive manufacturing methods such as 3D printing
- 3D printing are preferred for the structures of the porous structures 60 described here in order to produce material systems with intrinsically porous components.
- An extrusion process can thus be used.
- the resulting pore structure of the porous material 60 does not have to be specified as a predetermined pattern in a control program and the production head therefore does not have to produce the concrete pore structure at the micrometer level.
- the pore structure of the porous material 60 can be produced by the composition of the recipe used, for example in the extraction process, optionally with subsequent steps to solidify the starting material 70, 71, 72, 73, 74, such as the sintering of inorganic, e.g. ceramic, green bodies.
- phase inversion can be controlled by suitable environmental conditions in the installation space for constructing the component 50 .
- the process of phase inversion or crosslinking can be influenced by the atmosphere in the installation space (temperature and humidity) or UV radiation.
- a powder bed is used. Sintering is triggered by infrared sources. With this method, different light absorption rates can be realized depending on the location using suitable inks, which lead to areas of different densities. Additives can be added to these inks for example, polymeric nanoparticles that are embedded during the sintering process and provide additional scope for the design of location-dependent pore structures.
- a location-independent radiation source or energy source can be used in this method for the thermal post-treatment of the starting material 70, 71, 72, 73, 74, with the location-dependent adjustment of the porosity of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 by means of the supply is realized by suitable inks.
- SLS selective laser sintering
- the body can be made porous or impermeable by adjusting the sintering parameters.
- the degree of porosity can also be adjusted.
- Porous and impermeable areas can be produced in a component 50 by setting the sintering parameters as a function of location, which can be possible by means of suitable software adaptations.
- non-porous housings 5 and end plates 2, 2a on the one hand and porous structures 60, such as membrane tubes 1 can be monolithically connected to one another in this way.
- areas of different porosity can even be implemented.
- Membranes 60a can be produced with a porosity gradient towards the membrane surface or layers of different porosity. This variation is only caused by the sintering parameters.
- 3D extrusion can be used as a manufacturing process to produce so-called green bodies or precursors for subsequent sintering in a sintering furnace.
- Another advantage here compared to extruded inorganic filter elements is the lower possible wall thickness. This results in shorter times in the sintering furnace due to the lower heat storage, which has an advantageous effect on the production costs.
- a prerequisite is a multi-head system with an extrusion head for each desired porosity, with which the corresponding inorganic paste, ie metallic or ceramic paste, for example, is deposited at the intended location.
- the setting of the porosity is realized in this example in that the corresponding head of the system deposits a corresponding starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 and this is connected monolithically to the rest of the component 50 .
- FIG. 15 another embodiment of a heap 31a is shown with pores 32a.
- Such a configuration of the pile 31a can be achieved, for example, by means of the production of polymeric membranes in the sintering process, polymeric particles being sintered together by the action of heat.
- the sintering conditions are set in such a way that the polymer particles bond, but still retain their particle shape to a certain extent.
- the resulting pore structure is thus essentially determined by the polymer particles, in particular by their shape and size.
- the polymer particles are connected to one another by the sintering process, cavities 32a being formed between the polymer particles, which are typically connected to one another and form a continuous cavity 32a.
- the size of the cavities depends on the size of the polymer particles.
- the resulting microporous structure is fundamentally suitable as a filter medium for micro and ultra filtration.
- the pore size desired in each case can be set by suitably selecting the particle size, with the particles being larger than the pores.
- a pile 31b is shown which can be achieved with a further manufacturing method, the pile having inorganic particles, for example metallic or ceramic particles, which form cavities 32b between the particles.
- inorganic particles for example metallic or ceramic particles
- a green body can first be produced from an inorganic paste.
- the paste essentially consists of ceramic or metallic particles, organic binders and additives. After the paste has dried or solidified, the green body is obtained, which is formed into a microporous inorganic body 60 in a subsequent firing step, depending on the composition of the paste.
- the resulting pore structure, as shown in FIG. 16, is essentially determined by the inorganic particles.
- the inorganic particles of the heap 31b ie ceramic particles and/or metal particles, for example, are connected to one another by the sintering process, but retain their particle shape to a certain extent.
- the size of the cavities depends on the size and shape of the inorganic particles.
- the organic components of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 decompose at the high firing temperatures.
- the resulting microporous structure is fundamentally suitable as a filter medium for micro and ultra filtration.
- the desired pore size leaves are set by the appropriate choice of particle size, with the particles being larger than the pores.
- the resulting microporous structure possibly with a high inorganic content, e.g. in the form of ceramic particles and/or metal particles, represents the green body for the subsequent firing process, e.g. as part of a manufacturing process according to or analogous to the TiPS process.
- the microporous structure 60 changes only slightly as a result of the firing process and is fundamentally suitable as a filter medium for micro- and ultrafiltration. Defined particles cannot be recognized in the solid matrix or inorganic particles of the heap 31, 31a, 31b that may be recognizable are smaller than the pores that have formed.
- Sintering or baking of the green bodies can be carried out, for example, at 1600° C. or more.
- a degree of filling of the inorganic particles in the heap 31, 31a, 31b in the polymeric phase can be between 50 and 70%. With such mixing ratios, it is advantageous to use dynamic mixers.
- the resulting microporous structure 60 can be used without inorganic fillers, e.g. without ceramic or metallic fillers, without a further firing process. It is advantageous here to remove the washable components to complete the filter.
- the sequence of the method for producing a component 50 is shown in a schematic diagram representation.
- the porous or porous starting material 70, 71, 72, 73, 74 is provided. starting material
- 70, 71, 72, 73, 74 can, for example, but not exclusively, as a powdered starting material
- the starting material 70, 71, 72, 73, 74 is set, adjusted or prepared to be intrinsically porous.
- the starting material 70, 71, 72, 73, 74 can be provided in various ways. For example, providing 100 the starting material 70, 71, 72, 73, 74 includes storing 102 an extruder device with starting material 70, 71, 72, 73, 74.
- the providing step 100 can also include placing or preparing 104 powdery starting material 71, for example by means of a depositing device 80.
- the step of providing 100 can also include the mixing 106 of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 or the heating 108 of the starting material 70, 71, 72, 73, 74.
- the provision 100 therefore includes the possible preparation of the Starting material 70, 71, 72, 73, 74, for example at a specific point, in particular a point of a point matrix of the monolithic component 50 to be produced, for a subsequent application of material.
- providing 100 can also include moving to the point to be approached by means of the application device if the application device has to be moved and/or adjusted accordingly for this purpose.
- the step of providing 100 can also include the preparation of a radiation source for later activation or heating of the point to be approached.
- the porosity of the porous or porous starting material 70, 71, 72, 73, 74 is adjusted 110 for the material application to be carried out.
- the setting can also be done in different ways.
- the admixture 112 of additive or filler to the starting material 70, 71, 72, 73, 74 for adjusting the porosity can be included at the moment the material is applied.
- the adjustment of curing parameters 114 can be included in order to adjust the porosity of the porous or porous starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 in step 110 .
- the adjustment step 110 can also include the selection 116 of a starting material 70, 71, 72, 73, 74 to be used from a plurality of at least two starting materials 70, 71, 72, 73, 74.
- the selection can also lead to a mixture if the starting material 70, 71, 72, 73, 74 comprises two starting materials 70, 71, 72, 73, 74, which can be fed in simultaneously or alternately in order to have a material mix at the point to be approached to generate the point-target matrix.
- a location-dependent radiation intensity can be provided according to step 118 in order to set the porosity of the starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 in step 110 .
- a radiation intensity stored in a table for example, can be retrieved and supplied to the radiation source for output.
- the adjustment step 110 can also include the location-dependent adjustment 119 of the light absorption capacity of the starting material 70, 71, 72, 73, 74.
- This can be the location-dependent supply of ink if, for example, the construction of the component is carried out using a location-independent radiation source.
- the aim of setting step 110 is that the porous or porous starting material 70, 71, 72, 73, 74 is designed or prepared when the material is applied in such a way that it can form a coherent porous material structure in the component, which is preferably at the respective point to be approached the porosity of the point-target matrix can be adjusted in a variable manner in order to construct a porous material structure 60 on the one hand, but also impermeable regions 64 formed monolithically therewith.
- this can be carried out in a common process sequence such that the monolithic component 50 is produced in one piece continuously, preferably without interruption. Depending on the procedure used, this can also be done step by step and with appropriate breaks between the steps if this should be necessary for the procedure.
- the monolithic component 50 that is produced is characterized in that there is a material connection between all of the components of the monolithic component 50 in such a way that the component appears to have grown from one piece, so that the areas that are prepared for a flow passage are already in place during construction or installation the fabrication of the monolithic component 50 so that these areas allow fluid flow; on the other hand, that the impermeable areas, which are intended to prevent a flow of flow, and the housing, are already set to be correspondingly impermeable during the production of the monolithic component.
- the entire monolithic component 50 consists of mutually compatible material or of the same starting material 70, 71, 72, 73, 74, to which different filling materials or additives may be added if necessary.
- the set starting material 70, 71, 72, 73, 74 is applied to the point to be approached in step 120.
- the application can have different characteristics. Depending on the monolithic component 50 to be produced, this can be understood to mean the dispensing of adjusted starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 by means of an application machine according to step 122 .
- Such an application machine is, for example, an extruder. It can also include an additional depositing of powdered starting material 71 according to step 124 at the point to be approached if this cannot be carried out completely with step 104 .
- the application 126 for example the manual application of a paste, can also be included in the application 120 step.
- the application 120 leads to the starting material 70, 71, 72, 73, 74 being applied to the monolithic component 50 in a form that there are areas with an impermeable material structure on the one hand and areas with a porous material structure on the other hand, with the areas with a porous material structure also can be further subdivided into areas with different porosity.
- step 130 the application 120, the setting 110 and any sub-steps thereof are continued until the monolithic component 50 is finally completed. je
- the steps 110, 120 are carried out repetitively, for example for each point of the point-target matrix again, or again for each layer of the layer-target matrix, or the starting material 70, 71, 72, 73, 74 are initially set in step 110, for example for contiguous areas of the monolithic component, and then approached or applied throughout step 120.
- FIGS. 18 to 32 show, by way of example, how some of the method steps described above can be carried out.
- Fig. 18 shows the application 104 of powdered starting material 71 to a partially finished monolithic component 50 by means of a depositing device 80.
- the starting material 70 is deposited in step 104 in such a way that, for example, the powdered starting material 71 is deposited in a matrix plane 90 in a depositing area 92, whereas in an area 94 no starting material 71 is deposited.
- Fig. 19 shows an example of the heating 108 of solid starting material 73 in a heating furnace 81 by means of heat 81a.
- FIG. 20 shows an example of the mixing 112 of starting material 70 with additive 75 and/or filler 76 in a mixing device 82.
- Starting material 70 is supplied to the mixing container 82c in an adjustable feed quantity by means of the quantity controller 82a;
- Additive 75 and/or filler 76 is also supplied to the mixing container 82c in a supply quantity that can be set separately by means of the quantity controller 82b.
- at least one of the quantity regulators 82a, 82b may also be dispensable.
- the mixing device 82 can also have three filling containers if additive 75 or filler 76 is to be provided separately.
- the illustration in FIG. 20 does not differ in the basic form shown if either additive 75 or filler 76 or both are to be mixed together with the starting material 70, so that these variants are combined in one figure 20 to keep things short.
- the quantity controller(s) 82a, 82b allows/allow the setting 110 of the subsequent porosity of the starting material 70 and thus of areas of the monolithic component 50 to be created.
- the mixed starting material 70a is circulated in the mixing container 82c, for example when using liquid starting material 72.
- the mixing container 82c has an output quantity regulator 82e in the outlet, by means of which the quantity to be applied for the application 120 can be adjusted.
- FIG. 20 shows a punctiform application for this purpose 120 of the starting material 70a on the outlined monolithic component 50, the punctiform application 120 being achievable, for example, by opening and closing the output quantity regulator 82e.
- 21 shows a further embodiment of a storage device or application machine 80 for applying starting material 70 to a component carrier 80b or, if the monolithic component 50 has already been partially applied to the component carrier 80b, to the partially finished monolithic component 50.
- a feed 80a for example, a coolant or also a precipitant or a hardener can be supplied during application 110 and thus hardening parameters 114 can be set.
- FIG. 22 Yet another alternative for setting the porous or porous starting material 70 is shown in FIG. 22 with the provision of two storage devices 80, 80'.
- an already preset starting material 70, 71, 72, 73, 74 can be selected in that the material application 110 onto the component carrier 80b or the partially applied monolithic component 50 is carried out with the corresponding depositing device 80, 80'.
- An excitation or activation arrangement 83 has, for example, a radiation source 83a and a deflection or guide device 83b in order to direct radiation 83c onto the target point 50a of the point matrix on the monolithic component 50 or the component carrier 80b.
- the location-dependent setting 119 of the light absorption capacity of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 is based on a mobile or mobile activation device 84.
- the activation device 84 has one or more spray heads 84b.
- an absorption modifier 77 such as an ink
- an absorption modifier 77 can be applied to the prepared starting material 70 by means of the spray head or spray heads 84b, not at every point of the component 50 to be produced, but specifically so that at the points 50a where the absorption modifier 77 is applied is, the porosity of the component 50 can be adjusted differently than at the points 50a where no absorption modifier 77 is applied.
- the activation device 84 can also include one or more radiation source(s) 84a for emitting an activation radiation 84c. The areas previously covered with ink 77 are activated differently compared to the areas not covered with ink 77.
- an area of the component 50 to be produced to which absorption modifier 77 has been applied can absorb more radiant power 84c from the radiation source 84a, thereby merging more densely and have a lower porosity at point 50a compared to other areas of the component 50 to which no absorption modifier has been applied 77 was applied.
- FIG. 25 shows the application 122 of starting material 70, 71, 72, 73, 74 by means of a depositing device 80 onto a component 50 that has already been partially deposited.
- the storage device 80 is designed to be movable horizontally, that is to say at least in two axial directions, so that each point on the component carrier 80b can be approached. Vertical movement, i.e. moving up and down, is also possible. Alternatively or cumulatively, the storage device 80 can be designed to be movable in order to allow movement in all three spatial directions in total, in order to make it possible to approach each point of the point matrix with the storage device 80 .
- Application 122 of starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 is shown “in strands” or “in caterpillar form”.
- annular or snail-shaped application 126 of pasty starting material 74 by means of a depositing device 80 is shown.
- Firing 132 of a green body is shown in FIG.
- the green body is inserted into the heating device 81, ie, for example, into a combustion chamber, and heated by means of a heat source 81a.
- a washing-out step 134 is shown, in which case any auxiliary materials required for the application of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 or for the production of the component 50 are washed out of the component 50, so that these can be removed.
- the component 50 is placed in a bath 85 with rinsing solution 85a and rinsed.
- FIG. 29 shows the removal of any excess powder in step 136 in a rinsing chamber 86, for example by means of compressed air.
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Abstract
Disclosed is an additive manufacturing process for manufacturing a part having an at least partially or at least regionally porous material structure, in particular in the form of a filter element or filter device, the process comprising the steps of providing a starting material that is or can be rendered porous, applying said material that is or can be rendered porous, to form the part, and during the application step, adjusting the porosity of the starting material that is or can be rendered porous.
Description
Monolithisch aufgebaute Membranfilter Monolithic membrane filter
Beschreibung description
Gebiet der Erfindung field of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von monolithischen Bauteilen sowie monolithische Bauteile, insbesondere als Membranfilter. The present invention relates to a method for producing monolithic components and monolithic components, in particular as membrane filters.
Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung Background and general description of the invention
Membranfilter zum Filtern bzw. der Abtrennung von Stoffen aus zumeist flüssigen Gemischen sind als solche bekannt. Bei einem solchen Gemisch kann es sich um ein disperses Medium handeln oder beispielsweise auch um eine Lösung, bei welcher in einem Grundstoff weitere Bestandteile gelöst sind. Membrane filters for filtering or separating substances from mostly liquid mixtures are known as such. Such a mixture can be a disperse medium or, for example, a solution in which further components are dissolved in a base substance.
Membranfilter sind in verschiedenen Anwendungsgebieten im Einsatz z. Bsp. in der Aufbereitung von Wasser und Lebensmitteln, in der Herstellung pharmazeutischer Produkte, in biotechnologischen oder chemischen Prozessen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung kann die Abtrennung von Alkohol aus Bier sein zur Erzeugung alkoholfreien Bieres. Ein besonders schonendes Verfahren ermöglicht bevorzugt die Alkoholentfernung mit minimaler Geschmacksbeeinträchtigung. Eine andere Anwendung kann die Abtrennung von Zellen und Zellbruckstücken von Wirkstofflösungen bei der biotechnologischen Herstellung von Pharmazeutika sein Es wird hier nach wie vor intensiv nach Weiterentwicklungen gesucht, um beispielsweise den Durchsatz an zu filtrierendem Medium zu erhöhen oder aber die Kosten weiter zu senken. Für technische Anlagen sind im Gegensatz zu medizinischen Apparaten sehr viel größere Membranflächen erforderlich. Membrane filters are used in various areas of application, e.g. E.g. in the treatment of water and food, in the manufacture of pharmaceutical products, in biotechnological or chemical processes. An example of such an application can be the separation of alcohol from beer to produce non-alcoholic beer. A particularly gentle process enables preferential alcohol removal with minimal impairment of taste. Another application can be the separation of cells and cell fragments from active ingredient solutions in the biotechnological production of pharmaceuticals. There is still an intensive search for further developments here, for example to increase the throughput of medium to be filtered or to further reduce costs. In contrast to medical apparatus, much larger membrane surfaces are required for technical systems.
Da jeder unterschiedliche Anwendungsbereich unterschiedliche Anforderungen stellt, insbesondere an Material, Design, oder Größe der Filter, und Prozessanforderungen wie Temperatur, Druck, Volumen und Aggressivität der berührenden Medien, oder aber besondere Hygieneanforderungen zu berücksichtigen sind, steht der Markt der Membranfilter derzeit noch in der Entwicklung. Einen universellen Ansatz, der zumindest eine Mehrzahl unterschiedlicher Anwendungsbereiche abzudecken vermag, ist bislang nicht erreicht. Since each different area of application has different requirements, especially in terms of the material, design or size of the filter, and process requirements such as temperature, pressure, volume and aggressiveness of the media in contact, or special hygiene requirements have to be taken into account, the membrane filter market is currently still in its infancy Development. A universal approach that is able to cover at least a number of different areas of application has not yet been achieved.
Darüber hinaus kommt es nicht selten zu Ausfällen von Filtrationsanlagen aufgrund der nur begrenzten mechanischen und/oder chemischen Stabilität von bekannten Modulen.
Beispielsweise halten Module aus polymeren Werkstoffen wie. z. Bsp. PP typischerweise stärkere Belastungen wie Temperaturen von über 60 °C oder höhere Transmembrandrücke (über 3 Bar) nicht oder jedenfalls nicht über längere Zeiträume ohne Beschädigung aus. Für zahlreiche Anwendungsbereiche ist das aber wünschenswert. In addition, it is not uncommon for filtration systems to fail due to the only limited mechanical and/or chemical stability of known modules. For example, hold modules made of polymeric materials such as. e.g. E.g. PP typically does not withstand higher loads such as temperatures of over 60 °C or higher transmembrane pressures (over 3 bar) or at least not over long periods of time without damage. However, this is desirable for numerous areas of application.
Dampfsterilisationen, z.B. durchzuführen bei 121 °C, die v.a. in hygienisch anspruchsvollen Bereichen erforderlich sind, können -wenn überhaupt- nur in geringer Zyklenzahl wiederholt werden. Ebenso begrenzen Reinigungen bei erhöhter Temperatur, hohem und/oder niedrigem pH-Wert oder mit oxidierenden Reinigungsmitteln die Lebenszeit der Module. Keramische Filter hingegen reagieren empfindlich auf Temperaturschocks oder mechanische Einwirkung. Steam sterilization, e.g. carried out at 121 °C, which is required above all in hygienically demanding areas, can only be repeated in a small number of cycles - if at all. Cleaning at elevated temperatures, high and/or low pH values or with oxidizing cleaning agents also limits the service life of the modules. Ceramic filters, on the other hand, react sensitively to temperature shocks or mechanical influences.
Membranfilter werden aufgrund der z.T. automatisierten Herstellverfahren heutzutage als standardisierte Produkte mit vorgegebener Geometrie hergestellt, wobei Anpassungen an besondere Anforderungen aus der Prozessführung wie beispielsweise für hohe Viskositäten und/oder niedrige Druckverluste bei der Durchströmung oder für schwierige Einbauumgebungen praktisch ausgeschlossen sind bzw. nicht vorgesehen sind, da die daraus resultierenden niedrigeren Stückzahlen die Stückkosten in unverkäufliche Regionen treiben würde. Due to the partly automated manufacturing processes, membrane filters are nowadays manufactured as standardized products with a given geometry, whereby adaptations to special requirements from the process control, such as for high viscosities and/or low pressure losses during flow or for difficult installation environments, are practically impossible or not planned. since the resulting lower quantities would drive unit costs into regions that cannot be sold.
Es ist Erkenntnisgrundlage der vorliegenden Erfindung, dass sich die beschriebenen Einschränkungen von aktuell vorhandenen und in der Literatur beschriebenen Filtern ganz Wesentlich aus deren Aufbau ergeben, denn diese werden gefügt aus konfektionierten Bauteilen. It is the knowledge base of the present invention that the described limitations of currently available filters and those described in the literature result very significantly from their structure, because they are assembled from ready-made components.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde in rückschauender Betrachtung auf diese bekannten Filter erkannt, dass es ein Problem ist, wenn Filtermodule typischerweise aus verschiedenen insbesondere verschiedenartigen Komponenten bestehen, die mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt und anschließend reversibel oder irreversibel miteinander verbunden werden. Zu den separaten Komponenten zählen Membranen als Flachware oder Röhren, Komponenten zur Fluid-Zu- und -abführung (z.Bsp. Druckrohre, Anschlussstücke, Permeatrohre, Belüftungsrohre, ...) und Komponenten zur Fluid-Verteilung und Durchmischung (Bsp. Spacer, ATDs,...). So werden bislang Filtermodule eingesetzt, welche insbesondere mit Dichtungsringen oder anderen Abdichtungsmitteln versehen werden und in ein separates Gehäuse mit separaten Anschlüssen eingebaut werden. Die Abdichtung zur Vermeidung von Querströmungen zwischen der Hüllseite und der Lumenseite ist dabei aufwendig und begrenzt in entscheidendem Maße die möglichen Einsatzbereiche für Membranfilter.
Ein Beispiel für bekannte verschweißte Rohrmembranen ist in der Europäischen Offenlegungsschrift EP 88 108 462 A beschrieben. Typisch ist, dass verschiedene Fügeverfahren, wie insbesondere Schweißen oder das Einfüllen von Vergussmasse, notwendig sind, um eine Abdichtung und/oder gezielte Flüssigkeitsführung in dem Filtermodul zu erzielen. Bei einem solchen „modularen Aufbau“ ist zwar grundsätzlich interessant, dass unterschiedliche Materialien passgenau und damit ggf. kostengünstiger eingesetzt werden können und somit entsprechend den Anforderungen gezielt ausgewählt werden können. In the context of the present invention, looking back at these known filters, it was recognized that there is a problem when filter modules typically consist of different, in particular different, components that are produced using different methods and are then reversibly or irreversibly connected to one another. The separate components include membranes as flatware or tubes, components for fluid supply and removal (e.g. pressure pipes, connectors, permeate pipes, aeration pipes, ...) and components for fluid distribution and mixing (e.g. spacers, ATD's,...). So far, filter modules have been used which are provided in particular with sealing rings or other sealing means and are installed in a separate housing with separate connections. The sealing to avoid cross-flows between the envelope side and the lumen side is expensive and limits the possible areas of use for membrane filters to a decisive extent. An example of known welded tubular membranes is described in European published application EP 88 108 462 A. It is typical that various joining methods, such as in particular welding or the filling in of potting compound, are necessary in order to achieve a seal and/or targeted liquid routing in the filter module. With such a "modular structure" it is basically interesting that different materials can be used precisely and therefore possibly more cost-effectively and can therefore be selected in a targeted manner according to the requirements.
Es wurde aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt, dass daran nachteilig sein kann, dass die unterschiedlichen Komponenten beispielsweise unter Belastung, wie zum Beispiel Temperaturwechseln, Druckwechsel oder auch einer Quellung des Materials, sich zueinander unterschiedlich verhalten und dadurch die Leistung des Filters verschlechtern oder versagen. However, it was recognized within the scope of the present invention that it can be disadvantageous that the different components behave differently from one another, for example under stress, such as temperature changes, pressure changes or swelling of the material, and thus impair the performance of the filter or fail .
Typischerweise werden die Membranen mit den anderen Komponenten zu einem Filterelement verklebt oder verschweißt. Auch mechanische Abdichtungen, die zwischen Membranen und Gehäuse eingeklemmt werden, sind z. B. bei keramischen Membranen üblich. Anschlussstücke (Filterelement zu Rohrleitungssystem) werden häufig lösbar mit der Filtereinheit verbunden z. Bsp. Zu- und Abführkappen über Clamps, Flansche oder Gewinde. Dichtungen verhindern dabei einen „Kurzschluss“ zwischen Feed und Filtrat. Typically, the membranes are bonded or welded to the other components to form a filter element. Also mechanical seals that are clamped between membranes and housing, z. B. common with ceramic membranes. Connectors (filter element to piping system) are often detachably connected to the filter unit, e.g. E.g. supply and discharge caps via clamps, flanges or threads. Seals prevent a "short circuit" between feed and filtrate.
Bei Kapillarmodulen z. Bsp. kommt es immer wieder zu Kapillarbrüchen an der Einbettung, zu einer Ablösung von Kleber (Potting) von der Gehäusewand oder auch zu Vergusseinbrüchen. Bei flächig verklebten Flachmembranen z. Bsp. in getauchten Modulen wird Delamination zwischen den Laminatlagen beobachtet. Bei keramischen Rohrmembranen oder auch bei Multikanalelementen stellen die eingesetzte Elastomerdichtung häufig die limitierende Schwachstelle der gesamten Filtereinheit dar. Sowohl die Keramik der aufgebauten Membran als auch das typischerweise eingesetzte Edelstahl des Gehäuses können als solche eine erheblich höhere Temperatur- und/oder Chemikalienbeständigkeit vorweisen als das verwendete Dichtungsmaterial. For capillary modules z. For example, there are always capillary breaks in the embedding, detachment of adhesive (potting) from the housing wall or even encapsulation. In the case of flat membranes glued over the entire surface, e.g. For example, in submerged modules, delamination between the laminate layers is observed. In the case of ceramic tubular membranes or multi-channel elements, the elastomer seal used often represents the limiting weak point of the entire filter unit. Both the ceramic of the constructed membrane and the typically used stainless steel of the housing can show a significantly higher temperature and/or chemical resistance than the material used sealing material.
Ein weiterer Nachteil von bekannten mehrteiligen Filtermodulen ist, dass die verwendeten Fügeprozesse sich immer wieder als fehleranfällig erweisen. Typisch ist, dass verschiedene Fügeverfahren, wie insbesondere Schweißen oder das Einfüllen von Vergussmasse, notwendig sind, um eine Abdichtung und/oder Flüssigkeitsführung in einem Filtermodul zu erzielen.
Beispielsweise bei der Verschweißung von Rohrmembranen (Europäischen Offenlegungsschrift EP 88 108 462 A) kommen zwar keine fremden Materialien oder unterschiedliche Stoffe zum Einsatz, aber die vor der Verschweißung in Kontakt tretenden Oberflächen sind oftmals nur unzulänglich für die Verschweißung vorbereitet, so dass keine dichte und zuverlässige Verbindung herzustellen ist. Auch die Oberflächen der eingesetzten Schweißwerkzeuge müssen bei jedem Schweißvorgang absolut sauber sein. Anhaftende Polymerschmelze von einem vorhergehenden Schweißvorgang kann beispielsweise das Ergebnis der Verschweißung nachteilig beeinflussen. Selbst bei vollautomatischen Schweißungen eines ganzen Rohrmoduls sind undichte Schweißstellen, die in der Qualitätskontrolle bei Integritätstests festgestellt werden, die häufigste Fehlerursache und bedürfen dann der Nacharbeit oder führen zu Ausschuss. Besonders kritisch sind dabei solche Schweißstellen, die im Integritätstest nicht als Leck auffallen, aber dennoch nicht vollständig verschweißt sind. Solche Verbindungen haben ein erhöhtes Ausfallrisiko und führen zu Leckagen nach kurzer Betriebsdauer mit der Folge eines Ausfalls bzw. einer Kundenreklamation. Another disadvantage of known multi-part filter modules is that the joining processes used have repeatedly proven to be error-prone. It is typical that various joining methods, such as in particular welding or the filling in of casting compound, are necessary in order to achieve a seal and/or liquid flow in a filter module. For example, when welding tubular membranes (European published application EP 88 108 462 A), no foreign materials or different substances are used, but the surfaces that come into contact before welding are often inadequately prepared for the welding, so that no tight and reliable connection is to be made. The surfaces of the welding tools used must also be absolutely clean for each welding process. Adhering polymer melt from a previous welding operation, for example, can adversely affect the result of the weld. Even with fully automatic welding of an entire tube module, leaky welds, which are detected during quality control during integrity tests, are the most common cause of errors and then require rework or lead to rejects. Particularly critical are those welds that do not show up as a leak in the integrity test, but are still not completely welded. Such connections have an increased risk of failure and lead to leaks after a short period of operation, resulting in failure or customer complaints.
Kapillarmembranen werden zumeist in Gehäuse verklebt. Dabei kann es während der Aushärtung der Vergussmasse durch die Vernetzungsreaktion zu einer Schwindung des Materials kommen. Der Übergang vom Vergussblock zum Gehäuse eines solchen Filters steht daher typischerweise unter Spannung, was im praktischen Einsatz unter wechselnden Temperaturen und/oder Drücken zu einer zumindest partiellen Ablösung der Vergussmasse von der Gehäusewand führen kann. Eine zuverlässige Trennung zwischen der Strömung auf der Lumenseite und der Strömung auf der Hüllseite ist damit nicht mehr gewährleistet. Capillary membranes are usually glued into the housing. During the curing of the casting compound, the material can shrink as a result of the crosslinking reaction. The transition from the casting block to the housing of such a filter is therefore typically under tension, which in practical use under changing temperatures and/or pressures can lead to at least partial detachment of the casting compound from the housing wall. A reliable separation between the flow on the lumen side and the flow on the envelope side is therefore no longer guaranteed.
Weitere Nachteile von bekannten Filtern entstehen durch die eingeschränkte Gestaltungsmöglichkeit. Beim Vergießen von Kapillar- oder Rohrmembranen sind die Übergänge in bzw. zwischen den Bauteilen, wie beispielsweise zwischen der Membran und einer daran anschließende Endplatte nicht frei wählbar. Sie werden vielmehr durch das Fließ- und Benetzungsverhalten der eingesetzten Vergussmasse bestimmt. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die die mechanische Stabilität verbessern würden und/oder die Strömungsführung des Fluids verbessern könnten, können nicht gezielt hergestellt werden. So kommt es zu mechanischen Brüchen an dieser Übergangsstelle und ungünstigen Strömungen, die zu Druckspitzen und Verschleiß führen.Typischerweise werden des Weiteren auf der Zuflussseite die Membranen mit der Vergussmasse bündig mit dem Gehäuseende abgeschnitten. Die Schnittkanten der Membranen sind scharfkantig, und je nach Membran und Anwendung müssen diese
Schnittkanten versiegelt werden. Dies beeinträchtigt die Strömung des einfließenden Fluids erheblich. Other disadvantages of known filters arise from the limited design options. When casting capillary or tubular membranes, the transitions in or between the components, such as between the membrane and an end plate connected to it, cannot be freely selected. Rather, they are determined by the flow and wetting behavior of the potting compound used. Advantageous configurations that would improve the mechanical stability and/or could improve the flow guidance of the fluid cannot be produced in a targeted manner. This leads to mechanical fractures at this transition point and unfavorable flows, which lead to pressure peaks and wear. Typically, the membranes with the casting compound are also cut off flush with the end of the housing on the inflow side. The cut edges of the membranes are sharp and depending on the membrane and the application, these must be Cut edges are sealed. This significantly affects the flow of the incoming fluid.
In keramischen Membranfiltern führt das aktuell übliche Design zu deren mangelnden Robustheit gegenüber mechanischer Beeinflussung, wie insbesondere Schockstöße beim Herunterfallen oder fachungerechten Hantieren. So sind die Membranen üblicherweise nur an ihren Enden im Gehäuse und/oder in einer Vergussmasse verankert. Die Sprödheit des Werkstoffes führt daher regelmäßig zu Membranbrüchen zwischen den Endplatten, welche durch die Einwirkung von mechanischen Belastungen, wie einer Schockbelastung oder einer Scherbelastung, auftreten kann. Eine ganz ähnliche Situation ergibt sich auch bei schnellen Temperaturänderungen. Strömt beispielsweise plötzlich ein heißes Fluid durch die Membranen, dehnen sich diese aus. Das noch kalte Gehäuse lässt unter Umständen diese Dehnung nicht zu und es bauen sich in den Membranen erhebliche Spannungen auf, die ebenfalls regelmäßig zu Membranbruch führen. In ceramic membrane filters, the currently common design leads to a lack of robustness against mechanical influences, such as shocks when falling or improper handling. The membranes are usually only anchored at their ends in the housing and/or in a casting compound. The brittleness of the material therefore regularly leads to membrane ruptures between the end plates, which can occur as a result of the action of mechanical loads, such as shock loads or shear loads. A very similar situation also arises with rapid temperature changes. For example, if a hot fluid suddenly flows through the membranes, they expand. The housing, which is still cold, may not allow this expansion under certain circumstances and considerable stresses build up in the membranes, which also regularly lead to membrane rupture.
Vor dem zuvor beschriebenen allgemeinen Hintergrund der Erfindung und dem dort ebenfalls beschriebenen Erkennungsprozess im Rahmen der Erfindungslegung der vorliegenden Anmeldung und den aufgezeigten dort aufgefundenen Nachteilen hat sich daher die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eben jene zuvor genannten Probleme zu lösen oder zumindest hierzu Verbesserungen einzuführen. Konkret hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, Filtermodule bzw. Membranfilter bzw. Bauteile bereitzustellen, die erheblich robuster hinsichtlich ihrer Handhabung, alternativ oder kumulativ auch hinsichtlich der anwendbaren Prozess- und Betriebsparameter sind. Die Erfindung löst das Problem, dass die beschriebenen Alterungsprozesse von bekannten Filtern vermieden oder verbessert werden, und dass Ausfallzahlen von ganzen Filtermodulen sowohl in der Produktion als auch im Betrieb verringert werden. Against the general background of the invention described above and the recognition process also described there in the context of the disclosure of the present application and the disadvantages found there, the present invention has therefore set itself the task of solving the aforementioned problems or at least introducing improvements thereto. Specifically, the invention has set itself the task of providing filter modules or membrane filters or components that are considerably more robust with regard to their handling, alternatively or cumulatively also with regard to the applicable process and operating parameters. The invention solves the problem that the described aging processes of known filters are avoided or improved and that the number of failures of entire filter modules is reduced both in production and in operation.
Die vorliegende Erfindung erfüllt damit auch den weiteren Teilaspekt, Standzeiten von Filtermodulen bzw. Bauteilen im harten technischen Einsatz zu erhöhen und damit die Wirtschaftlichkeit zu verbessern. The present invention thus also fulfills the further partial aspect of increasing the service life of filter modules or components in tough technical use and thus improving economic efficiency.
Die vorliegende Erfindung erfüllt des Weiteren den Teilaspekt, Filtermodule bzw. Bauteile bereitzustellen, die eine weiter verbesserte Durchmischung der eingesetzten Fluide realisieren und/oder den Filtratdurchsatz weiter erhöhen. So kann einerseits die Ausbeute gesteigert werden und/oder die durchgesetzte Fördermenge erhöht werden.
Neben den vorgenannten und zahlreichen weiteren Aspekten, die die vorliegende Erfindung löst, stellt die vorliegende Erfindung auch einen mit einfachen Mitteln anpassbaren Filter bereit, der im Herstellungsprozess für die konkrete spätere Anwendung optimiert werden kann hinsichtlich beispielsweise der Parameter Filtrierleistung, Förderleistung, hinsichtlich des Volumen- oder Massenstromes an Fluid und/oder der mechanischen Belastbarkeit bzw. Widerstandskraft gegenüber mechanischen Einflüssen. The present invention also fulfills the partial aspect of providing filter modules or components that achieve further improved mixing of the fluids used and/or further increase the filtrate throughput. In this way, on the one hand, the yield can be increased and/or the throughput quantity can be increased. In addition to the aforementioned and numerous other aspects that the present invention solves, the present invention also provides a filter that can be adapted with simple means and that can be optimized in the manufacturing process for the specific later application with regard to, for example, the parameters of filtration capacity, delivery capacity, with regard to the volume or mass flow of fluid and/or the mechanical resilience or resistance to mechanical influences.
Alternativ oder kumulativ hat sich die Erfindung auch zur Aufgabe gestellt, den Herstellungsprozess von Filtermodulen zu vereinfachen und/oder kostengünstiger, oder sogar individuell anpassbar an die konkrete Anforderung bereitzustellen. Alternatively or cumulatively, the invention has also set itself the task of simplifying the manufacturing process of filter modules and/or making it available more cost-effectively, or even individually adaptable to the specific requirement.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche. The object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Die in dieser Beschreibung vorgeschlagenen Verbesserungen und neuen Bauformen konzentrieren sich dabei neben zahlreichen weiteren Aspekten darauf, ein Bauteil bereitzustellen, welches geeignet ist zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid. Eine solche Abtrennung ist also zum Beispiel die Filtrierung eines Fluids, also das Herauslösen von Stoffen zum Beispiel aus einer Lösung, das Abstreifen oder Abtrennen von Schwebstoffen aus einem dispersen Medium wie einer Suspension. Dabei ist die Erfindung hierauf aber nicht beschränkt. In addition to numerous other aspects, the improvements and new designs proposed in this description concentrate on providing a component which is suitable for separating components from a fluid. Such a separation is, for example, the filtration of a fluid, i.e. the extraction of substances from a solution, for example, or the stripping or separation of suspended matter from a disperse medium such as a suspension. However, the invention is not limited to this.
Die vorliegende Erfindung konzentriert sich in einem zugrundeliegenden Gedanken und in einem weiteren Aspekt der Erfindung darauf, monolithisch aufgebaute Bauteile bereitzustellen zur Herstellung von Filtermodulen. Solche monolithischen Bauteile, wie insbesondere Membranfilter, können im Lichte der vorliegenden Erfindung additiv geformt sein und/oder eine intrinsische Porosität aufweisen. Beispielsweise können bei einem monolithischen Bauteil alle Komponenten aus einem einheitlichen Ausgangsmaterial bereitgestellt werden. In an underlying idea and in a further aspect of the invention, the present invention concentrates on providing monolithic components for the production of filter modules. Such monolithic components, such as membrane filters in particular, can be formed additively in the light of the present invention and/or have an intrinsic porosity. For example, in the case of a monolithic component, all components can be provided from a uniform starting material.
Monolithische Bauteile werden ferner typischerweise im Ganzen und ohne Unterbrechung hergestellt. Aufgrund des Fehlens von gefügten Bauteil-zu-Bauteil-Übergängen können sie sich durch extreme Robustheit in der Anwendung auszeichnen und können überdies in strömungstechnischer Hinsicht wie auch in ihrer Größe und somit der Filtrationskapazität auf ihren Einsatzzweck hin optimiert werden. Es gibt verschiedene bereits bekannte Verfahren der additiven Fertigung, welche große Gestaltungsspielräume bieten. Typischerweise werden die zu fertigenden Elemente schichtweise aufgebaut. Die bisher bekannten Verfahren der additiven Fertigung sind allerdings insbesondere für einen Einsatz zum Aufbau von Membranmodulen in
verschiedener Hinsicht unzureichend und gelangen erst mit der vorliegenden Erfindung zur Einsatzreife. Also, monolithic components are typically manufactured in one piece and without interruption. Due to the lack of joined component-to-component transitions, they can be characterized by extreme robustness in the application and can also be optimized in terms of flow technology as well as their size and thus the filtration capacity for their intended use. There are various already known methods of additive manufacturing, which offer great freedom of design. Typically, the elements to be manufactured are built up in layers. However, the additive manufacturing processes known to date are particularly suitable for use in the construction of membrane modules insufficient in various respects and are only ready for use with the present invention.
Die additive Fertigung erlaubt dabei beispielsweise auch die Herstellung von Geometrien, die mit bisher bekannten Verfahren zur Membran- bzw. Membranmodulherstellung nicht möglich sind. Hierbei sind insbesondere dreidimensionale Geometrien hervorzuheben, die so hergerichtet sind, dass eine dämpfende oder kraftaufnehmende Form bereitgehalten werden kann. Beispielsweise liegt in longitudinaler Erstreckung der Membranmodule häufig eine Kraftbeaufschlagung vor, wobei selbst wenn die Membranmodule spannungsfrei in die jeweilige Halterung oder Vorrichtung eingesetzt sind, während des Betriebs durch Temperaturänderung oder chemische Einwirkung eine Längenänderung auftreten kann und das oder die Membranmodule spannungsbeaufschlagt werden. Das oder die Membranmodule sind daher bevorzugt spannungstolerant, insbesondere längsspannungstolerant, aufgebaut. Der spannungstolerante Aufbau der Membranmodule lässt sich durch eine dreidimensionale Geometrie der Membranrohre des Membranmoduls erreichen, d.h. eine spannungstolerante Form der Membranrohre. Diese Geometrien der Membranrohre, von denen im Weiteren in dieser Anmeldung ein paar besonders bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden, die in früheren Fertigungsverfahren so nicht oder jedenfalls nicht ökonomisch herstellbar waren, haben sich in Prüf- und Testzyklen im Rahmen der vorliegenden Erfindungslegung als vorteilhaft erwiesen. Additive manufacturing also allows, for example, the production of geometries that are not possible with previously known processes for membrane or membrane module production. In particular, three-dimensional geometries should be emphasized that are prepared in such a way that a damping or force-absorbing shape can be kept ready. For example, in the longitudinal extension of the membrane modules there is often an application of force, whereby even if the membrane modules are inserted into the respective holder or device without tension, a change in length can occur during operation due to a change in temperature or chemical action and the membrane module or modules are subjected to tension. The membrane module or modules are therefore preferably designed to be stress-tolerant, in particular longitudinal stress-tolerant. The stress-tolerant construction of the membrane modules can be achieved by a three-dimensional geometry of the membrane tubes of the membrane module, i.e. a stress-tolerant shape of the membrane tubes. These geometries of the membrane tubes, of which a few particularly preferred embodiments are described below in this application, which could not be produced in this way or at least not economically in earlier production methods, have proven to be advantageous in test cycles within the scope of the present disclosure.
Beispielsweise kann das oder die Membranmodule spannungstolerant bereitgestellt werden, indem eine inhärente Federwirkung des oder der Membranmodul(e) vorliegt bzw. ausgenutzt werden kann, so dass eine Stauchung der einzelnen Membranrohre ein Ausweichen der Membranrohre herbeiführt. Das Ausweichen des Membranrohres kann ein Verwinden sein, oder eine Bogenbildung oder dgl. In gleicher Weise kann die spannungstolerante Ausführung der Membranrohre bzw. Membranmodule auch eine querspannungstolerante Bereitstellung beinhalten. Membranmodule sind gelegentlich auch Querspannungen ausgesetzt, beispielsweise wenn diese nicht passgenau in die jeweilige Halterung eingesetzt werden und das Membranmodul durch ein Verwinden den ungenauen Einbau ausgleicht. Diese Verwindung kann sich auf die Membranrohre im Inneren des Membranmoduls übertragen. For example, the membrane module(s) can be provided in a stress-tolerant manner in that an inherent spring action of the membrane module(s) is present or can be utilized, so that compression of the individual membrane tubes causes the membrane tubes to yield. The deflection of the membrane tube can be caused by twisting, arching or the like. In the same way, the stress-tolerant design of the membrane tubes or membrane modules can also include a transverse stress-tolerant provision. Membrane modules are also occasionally exposed to transverse stresses, for example if they are not inserted precisely into the respective holder and the membrane module compensates for the imprecise installation by twisting. This twisting can be transferred to the membrane tubes inside the membrane module.
Der in der vorliegenden Erfindung beschriebene Einsatz poröser Materialsysteme für die additive Fertigung erlaubt beispielsweise auch die reproduzierbare Erzeugung poröser Bauteile mit einer mittleren Porengröße von bis zu kleiner 1 m, was bisher eine nicht gelöste
Herausforderung darstellt. So erforderten bisherige Versuche in dieser Hinsicht aufgrund der erforderlichen hohen Auflösung einen immensen zeitlichen Aufwand für einen einzigen Filter, der für eine Serienfertigung unakzeptabel lang ist. Dabei war auch in technologischer Hinsicht das Verhältnis zwischen erzielbarer Bauteilgröße zu der Auflösung des Bauteilaufbaus ein Hindernis dahingehend, dass sich solche Filter nicht in technisch relevanten Größen herstellen ließen. Gerade diese Problematik wird von dem in der vorliegenden Beschreibung gezeigten Ansatz besonders elegant gelöst. The use of porous material systems for additive manufacturing described in the present invention also allows, for example, the reproducible production of porous components with an average pore size of down to less than 1 m, which has hitherto not been solved represents a challenge. Previous attempts in this regard required an immense amount of time for a single filter due to the required high resolution, which is unacceptably long for series production. From a technological point of view, the relationship between the achievable component size and the resolution of the component structure was an obstacle to the effect that such filters could not be produced in technically relevant sizes. Precisely this problem is solved particularly elegantly by the approach shown in the present description.
Dabei stellt besonders bevorzugt die von einer Auftragsvorrichtung, wie einem 3D- Drucker, bereitstellbare geometrische Auflösung kein Hindernis mehr hinsichtlich der erzielbaren Porengröße dar. Die geometrische Auflösung der Auftragsvorrichtung ist dann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung lediglich noch für die allgemeine Formgebung des Bauteils bzw. des Membranfilters relevant, nicht aber für die konkrete Porengröße des Membranfilters. The geometric resolution that can be provided by an application device, such as a 3D printer, particularly preferably no longer represents an obstacle with regard to the achievable pore size. In a particularly advantageous embodiment, the geometric resolution of the application device is then only for the general shape of the component or the membrane filter relevant, but not for the specific pore size of the membrane filter.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit zumindest teilweiser oder zumindest bereichsweiser poröser Materialstruktur, insbesondere als Filterelement oder Filtervorrichtung, umfasst mehrere Schritte. In dem Schritt Bereitstellen eines porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials wird das Ausgangsmaterial für den Auftrag bereitgestellt. In einem Beispiel wird das Ausgangsmaterial mittels eines Extruders bereitgestellt. Das Ausgangsmaterial liegt bereits porös vor oder es wird in einer porösierbaren Form bereitgestellt. Das bedeutet, dass das Ausgangsmaterial bei seiner Bereitstellung zunächst nicht porös ist, aber im Zusammenhang mit dem Auftrag des Ausgangsmaterials so beeinflusst, verändert oder anders zusammengesetzt wird, dass das Ausgangsmaterial im zeitlichen Zusammenhang mit dem Auftrag des Ausgangsmaterials mit Poren durchsetzt werden kann. The method according to the invention for producing a component with an at least partially or at least regionally porous material structure, in particular as a filter element or filter device, comprises a number of steps. In the step of providing a porous or porous starting material, the starting material for the application is provided. In one example, the starting material is provided using an extruder. The starting material is already porous or it is provided in a porous form. This means that the starting material is initially not porous when it is provided, but is influenced, changed or composed differently in connection with the application of the starting material in such a way that the starting material can be interspersed with pores in the temporal connection with the application of the starting material.
Mit anderen Worten meint das Bereitstellen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials das Überführen eines Primärmaterials zu dem in Herstellung befindlichen Bauteil. So kann das Bereitstellen auch das Fördern des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials zu dem Ort des Materialauftrags umfassen. Das Bereitstellen kann auch die thermische Anpassung an gewünschte Auftragsbedingungen umfassen, wie auch das Einstellen eines vorteilhaften physikalischen Drucks im Moment des Auftragens des Ausgangsmaterials zur Herstellung des Bauteils. Im Beispiel des Extruders umfasst das Bereitstellen das Fördern und Pressen in der Extruderschnecke, wobei am Ausgang des Extruders schließlich das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial bereitgestellt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner das Aufträgen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials zum Aufbau des Bauteils. Bei dem Aufträgen umfasst das Verfahren auch das Einstellen der Porosität des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials. Mit anderen Worten wird im Zusammenhang mit dem Materialauftrag des Ausgangsmaterials an oder auf das Bauteil die Porosität am Ort des Materialauftrags eingestellt. Beispielsweise erfolgt diese Einstellung zeitlich unmittelbar vor, während oder unmittelbar nach dem konkreten Materialauftrag. Hierbei können beispielsweise Maschinenparameter einer Auftragsmaschine geändert werden, wie eines Extruders, oder es kann ein Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterials verändert werden, oder es können Verfahrensparameter bei der Verfestigung des Ausgangsmaterials eingestellt werden, um die Porosität am Ort des Materialauftrags einzustellen. Entscheidend dabei ist, dass intrinsisch im Material die Materialdurchlässigkeit eingestellt wird, um eine entsprechende Filterleistung bereitzustellen. Damit kann eine ähnliche oder bessere Filterleistung als bei herkömmlichen Filtermodulen erreicht werden, und zugleich die Herstellung erheblich flexibler und/oder kostengünstiger sein bzw. Materialien eingesetzt werden, die bislang zur Herstellung von Filtermodulen nur schlecht eingesetzt werden konnten, da deren Verarbeitbarkeit nicht gegeben war bzw. ohne das neue Herstellungsverfahren gar nicht erkannt werden konnte, dass damit entsprechende Filterleistungen erreicht werden können. In other words, the provision of the porous or porous starting material means the transfer of a primary material to the component being produced. Thus, the provision can also include conveying the porous or porous starting material to the site where the material is applied. The provision can also include the thermal adaptation to desired application conditions, as well as the setting of an advantageous physical pressure at the moment of application of the starting material for the production of the component. In the example of the extruder, providing comprises conveying and pressing in the extruder screw, with the porous or porous starting material finally being provided at the outlet of the extruder. The method according to the invention also includes the application of the porous or porous starting material for the construction of the component. During application, the method also includes adjusting the porosity of the porous or porous starting material. In other words, in connection with the material application of the starting material to or on the component, the porosity is adjusted at the location of the material application. For example, this setting takes place immediately before, during or immediately after the specific application of material. Here, for example, machine parameters of an application machine can be changed, such as an extruder, or a mixing ratio of the starting material can be changed, or process parameters can be set during the solidification of the starting material in order to set the porosity at the point where the material is applied. The decisive factor here is that the material permeability is set intrinsically in the material in order to provide a corresponding filter performance. This means that a similar or better filter performance can be achieved than with conventional filter modules, and at the same time the production can be significantly more flexible and/or cheaper or materials can be used that were previously difficult to use for the production of filter modules because they could not be processed or were difficult to process Without the new manufacturing process, it would not have been possible to recognize that the corresponding filter performance could be achieved with it.
Beispielsweise kann auf diese Art ein wenig oder nicht poröses Material bereitgestellt werden, um daraus Teile des Gehäuses des Bauteils aufzubauen. Mit demselben Ausgangsmaterial, aber unterschiedlichen physikalischen Parametern oder unterschiedlicher Zusammensetzung oder unterschiedlichen Additiven kann an anderer Stelle des Bauteils eine poröse Materialstruktur erzeugt werden. Die verschiedenen Bauteilbereiche, wie in dem vorgenannten Beispiel Gehäuse und poröse Materialstruktur, sind monolithisch, d. h. einstückig miteinander, aufgebaut. Kennzeichnend ist also, dass keine herkömmlichen Bauteil-zu-Bauteil- Übergänge auftreten, sondern vielmehr Bereiche des Bauteils mit unterschiedlicher Porosität aufbaubar sind, wobei alle Bereiche gemeinsam aus einem Stück hergestellt und typischerweise stoffschlüssig miteinander verbunden, also beispielsweise verschmolzen, verbacken, gesintert oder verklebt sind. Das Verfahren wird fortgeführt, bis das Bauteil als Ganzes hergestellt ist. Insbesondere wird das Verfahren dabei ohne Unterbrechung bzw. ohne Pause fortgeführt, so dass das additive Herstellungsverfahren am Stück durchgeführt wird. Beispielsweise kann hierdurch in einer Materialauftragszone eine vorteilhafte Auftragstemperatur konstant oder beibehalten werden, so dass es zu einem kontinuierlichen Materialauftrag zur Herstellung des
io For example, a little or no porous material can be provided in this way in order to build up parts of the housing of the component therefrom. A porous material structure can be created elsewhere on the component using the same starting material but different physical parameters or different composition or different additives. The various component areas, such as the housing and porous material structure in the aforementioned example, are constructed monolithically, ie in one piece with one another. It is therefore characteristic that there are no conventional component-to-component transitions, but rather areas of the component with different porosity can be built up, with all areas being produced together in one piece and typically bonded to one another, i.e. fused, baked, sintered or glued, for example are. The process is continued until the component is manufactured as a whole. In particular, the method is continued without interruption or without a break, so that the additive manufacturing method is carried out in one piece. For example, an advantageous application temperature can be kept constant or maintained in a material application zone, so that there is a continuous application of material for the production of the ok
Bauteils kommt. Dank des monolithischen Aufbaus der bisher als getrennte Teile bereitgestellten Komponenten des Bauteils kann in vorteilhafter Weise auf Verklebungen, Vergießen und/oder Abdichtungen zwischen den bisher als getrennte Teile bereitgestellten Komponenten verzichtet werden. Gerade diese Verklebungen, Vergussmassen und/oder Dichtungselemente haben dabei die Lebensdauer oder den Einsatzbereich (Temperaturbereiche, Druckbereiche, chemische Resistenzen etc.) für das Bauteil zum Teil empfindlich begrenzt. component comes. Thanks to the monolithic structure of the components of the component that were previously provided as separate parts, it is advantageously possible to dispense with bonding, casting and/or sealing between the components that were previously provided as separate parts. It is precisely these bonds, casting compounds and/or sealing elements that have severely limited the service life or the range of use (temperature ranges, pressure ranges, chemical resistances, etc.) for the component.
Das additive Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Bauteils kann in vorteilhafter Ausgestaltung das Aufträgen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials ein punktweises, linienartiges oder schichtweises Aufträgen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials umfassen. Mit anderen Worten wird das Ausgangsmaterial bevorzugt punktweise, d.h. insbesondere in einer Punkt-Target-Matrix Punkt für Punkt aufgetragen, wobei der Materialauftrag sukzessive erfolgt. Der Materialauftrag kann dennoch kontinuierlich oder quasikontinuierlich erfolgen, also z.B. „raupenförmig“, und dennoch punktweise eine Punkt- Target-Matrix angefahren werden, was als quasikontinuierlicher Materialauftrag beschrieben werden kann. In an advantageous embodiment, the additive manufacturing method for producing a component can comprise the application of the porous or porous starting material pointwise, linearly or in layers of the porous or porous starting material. In other words, the starting material is preferably applied point by point, i.e. in particular point by point in a point target matrix, with the material being applied successively. The material application can nevertheless be continuous or quasi-continuous, e.g. "caterpillar-shaped", and a point-target matrix can still be approached point by point, which can be described as a quasi-continuous material application.
Es ist hierbei nicht notwendig und typischerweise auch nicht vorgesehen, dass an jedem Punkt der Punkt-Target-Matrix Material aufgetragen wird. So sind in der Punkt-Target-Matrix Punkte vorgesehen, welche nicht angefahren werden und solche Punkte, welche angefahren werden und dort Ausgangsmaterial aufgetragen wird. Der Materialauftrag erfolgt dabei typischerweise der Schwerkraft folgend von unten nach oben, wobei zunächst eine unterste Schicht auf einem Bauteilträger abgelegt wird, wobei die unterste Schicht punktweise, linienförmig oder schichtweise aufgetragen werden kann. Auch die unterste Schicht ist nicht zwangsläufig eine durchgehende Schicht, sondern diese kann vielmehr Bereiche umfassen mit und ohne Materialauftrag. In this case, it is not necessary and typically also not provided for material to be applied at every point of the point-target matrix. Thus, in the point-target matrix, points are provided which are not approached and those points which are approached and starting material is applied there. The material is typically applied from the bottom up, following gravity, with a bottom layer first being deposited on a component carrier, with the bottom layer being able to be applied pointwise, linearly or in layers. Even the bottom layer is not necessarily a continuous layer, but rather it can include areas with and without material application.
Der Materialauftrag kann weiter vorteilhaft in einer Schicht-Target-Matrix erfolgen. So kann eine Mehrzahl von anzufahrenden Punkten in einer solchen Schicht zusammengefasst werden. Schichten der Schicht-Target-Matrix liegen dabei beispielsweise übereinander angeordnet in einem weiter beispielsweise äquidistanten Abstand zueinander. Der Materialauftrag kann auch schichtweise vorbereitet werden und eine ganze Schicht als Einheit miteinander verbunden oder vernetzt werden, beispielsweise wenn das Ausgangsmaterial pulverförmig vorliegt kann zunächst Schicht für Schicht abgelegt werden und eine Schicht als
Ganzes präpariert werden, also beispielsweise mit einer Strahlungsquelle erhitzt und einstückig miteinander verbunden werden. The application of material can also advantageously take place in a layer target matrix. In this way, a number of points to be approached can be combined in such a layer. Layers of the layer target matrix are arranged one above the other, for example, at a further, for example, equidistant distance from one another. The application of material can also be prepared in layers and an entire layer can be connected or crosslinked as a unit, for example if the starting material is in powder form, layer by layer can first be deposited and one layer as Whole are prepared, so for example heated with a radiation source and integrally connected to each other.
Schichten wie auch Punkte können auch in anderen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Zylinderkoordinaten, vorgesehen sein, wenn beispielsweise ein röhrenförmiges Gebilde als Bauteil herzustellen ist. In dieser Beschreibung wird die Punkt-Target-Matrix als bestmögliche Auflösung bzw. Untergliederung des herzustellenden Bauteils in räumliche Koordinaten aufgefasst, da dies die kleinstmögliche Unterteilung des herzustellenden Bauteils beschreibt. Der Punktabstand von einem Punkt zum nächsten benachbarten Punkt muss nicht identisch sein; Vielmehr kann es vorteilhaft sein, den Punktabstand zu variieren, je nach Anwendungsfall innerhalb einer Richtung zu variieren und/oder in unterschiedlichen Richtungen des Koordinatensystems unterschiedlich auszuprägen. Beispielsweise kann so ein Bereich besonders komplexer Geometrie mit engerem Punktraster versehen sein, wohingegen einfache Gebilde mit wenigen Punkten beschreibbar sind. Dies ist beispielsweise im Fall pastösem Ausgangsmaterial schnell verständlich, wenn das Ausgangsmaterial „raupenförmig“ aufgetragen wird, und eine lange gerade Schicht aufgetragen wird, wobei nur der Anfangs- und Endpunkt der geraden Schicht zu definieren wäre. Aber auch äquidistante Punkt-Target-Matrizzen können ggf. vorteilhaft sein. Die Schicht-Target-Matrix wiederum umfasst typischerweise in jeder Auftragsschicht Zielpunkte, in die das herzustellende Bauteil und gegebenenfalls Zwischenräume bzw. Hohlräume des herzustellenden Bauteils unterteilt sind. Layers as well as points can also be provided in other coordinate systems, such as cylindrical coordinates, for example if a tubular structure is to be produced as a component. In this description, the point-target matrix is understood as the best possible resolution or subdivision of the component to be produced in spatial coordinates, since this describes the smallest possible subdivision of the component to be produced. The point distance from one point to the next neighboring point does not have to be identical; Rather, it can be advantageous to vary the point spacing, to vary it within one direction depending on the application and/or to express it differently in different directions of the coordinate system. For example, an area of particularly complex geometry can be provided with a narrower grid of points, whereas simple structures can be described with fewer points. This is easy to understand, for example, in the case of pasty starting material, when the starting material is applied in a "bead-like" manner and a long straight layer is applied, where only the start and end point of the straight layer would have to be defined. However, equidistant point-target matrices can also be advantageous. The layer target matrix, in turn, typically includes target points in each application layer, into which the component to be produced and, if appropriate, intermediate spaces or cavities of the component to be produced are subdivided.
Das punktweise Aufträgen kann das Anfahren eines anzufahrenden Punktes der Punkt- Target-Matrix umfassen, an dem das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial aufzutragen ist. Unter dem Anfahren eines anzufahrenden Punktes können hierbei in technischer Hinsicht verschiedene Ausgestaltungen ausgebildet sein. Grundsätzlich meint das Anfahren eines anzufahrenden Punktes, dass Ausgangsmaterial in so einer Form und Art und Weise bereitgestellt wird, dass dieses an dem entsprechenden Punkt der Punkt-Target-Matrix zur Verfügung steht. Das Anfahren kann somit mittels eines Auftragswerkzeugs erfolgen. Ein solches Auftragswerkzeug kann der bereits genannte Extruder sein, wobei das Auftragswerkzeug in dreidimensionaler Weise zu dem aufzutragenden Punkt der Punkt-Target-Matrix bewegt werden kann oder ein Bauteilträger so verstellbar ausgeführt ist, dass ein bewegliches System der Punkt- Target-Matrix entsteht, wobei die Punkt-Target-Matrix vor dem Auftragswerkzeug verschoben wird und der aufzutragenden Punkt der Punkt-Target-Matrix am Auftragswerkzeug zur Anlage kommt.
Ein Auftragswerkzeug ist dann bevorzugt eingesetzt, wenn das Ausgangsmaterial eine flüssige, pastöse oder feste Form aufweist. Für den Fall, dass das Ausgangsmaterial in Pulverform vorliegt, kann unter dem Anfahren des anzuführenden Punktes der Punkt-Target- Matrix beispielsweise auch das Richten eines Hitzeerzeugers, wie insbesondere eines Lasers bzw. einer Strahlungsquelle, auf den anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix verstanden werden, um an dem Punkt der Punkt-Target-Matrix das dort abgelegte pulverförmige Ausgangsmaterial zumindest in eine Art Vorschmelze zu bringen, so dass es sich mit dem umliegenden Bauteil bzw. dem umliegenden Ausgangsmaterial verbindet, ggf. als Vorbereitung für ein späteres Sintern des Bauteils als Ganzes. Beispielsweise kann das pulverförmige Ausgangsmaterial ein anorganisch, also z.B. keramisch und/oder metallisch, gefülltes Polymerpulver sein. Point-by-point application can include moving to a point of the point-target matrix to be approached, to which point the porous or porous starting material is to be applied. From a technical point of view, various configurations can be implemented here for approaching a point to be approached. In principle, approaching a point to be approached means that the starting material is provided in such a form and manner that it is available at the corresponding point in the point-target matrix. The approach can thus take place by means of an application tool. Such an application tool can be the extruder already mentioned, in which case the application tool can be moved in a three-dimensional manner to the point of the point-target matrix to be applied, or a component carrier is designed to be adjustable in such a way that a movable system of the point-target matrix is created, whereby the point-target matrix is shifted in front of the application tool and the point of the point-target matrix to be applied comes to rest on the application tool. An application tool is preferably used when the starting material is in a liquid, pasty or solid form. If the starting material is in powder form, the point of the point target matrix to be approached can also include directing a heat generator, such as in particular a laser or a radiation source, at the point of the point target matrix to be approached be understood in order to bring the powdery starting material deposited there at least into a kind of pre-melt at the point of the point-target matrix, so that it connects to the surrounding component or the surrounding starting material, possibly as a preparation for a later sintering of the component as a whole. For example, the starting material in powder form can be an inorganic, ie for example ceramic and/or metallic, filled polymer powder.
Im Allgemeinen meint das Anfahren eines anzuführenden Punktes der Punkt-Target- Matrix das Verändern, Vorbereiten oder Positionieren des anzufahrenden Punktes der Punkt- Target-Matrix so, dass das Ausgangsmaterial an dem anzufahrenden Punkt mit dem monolithischen Bauteil einstückig verbunden werden kann. In general, targeting a target point of the point-target matrix means changing, preparing, or positioning the target point of the point-target matrix so that the starting material at the target point can be integrally bonded to the monolithic component.
Bei dem Aufträgen an dem anzufahrenden Punkt wird bevorzugt das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial eingestellt, und zwar an dem anzufahrenden Punkt der Punkt- Target-Matrix. Das Einstellen des porösen und/oder porösierbaren Ausgangsmaterials kann dabei ebenfalls verschiedene Ausprägungen annehmen. So meint das Einstellen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials beispielsweise das Einstellen eines Mischungsverhältnisses im Ausgangsmaterial, wenn beispielsweise ein Füllstoff in einem veränderlichen Mischungsverhältnis bereitgestellt wird, wobei das Mischungsverhältnis des Füllstoffes die Porosität des Ausgangsmaterials definiert. Das Einstellen des Ausgangsmaterials am anzufahren Punkt der Punkt-Target-Matrix kann auch das Einstellen der Strahlungsquelle bzw. der Quelle für eine thermische Behandlung des Ausgangsmaterials am anzufahrenden Punkt realisieren. So kann zum Beispiel die Intensität eines einzusetzenden Lasers so eingestellt werden, dass eine höhere Intensität eine andere Porosität erzeugt als eine niedrigere Intensität. When applying at the point to be approached, the porous or porous starting material is preferably set, specifically at the point of the point-target matrix to be approached. The setting of the porous and/or porous starting material can also take different forms. Adjusting the porous or porous starting material means, for example, adjusting a mixing ratio in the starting material if, for example, a filler is provided in a variable mixing ratio, the mixing ratio of the filler defining the porosity of the starting material. Setting the starting material at the point to be approached in the point-target matrix can also implement the setting of the radiation source or the source for thermal treatment of the starting material at the point to be approached. For example, the intensity of a laser to be used can be adjusted in such a way that a higher intensity produces a different porosity than a lower intensity.
Den genannten Beispielen ist gemein, dass das Ausgangsmaterial an dem anzuführenden Punkt der Punkt-Target-Matrix hinsichtlich seiner Porosität beeinflusst, verändert, zusammengesetzt oder allgemein eingestellt wird. Das solcherart eingestellte poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial wird bevorzugt an dem Punkt aufgetragen.
Das additive Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Bauteils kann ferner den Schritt umfassen Anfahren von zumindest einem ersten Punkt der Punkt-Target-Matrix und Einstellen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials an dem zumindest einen ersten Punkt derart, dass an dem zumindest einen ersten Punkt eine poröse Materialstruktur entsteht. Mit anderen Worten wird das Ausgangsmaterial an dem zumindest einen ersten Punkt, beispielsweise an einer Mehrzahl von Punkten, die einen gemeinsamen Bereich im Bauteil bilden, so eingestellt, dass in additiver Weise eine Porosität im Bauteil einstellbar ist. Somit wird durch das Anfahren des Punktes oder der Punkte der Punkt-Target-Matrix sukzessive eine poröse Materialstruktur aufgebaut. What the examples mentioned have in common is that the porosity of the starting material at the point to be specified in the point-target matrix is influenced, changed, composed or generally adjusted. The porous or porous starting material adjusted in this way is preferably applied at the point. The additive manufacturing method for producing a component can also include the step of approaching at least one first point of the point-target matrix and setting the porous or porous starting material at the at least one first point in such a way that a porous material structure is formed at the at least one first point . In other words, the starting material is adjusted at the at least one first point, for example at a plurality of points that form a common area in the component, such that a porosity in the component can be adjusted in an additive manner. Thus, a porous material structure is built up successively by approaching the point or points of the point-target matrix.
Das Verfahren kann auch den Schritt umfassen Anfahren von zumindest einem zweiten Punkt der Punkt-Target-Matrix und Einstellen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials an dem zumindest einen zweiten Punkt derart, dass an dem zweiten Punkt eine undurchlässige Materialstruktur entsteht. Mit anderen Worten wird das Ausgangsmaterial an diesem zweiten Punkt oder an diesen zweiten Punkten, welche beispielsweise einen Bereich im Bauteil bilden, so eingestellt, dass das daraus entstehende Gebilde eine undurchlässige Struktur aufweist. Undurchlässig ist dabei beispielsweise eine Struktur, welche vergleichsweise wenig Poren oder gar keine Poren aufweist, oder aber weiche geschlossenporig aufgebaut ist, so dass kein Fluidaustausch und/oder Stoffaustausch zwischen Fluiden gewährleistet ist. Eine undurchlässige Struktur im Sinne der Erfindung verhindert also bevorzugt ein Durchströmen der undurchlässigen Materialstruktur von einem Fluid, andererseits aber weiter insbesondere den Stoffaustausch von einem ersten Fluid auf einer ersten Seite der undurchlässigen Materialstruktur mit einem zweiten Fluid auf einer zweiten Seite der undurchlässigen Materialstruktur. Eine beispielhafte Struktur, die mit einer undurchlässigen Materialstruktur in vorteilhafter Weise aufgebaut werden kann, ist eine Umhäusung um das Bauteil zum Schutz desselben, wie auch zu dem Zwecke, insbesondere ein Hüllfluid in dem Bauteil zu halten und zugleich eine Hüllseite für das Hüllfluid vorzuhalten. The method can also include the step of approaching at least one second point of the point-target matrix and adjusting the porous or porous starting material at the at least one second point in such a way that an impermeable material structure is formed at the second point. In other words, the starting material is adjusted at this second point or at these second points, which form a region in the component, for example, such that the resulting structure has an impermeable structure. A structure is impermeable, for example, which has comparatively few pores or no pores at all, or which is constructed with closed pores, so that no fluid exchange and/or mass exchange between fluids is ensured. An impermeable structure within the meaning of the invention therefore preferably prevents a fluid from flowing through the impermeable material structure, but on the other hand also prevents in particular the exchange of substances from a first fluid on a first side of the impermeable material structure to a second fluid on a second side of the impermeable material structure. An exemplary structure that can be advantageously constructed with an impermeable material structure is a casing around the component for protection of the same, as well as for the purpose of keeping an enveloping fluid in the component in particular and at the same time providing an enveloping side for the enveloping fluid.
Die Punkte der Punkt-Target-Matrix können in Ablageschichten angeordnet sein. Das Anfahren der Punkt-Target-Matrix kann in diesem Fall schichtweise durchgeführt werden, so dass zunächst die Punkte einer ersten Ablageschicht angefahren werden, wobei nicht alle Punkte der ersten Ablageschicht anzufahren sein müssen. Anschließend, d. h. nach dem Anfahren der ersten Ablageschicht, werden anschließend Punkte einer zweiten Ablageschicht angefahren, wobei abermals nicht erforderlich ist, dass alle Punkte der zweiten Ablageschicht angefahren
werden; vielmehr ist vorgesehen, Hohlräume in zusammenhängender Form im Bauteil bereitzustellen. The points of the point target matrix can be arranged in storage layers. In this case, the point-target matrix can be approached in layers, so that first the points of a first storage layer are approached, it not having to be possible to approach all points of the first storage layer. Subsequently, ie after moving to the first deposit layer, points of a second deposit layer are then approached, it again not being necessary for all points of the second deposit layer to be approached will; Rather, it is intended to provide cavities in a continuous form in the component.
Der Schritt Aufträgen kann das Aufträgen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterial dergestalt umfassen, dass zumindest eine Ablageschicht Bereiche mit undurchlässiger Materialstruktur aufweist. Das Aufträgen kann auch so ausgestaltet werden, dass zumindest eine Ablageschicht Bereiche mit poröser Materialstruktur aufweist. The application step can include the application of the porous or porous starting material in such a way that at least one storage layer has areas with an impermeable material structure. The application can also be designed in such a way that at least one storage layer has areas with a porous material structure.
Das Aufträgen kann ferner auch so gestaltet werden, dass zumindest eine Ablageschicht sowohl undurchlässige Materialstruktur als auch poröse Materialstruktur aufweist, welche mit demselben porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterial aufgetragen ist. Mit anderen Worten kann in einer Ablageschicht sowohl undurchlässige Materialstruktur als auch poröse Materialstruktur mit dem vorliegenden Verfahren aufgebaut werden. Grundsätzliche Idee der vorliegenden Erfindung bleibt dabei, dass alle Bereiche monolithisch, d. h. einstückig miteinander verbunden sind. Im Rahmen dieser Erfindung konnte dabei realisiert werden, dass Bereiche mit undurchlässiger Materialstruktur einstückig mit Bereichen mit poröser Materialstruktur gemeinsam aufgebaut werden. Dies lässt sich durch die Einstellung des Ausgangsmaterials am anzufahrenden Punkt erreichen. The application can also be designed in such a way that at least one storage layer has both an impermeable material structure and a porous material structure, which is applied with the same porous or porous starting material. In other words, both an impermeable material structure and a porous material structure can be built up in a storage layer using the present method. The basic idea of the present invention remains that all areas are monolithic, d. H. are integrally connected. Within the scope of this invention, it was possible to realize that areas with an impermeable material structure are constructed in one piece together with areas with a porous material structure. This can be achieved by adjusting the starting material at the point to be approached.
Das Aufträgen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterial kann dergestalt durchgeführt werden, dass die teilweise oder bereichsweise poröse Materialstruktur des Bauteils chaotisch angeordnet oder aufgebaut ist. Mit anderen Worten weist die poröse Materialstruktur eine chaotischer Anordnung bzw. einen chaotischen Aufbau auf. Chaotisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die konkrete mikroporöse Struktur, die mit dem Aufträgen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials erzielt wird, in ihrer mikroporösen konkreten Gestaltung nicht so exakt reproduzierbar ist, dass ein Bauteil einem zweiten Bauteil an einem konkreten Punkt der Punkt-Target-Matrix gleicht. Vielmehr ist Idee der vorliegenden Erfindung jedenfalls in einem Aspekt, dass die konkrete Porenstruktur nicht im Mikrometerbereich exakt festgelegt wird, sondern lediglich hinsichtlich der Wirkung eingestellt wird. So lässt sich eine erzielbare Porengröße grundsätzlich im Materialauftrag einstellen, nicht aber die exakte Anordnung und Struktur der erzielten Poren. Hinsichtlich der technischen Wirkung ist dies weder ein Unterschied noch ein Nachteil. Im Gegenteil liegt dem Aspekt der Vorteil inne, dass auf eine exakte Modellierung jeder einzelnen Pore verzichtet werden kann und lediglich eine gewünschte Porosität eingestellt wird. Auf die konkrete Anordnung der Poren zueinander kommt es hierbei gar nicht an. Die in dieser Weise erzeugte und bereitgestellte Porosität kann daher als
intrinsische Porosität beschrieben werden. Die Erfinder haben vorliegend erkannt, dass es ausreicht und besonders vorteilhaft ist, eine solche intrinsische Porosität bereitzustellen, da dadurch Bauteile erheblich schneller und zugleich kostengünstiger hergestellt werden können als mit bekannten Verfahren. The application of the porous or porous starting material can be carried out in such a way that the partly or regionally porous material structure of the component is arranged or built up chaotically. In other words, the porous material structure has a chaotic arrangement or a chaotic structure. In this context, chaotic means that the specific microporous structure that is achieved with the application of the porous or porous starting material is not so exactly reproducible in its specific microporous design, that a component meets a second component at a specific point of the point target Matrix equals. Rather, the idea of the present invention is, at least in one aspect, that the specific pore structure is not defined exactly in the micrometer range, but is only adjusted with regard to the effect. In principle, an achievable pore size can be set when the material is applied, but not the exact arrangement and structure of the pores achieved. In terms of technical effect, this is neither a difference nor a disadvantage. On the contrary, the aspect has the advantage that an exact modeling of each individual pore can be dispensed with and only a desired porosity is adjusted. The specific arrangement of the pores in relation to one another is not important here. The porosity created and provided in this way can therefore be used as intrinsic porosity can be described. In the present case, the inventors have recognized that it is sufficient and particularly advantageous to provide such an intrinsic porosity, since this allows components to be produced considerably more quickly and at the same time more cost-effectively than with known methods.
Die Idee der Einstellung der Porosität des Ausgangsmaterials - im Unterschied zur Modellierung jeder einzelnen Pore - kann auch bei nass gefällten Flachmembranen oder Kapillarmembranen aus Polymeren (NIPS) genutzt werden. Ebenfalls kann dies in einem solchen Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise für Polymermembranen, die mittels thermisch induzierter Phaseninversion bzw. -separation (TiPS) hergestellt werden. The idea of adjusting the porosity of the starting material - in contrast to modeling each individual pore - can also be used with wet-precipitated flat membranes or capillary membranes made of polymers (NIPS). This can also be used in such a method, for example for polymer membranes that are produced by means of thermally induced phase inversion or phase separation (TiPS).
Die teilweise oder bereichsweise poröse Materialstruktur des Bauteils kann mit dem Auftrag des Ausgangsmaterials im bzw. am Bauteil entstehen und einen nicht repetitiven Aufbau, d.h. einen „chaotischen“ oder „nicht-deterministischen“ Aufbau bzw. Anordnung aufweisen. Die Struktur bzw. der Aufbau der porösen Materialstruktur ist dabei, wie zuvor beschrieben, nicht in einer solchen Form wiederholbar, dass eine exakt gleiche Porenanordnung durch die Wiederholung der Bauteilherstellung erreicht werden könnte. Vielmehr wird ein zweites Bauteil hinsichtlich eines Vergleichs zu dem ersten Bauteil an einem konkreten Punkt der Punkt-Target- Matrix eine vergleichbare Porosität aufweisen, wobei die Porosität im erfindungsgemäßen Verfahren eingestellt ist bzw. einstellbar ist, nicht aber die exakte Porenverteilung und Anordnung im Bauteil. Das Ausgangsmaterial kann daher bevorzugt intrinsisch-porös eingestellt sein bzw. hergerichtet sein. Mit anderen Worten ist es besonders vorteilhaft, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Auftragsmaschine nicht die Position einer jeden Pore exakt einzustellen, sondern die Porosität in einer Materialstruktur. The partially or regionally porous material structure of the component can result from the application of the starting material in or on the component and can have a non-repetitive structure, i.e. a “chaotic” or “non-deterministic” structure or arrangement. As described above, the structure or construction of the porous material structure cannot be repeated in such a way that an exactly identical pore arrangement could be achieved by repeating the component production. Rather, a second component will have a comparable porosity with regard to a comparison to the first component at a specific point of the point target matrix, the porosity being set or adjustable in the method according to the invention, but not the exact pore distribution and arrangement in the component. The starting material can therefore preferably be made or prepared to be intrinsically porous. In other words, it is particularly advantageous not to precisely adjust the position of each pore with the method according to the invention or with the application machine according to the invention, but rather the porosity in a material structure.
Die poröse Materialstruktur weist dabei bevorzugt eine offene Porosität auf. Die undurchlässige Materialstruktur kann hingegen eine geschlossene Porosität oder gar keine Porosität aufweisen, jedenfalls keine Offenporigkeit. The porous material structure preferably has an open porosity. The impermeable material structure, on the other hand, can have closed porosity or no porosity at all, in any case no open porosity.
Die poröse Materialstruktur kann sich dadurch auszeichnen, dass diese zumindest teilweise permeabel für das Fluid oder jedenfalls für Bestandteile des Fluids eingestellt ist. Die poröse Materialstruktur kann sich dadurch auszeichnen, dass dort ein geringerer Widerstand für die Durchströmung oder Durchdringung eines Fluids durch die poröse Materialstruktur vorliegt als in der undurchlässigen Materialstruktur. Es kann sich dabei als vorteilhaft erweisen, wenn sich die Poren jedenfalls teilweise miteinander verbunden herausbilden, so dass ein Fluid von einer Pore zur nächsten Fließen kann und sich insgesamt eine Strömung durch die poröse
Materialstruktur ausbilden kann. Die offene Porosität bedeutet also bevorzugt, dass eine Pore typischerweise mit mindestens zwei weiteren Poren im kommunizierenden Flüssigkeitsaustausch steht, wenn ein Fluid durch die poröse Materialstruktur fließt. Dabei kann die Flüssigkeit dadurch zum Fließen gebracht werden, indem die Flüssigkeit unter Aufbringung eines Druckgradienten, beispielsweise erzeugt durch die Schwerkraft und ohne äußere Pumpeinrichtung, oder auch durch Einwirkung einer Pumpeinrichtung, durch das Bauteil befördert wird. The porous material structure can be characterized in that it is at least partially permeable to the fluid or at least to components of the fluid. The porous material structure can be characterized in that there is less resistance to the flow or penetration of a fluid through the porous material structure than in the impermeable material structure. It can prove to be advantageous if the pores are at least partially connected to one another, so that a fluid can flow from one pore to the next and a flow can take place overall through the porous Material structure can form. The open porosity therefore preferably means that a pore is typically in fluid communication with at least two other pores when a fluid flows through the porous material structure. The liquid can be made to flow by conveying the liquid through the component with the application of a pressure gradient, for example generated by gravity and without an external pump device, or also by the action of a pump device.
Die poröse Materialstruktur kann eine offene mikro-oder mesoporöse Struktur aufweisen. Die mittlere Porengröße kann dabei kleiner als 40 pm sein, bevorzugt kleiner 5 pm und weiter bevorzugt sogar kleiner als 1 pm. Solche mittleren Porengrößen sind mit vergleichbaren Verfahren bislang unerreicht. The porous material structure can have an open microporous or mesoporous structure. The average pore size can be less than 40 μm, preferably less than 5 μm and more preferably even less than 1 μm. Such mean pore sizes have not been achieved with comparable processes to date.
Die poröse Materialstruktur weist bevorzugt eine mittlere Volumenporosität von 20 % oder größer auf, bevorzugt 35 % oder größer. Je nach Herstellungsverfahren kann die mittlere Volumenporosität sogar 50 % oder größere Werte erreichen. The porous material structure preferably has an average volume porosity of 20% or greater, preferably 35% or greater. Depending on the manufacturing process, the average volume porosity can even reach 50% or more.
Die undurchlässige Materialstruktur kann eine höhere Dichte aufweisen als die poröse Materialstruktur. Das Verhältnis der Dichte der undurchlässigen Materialstruktur zu derjenigen der porösen Materialstruktur liegt insbesondere bei 1 ,2 : 1 , bevorzugt bei 1,5 : 1 und noch weiter bevorzugt bei 2 : 1. Mit anderen Worten ist die Materialstruktur in undurchlässigen Bereichen dichter aufgebaut als in Bereichen poröser Materialstruktur. Dabei kann das Verhältnis der Dichte der undurchlässigen Materialstruktur zu der porösen Materialstruktur auch in Intervallen angegeben sein, beispielsweise in einem Intervall zwischen 1 ,2 : 1 bis 1 ,5 : 1 und bevorzugt in dem Intervall von 1 ,5 : 1 bis 2 : 1. The impermeable material structure can have a higher density than the porous material structure. The ratio of the density of the impermeable material structure to that of the porous material structure is in particular 1.2: 1, preferably 1.5: 1 and even more preferably 2: 1. In other words, the material structure is denser in impermeable areas than in Areas of porous material structure. The ratio of the density of the impermeable material structure to the porous material structure can also be specified in intervals, for example in an interval between 1.2:1 to 1.5:1 and preferably in the interval from 1.5:1 to 2:1 .
Der Schritt Einstellen der Porosität des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials kann beispielsweise umfassen die Beimischung von Additiv -oder Füllstoff zu dem Ausgangsmaterial zum Einstellen der Porosität im Moment des Materialauftrags. Insbesondere wird dies durchgeführt an dem jeweils anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix. Das Einstellen kann auch das Einstellen von Härtungsparametern für den jeweils anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix umfassen. The step of adjusting the porosity of the porous or porous starting material can include, for example, adding additives or fillers to the starting material to adjust the porosity at the moment the material is applied. In particular, this is carried out at the point of the point-target matrix to be approached in each case. The adjustment can also include the adjustment of hardening parameters for the respective point of the point-target matrix to be approached.
Der Schritt Einstellen kann ferner auch die Auswahl von einem anzuwendenden Ausgangsmaterial aus einer Mehrzahl von zumindest zwei Ausgangsmaterialien umfassen, wobei die zumindest zwei Ausgangsmaterialien abwechselnd oder gleichzeitig zugeführt werden können. Insbesondere kann dies so ausgestaltet werden, dass die zumindest zwei
Ausgangsmaterialien an dem jeweils anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix bereitgestellt werden zur Herstellung des monolithischen Bauteils. The adjusting step can also include the selection of a starting material to be used from a plurality of at least two starting materials, wherein the at least two starting materials can be supplied alternately or simultaneously. In particular, this can be configured so that the at least two Starting materials are provided at the point of the point-target matrix to be approached in each case for the production of the monolithic component.
Der Schritt Einstellen kann auch das Bereitstellen einer ortsabhängigen Strahlungsintensität mit einer Strahlungsquelle umfassen, die auf den Materialauftrag gerichtet ist, d. h. also insbesondere auf den anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix. Alternativ kann der Schritt Einstellen die ortsabhängige Einstellung der Lichtabsorptionsfähigkeit des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials umfassen, so dass der Bauteilaufbau insbesondere mittels einer ortsunabhängigen Strahlungsquelle durchführbar ist. The adjusting step can also include providing a location-dependent radiation intensity with a radiation source that is directed at the material application, i. H. i.e. in particular to the point of the point target matrix to be approached. Alternatively, the adjustment step can include the location-dependent adjustment of the light absorption capacity of the porous or porous starting material, so that the component construction can be carried out in particular by means of a location-independent radiation source.
Als Additiv können dabei polymere oder anorganische Nanopartikel eingesetzt sein. Als Nanopartikel werden Partikel mit einem mittleren Durchmesser von typischerweise 100 nm oder weniger bezeichnet. Beispielsweise können die Nanopartikel einen mittleren Durchmesser von 900 nm oder weniger, 500 nm oder weniger, 100 nm oder weniger oder auch 50 nm oder weniger aufweisen. Als Füllstoff kann dabei ein anorganischer oder organischer Füllstoff eingesetzt sein. Polymeric or inorganic nanoparticles can be used as an additive. Particles with an average diameter of typically 100 nm or less are referred to as nanoparticles. For example, the nanoparticles can have an average diameter of 900 nm or less, 500 nm or less, 100 nm or less or 50 nm or less. An inorganic or organic filler can be used as the filler.
Die Poren des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials können beim Materialauftrag, d. h. also insbesondere zu dem konkreten Zeitpunkt und dem konkreten Ort des anzufahrenden Punktes der Punkt-Target-Matrix, so gestaltet oder vorbereitet werden, dass diese im Bauteil eine zusammenhängende poröse Materialstruktur ausbilden. The pores of the porous or porous starting material can during material application, i. H. ie in particular at the specific point in time and the specific location of the point of the point target matrix to be approached, are designed or prepared in such a way that they form a coherent porous material structure in the component.
Die Poren können auch so bereitgestellt werden, dass diese eine rundliche oder kartoffelförmige Einzelstruktur aufweisen. The pores can also be provided to have a rounded or potato-shaped single structure.
Die poröse Materialstruktur des Bauteils kann so aufgebaut und/oder angeordnet sein, dass diese geeignet ist, eine Hüllseite von einer Trägerseite permeabel abzutrennen. Mit anderen Worten wird das Bauteil so vorbereitet, dass die poröse Materialstruktur auf ihrer ersten Seite eine Hüllseite bildet und auf ihrer zweiten Seite eine Trägerseite bildet. Konkret kann in einem Beispiel die poröse Materialstruktur als Membran bezeichnet werden, wobei die Membran zwei Flachseiten aufweist und die erste Flachseite von einem Hüllfluid überstrichen wird, wobei die zweite Flachseite von einem Trägerfluid überstrichen wird. The porous material structure of the component can be constructed and/or arranged in such a way that it is suitable for separating an envelope side from a carrier side in a permeable manner. In other words, the component is prepared in such a way that the porous material structure forms an envelope side on its first side and a carrier side on its second side. Specifically, in one example, the porous material structure can be referred to as a membrane, with the membrane having two flat sides and the first flat side being swept by an enveloping fluid, with the second flat side being swept by a carrier fluid.
Im Rahmen der Erfindung wird auch ein monolithisches Bauteil beschrieben, insbesondere als Vorrichtung zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid, weiter insbesondere hergestellt nach dem wie vorstehend beschriebenen Verfahren. Das monolithische Bauteil umfasst eine erste und eine der ersten gegenüberliegende zweite Stirnseite. Zwischen der ersten und der zweiten Stirnseite ist eine poröse Struktur angeordnet, welche mit den
Stirnseiten einstückig aufgebaut und verbunden ist. Die poröse Struktur ist jedenfalls bereichsweise oder jedenfalls teilweise permeabel eingerichtet. A monolithic component is also described within the scope of the invention, in particular as a device for separating components from a fluid, further in particular produced by the method as described above. The monolithic component comprises a first and a second end face opposite the first end face. A porous structure is arranged between the first and the second end face, which with the End faces is constructed in one piece and connected. In any case, the porous structure is designed to be permeable in some areas or at least in part.
Die poröse Struktur ist ferner so hergerichtet und angeordnet, eine Hüllseite von einer Trägerseite zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise permeabel abzutrennen. Auf der Trägerseite ist dabei ein Trägerfluid bereitstellbar. The porous structure is also prepared and arranged in such a way that an envelope side can be separated from a carrier side at least partially and/or at least in regions in a permeable manner. A carrier fluid can be provided on the carrier side.
Die poröse Struktur ist dabei hergerichtet, einen Stofftransfer des Trägerfluids mit der Hüllseite zu gewährleisten. Ein Stofftransfer meint dabei insbesondere einen Transfer vom Trägerfluid in ein Hüllfluid und/oder von einem Hüllfluid in das Trägerfluid. The porous structure is designed to ensure mass transfer of the carrier fluid with the shell side. A mass transfer means in particular a transfer from the carrier fluid into an enveloping fluid and/or from an enveloping fluid into the carrier fluid.
Das monolithische Bauteil kann als Membranelement für eine Filtervorrichtung ausgestaltet sein oder als Filtervorrichtung als Ganzes ausgestaltet sein. Die Filtervorrichtung ist dann monolithisch mit der porösen Struktur als Membranelement aufgebaut. The monolithic component can be designed as a membrane element for a filter device or as a filter device as a whole. The filter device is then constructed monolithically with the porous structure as a membrane element.
Das monolithische Bauteil kann ferner ein monolithisch mit der porösen Struktur und der ersten und zweiten Stirnseite ausgebildete Umhäusung umfassen. Die poröse Struktur ist dabei bevorzugt von der Umhäusung gemeinsam mit der ersten und zweiten Stirnseite umschlossen. The monolithic component can further comprise a housing monolithically formed with the porous structure and the first and second faces. The porous structure is preferably surrounded by the housing together with the first and second end faces.
Auf der Hüllseite des monolithischen Bauteils ist bevorzugt ein Hüllfluid bereitstellbar, so dass in dem oder durch das monolithische Bauteil sowohl das Trägerfluid als auch das Hüllfluid strömen kann. Das Trägerfluid ist dann mittels der porösen Struktur von dem Hüllfluid abgetrennt. Das monolithische Bauteil kann auch so bereitgestellt werden, dass die poröse Struktur semipermeabel oder selektiv-permeabel eingerichtet ist. An enveloping fluid can preferably be provided on the enveloping side of the monolithic component, so that both the carrier fluid and the enveloping fluid can flow in or through the monolithic component. The carrier fluid is then separated from the sheath fluid by means of the porous structure. The monolithic component can also be provided in such a way that the porous structure is designed to be semipermeable or selectively permeable.
Das monolithische Bauteil kann hinsichtlich der porösen Struktur so hergerichtet sein, dass diese eingerichtet ist für Stoffe und/oder Partikel mit einer Größe kleiner als 10 pm, bevorzugt kleiner als 2 pm und weiter bevorzugt kleiner als 0,5 pm, für welche die poröse Struktur permeabel, semi-permeabel oder selektiv-permeabel eingerichtet ist. With regard to the porous structure, the monolithic component can be prepared in such a way that it is set up for substances and/or particles with a size smaller than 10 μm, preferably smaller than 2 μm and more preferably smaller than 0.5 μm, for which the porous structure permeable, semi-permeable or selectively permeable.
Das monolithische Bauteil kann hergerichtet sein zur Aufnahme und Ableitung des Trägerfluids auf der Trägerseite und eines Hüllfluids auf der Hüllseite. Das Trägerfluid wie auch das Hüllfluid können dann durch das monolithische Bauteil strömen zur Bereitstellung einer Trägerströmung und einer Hüllströmung in dem monolithischen Bauteil. The monolithic component can be prepared for receiving and discharging the carrier fluid on the carrier side and a sheath fluid on the sheath side. The carrier fluid as well as the sheath fluid can then flow through the monolithic component to provide a carrier flow and a sheath flow in the monolithic component.
Die poröse Struktur des monolithischen Bauteils kann Filterkapillaren umfassen, insbesondere Membrankapillaren. The porous structure of the monolithic component can include filter capillaries, in particular membrane capillaries.
Die erste Stirnseite des monolithischen Bauteils kann plattenförmig ausgebildet sein. Die poröse Struktur ist an der ersten Stirnseite einstückig angeformt, also insbesondere integral mit der ersten Stirnseite gemeinsam ausgebildet. Die poröse Struktur ist dann monolithisch, d. h.
einstückig mit der ersten Stirnseite ausgebildet. Besonders bevorzugt bestehen erste Stirnseite und poröse Struktur aus demselben Material. The first end face of the monolithic component can be designed in the form of a plate. The porous structure is formed in one piece on the first end face, ie in particular formed integrally together with the first end face. The porous structure is then monolithic, ie formed integrally with the first end face. Particularly preferably, the first end face and the porous structure consist of the same material.
Auch die zweite Stirnseite kann plattenförmig ausgebildet sein. Die poröse Struktur kann - wie zur ersten Stirnseite beschrieben - an der zweiten Stirnseite einstückig angeformt sein, insbesondere integral mit der zweiten Stirnseite ausgebildet. The second end face can also be designed in the form of a plate. As described for the first end face, the porous structure can be formed in one piece on the second end face, in particular formed integrally with the second end face.
Die poröse Struktur kann eine Mehrzahl von länglich erstreckten Membranrohren oder Filterkapillaren umfassen. Die Membranrohre oder Filterkapillaren verbinden die erste Stirnseite des monolithischen Bauteils mit der zweiten Stirnseite einstückig und bevorzugt integral. The porous structure may comprise a plurality of elongate membrane tubes or filter capillaries. The membrane tubes or filter capillaries connect the first end face of the monolithic component to the second end face in one piece and preferably integrally.
Die Membranrohre oder Filterkapillaren weisen bevorzugt eine Innenseite auf. Die Innenseite der Membranrohre oder Filterkapillaren bilden dabei die Trägerseite. Das Trägerfluid kann demnach auf der Innenseite entlang strömen. Besonders bevorzugt sind Membranrohre oder Filterkapillaren rohrförmig ausgebildet, so dass die Trägerseite in dem rohrförmigen Gebilde gebildet ist und dort das Trägerfluid strömt. The membrane tubes or filter capillaries preferably have an inside. The inside of the membrane tubes or filter capillaries form the carrier side. The carrier fluid can therefore flow along the inside. Membrane tubes or filter capillaries are particularly preferably tubular, so that the carrier side is formed in the tubular structure and the carrier fluid flows there.
Die Membranrohre oder Filterkapillaren bilden bevorzugt auf ihren Außenseiten die Hüllseite. Das Hüllfluid kann demnach auf der Außenseite entlang strömen. The membrane tubes or filter capillaries preferably form the shell side on their outsides. The sheath fluid can therefore flow along the outside.
Die Membranrohre oder Filterkapillaren weisen typischerweise eine rohr- oder röhrenförmige Ausgestaltung auf. Der Durchmesser der rohr-oder röhrenförmigen Ausgestaltung kann dabei entlang der Länge variieren. Die Membranrohre oder Filterkapillaren sind bevorzugt im Wesentlichen gerade rohrförmig erstreckt. The membrane tubes or filter capillaries typically have a tubular or tubular design. The diameter of the tubular or tubular configuration can vary along the length. The membrane tubes or filter capillaries are preferably essentially straight and tubular.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Membranrohre oder Filterkapillaren spannungstolerant, insbesondere längsspannungstolerant, aber auch querspannungstolerant, ausgerüstet. Wenn die ersten Stirnseite und die zweite Stirnseite zueinander parallel angeordnet sind, kann eine Längsspannung eine Kraftbeaufschlagung auf die Membranrohre oder Filterkapillaren implizieren, bei welcher die Stirnseiten zueinander parallel angeordnet verbleiben, möglicherweise aber parallel verschoben werden; Eine über ein Maß ansteigende Längsspannung kann also in eine Ausweichbewegung der Stirnseiten zueinander resultieren. Dabei werden die Membranrohre oder Filterkapillaren entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung kraftbeaufschlagt, also typischerweise gestaucht, aber auch gelängt. Es kann zum Bruch der Membranrohre oder Filterkapillaren kommen. Eine Querspannung kann implizieren, dass eine Kraftbeaufschlagung auf die Membranrohre oder Filterkapillaren auftritt, bei welcher die Stirnseiten zueinander gekippt werden, also eine Kraftbeaufschlagung senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung der Membranrohre oder Filterkapillaren. Wenn die Membranrohre
oder Filterkapillaren spannungstolerant ausgerüstet sind, dann können sie mit einem höheren Maß an Längsspannung und/oder Querspannung beaufschlagt werden als ein vergleichbares gerades Membranrohr bzw. Filterkapillare. Mit anderen Worten wird insbesondere die Geometrie der Membranrohre bzw. Filterkapillaren so aufgebaut, dass eine höhere Längsspannung, oder auch Querspannung, aufgenommen werden kann ohne dass ein Bruch der Membranrohre oder Filterkapillaren folgt. Eine Ausführungsform für ein Membranrohr oder eine Filterkapillare, welche spannungstolerant ausgerüstet ist, ist ein federartig stauchbares Membranrohr bzw. In a preferred embodiment, the membrane tubes or filter capillaries are designed to be stress-tolerant, in particular longitudinal stress-tolerant, but also transverse stress-tolerant. If the first end and the second end are arranged parallel to one another, a longitudinal tension may imply a force application to the membrane tubes or filter capillaries, in which the end faces remain arranged parallel to one another, but possibly are shifted parallel; A longitudinal stress that increases beyond a certain point can therefore result in a evasive movement of the end faces towards one another. In this case, the membrane tubes or filter capillaries are subjected to a force along their main extension direction, that is to say they are typically compressed, but also lengthened. The membrane tubes or filter capillaries can break. A transverse stress can imply that a force is applied to the membrane tubes or filter capillaries, in which case the end faces are tilted relative to one another, ie a force is applied perpendicularly to the main direction of extension of the membrane tubes or filter capillaries. If the membrane tubes or filter capillaries are designed to be stress-tolerant, they can be subjected to a higher degree of longitudinal stress and/or transverse stress than a comparable straight membrane tube or filter capillary. In other words, in particular the geometry of the membrane tubes or filter capillaries is constructed in such a way that a higher longitudinal stress or transverse stress can be absorbed without the membrane tubes or filter capillaries breaking. An embodiment of a membrane tube or a filter capillary that is designed to be stress-tolerant is a spring-like compressible membrane tube or
Filterkapillare. Beispielsweise kann das Membranrohr bzw. die Filterkapillare um 1 mm oder mehr gestaucht werden, ohne dass diese geschädigt oder zerstört wird, bevorzugt um 2 mm oder mehr, weiter bevorzugt um 5 mm oder mehr, noch weiter bevorzugt um 10 mm oder mehr, schließlich bevorzugt um 20 mm oder mehr. Andererseits kann die Längenänderungstoleranz - also die Längenänderung, die sich bei Spannungsbeaufschlagung durch die Spannungstoleranz des Membranrohrs bzw. der Filterkapillare ergibt - 0,1 % der Ursprungslänge oder mehr, bevorzugt 0,2% oder mehr, weiter bevorzugt 0,5% oder mehr, noch weiter bevorzugt 1 % oder mehr, und schließlich 2% oder mehr der Ursprungslänge des Membranrohrs bzw. der Filterkapillare betragen. filter capillary. For example, the membrane tube or the filter capillary can be compressed by 1 mm or more without being damaged or destroyed, preferably by 2 mm or more, more preferably by 5 mm or more, even more preferably by 10 mm or more, finally preferred by 20 mm or more. On the other hand, the change in length tolerance - i.e. the change in length that results when voltage is applied due to the voltage tolerance of the membrane tube or the filter capillary - 0.1% of the original length or more, preferably 0.2% or more, more preferably 0.5% or more, even more preferably 1% or more, and finally 2% or more of the original length of the membrane tube or the filter capillary.
Spannungstolerant kann auch als elastisch, spannungsverteilend oder spannungsreduzierend aufgefasst werden, denn Spannungsspitzen in inelastischen Bereichen werden auf eine größere Bauteilfläche verteilt, ggf. aber sogar insgesamt reduziert, wenn das Bauteil dadurch eine Verformung zulässt. Besonders bevorzugt ist, dass die Membranrohre bzw. Filterkapillaren spannungsableitend ausgebildet sind, denn wenn die Membranrohre bzw. Filterkapillaren unter Krauftbeaufschlagung nachgeben können, z.B. federartig stauchen, und zugleich das Bauteilgehäuse steif genug ausgeführt ist, dann kann die beaufschlagte Spannung, z.B. die Druckspannung, auf das Bauteilgehäuse abgeleitet werden und von diesem aufgenommen werden. Stress-tolerant can also be understood as elastic, stress-distributing or stress-reducing, because stress peaks in inelastic areas are distributed over a larger component area, but may even be reduced overall if the component allows deformation as a result. It is particularly preferred that the membrane tubes or filter capillaries are designed to dissipate stress, because if the membrane tubes or filter capillaries can yield under the application of force, e.g. compress like a spring, and at the same time the component housing is designed to be sufficiently rigid, then the applied stress, e.g. the compressive stress, can be derived from the component housing and be accommodated by it.
Die Membranrohre oder Filterkapillaren können schraubenförmig oder helikal erstreckt sein, insbesondere als Doppelhelix oder Triplehelix, bei welchen zwei bzw. drei Membranrohre oder Filterkapillaren umeinanderlaufen. Eine solche schrauben- oder helixförmige Erstreckung der Membranrohre oder Filterkapillaren weist mehrere Vorteile auf. So wird der Stoffaustausch auf der Innenseite des Membranrohres bzw. der Filterkapillare intensiviert; auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen, wie eines Schocks oder
Verwindung des Bauteils, wird verbessert. Dies stellt eine geeignete Bauform dar, um die Membranrohre oder Filterkapillaren spannungstolerant auszurüsten, wie vorstehend beschrieben. The membrane tubes or filter capillaries can extend helically or helically, in particular as a double helix or triple helix, in which two or three membrane tubes or filter capillaries run around one another. Such a helical or helical extension of the membrane tubes or filter capillaries has several advantages. This intensifies the mass transfer on the inside of the membrane tube or the filter capillary; also the resistance to external mechanical influences, such as a shock or torsion of the component is improved. This represents a suitable design for equipping the membrane tubes or filter capillaries to be stress-tolerant, as described above.
Die Membranrohre oder Filterkapillaren weisen bevorzugt je eine von einem Fluid durchströmbare erste bzw. zweite Mündung auf. Die Mündung ist dabei bevorzugt jeweils integral mit der ersten bzw. zweiten Stirnseite ausgeführt. Mit anderen Worten geht die erste bzw. zweite Stirnseite einstückig von einer flächigen Erstreckung in die Mündung über. The membrane tubes or filter capillaries preferably each have a first or second opening through which a fluid can flow. The mouth is preferably designed integrally with the first or second end face. In other words, the first or second end face merges in one piece from a flat extension into the mouth.
Die Mündung kann eine strömungsführende Oberflächengestaltung aufweisen. Die strömungsführende Oberflächengestaltung verringert Strömungswiderstände für ein durchströmendes Fluid, beispielsweise indem Turbulenzen und/oder Druckschwankungen im Strömungsverlauf vermieden bzw. verringert werden. Eine solche strömungsführende Oberflächengestaltung der Mündung kann beispielsweise eine konusförmige, kegelmantelförmige, parabelförmige oder torusinnenflächenförmige Gestaltung aufweisen. Die strömungsführende Oberflächengestaltung ist insbesondere konzentrisch um die Mündung herum angeordnet bzw. aufgebaut und einstückig in die erste oder zweite Stirnseite eingelassen. Mit anderen Worten geht die Mündung einstückig in die erste oder zweite Stirnseite über. The orifice can have a flow-guiding surface configuration. The flow-guiding surface design reduces flow resistances for a fluid flowing through, for example by avoiding or reducing turbulence and/or pressure fluctuations in the course of the flow. Such a flow-guiding surface design of the orifice can have, for example, a conical, cone-shaped, parabolic or torus-shaped inner surface design. The flow-guiding surface configuration is in particular arranged or constructed concentrically around the mouth and embedded in one piece in the first or second end face. In other words, the mouth merges into the first or second end face in one piece.
Das monolithische Bauteil kann ferner einen mit der ersten Stirnseite und der porösen Struktur monolithisch ausgebildeten ersten Trägerfluid-Sammelanschluss umfassen. Der erste Trägerfluid-Sammelanschluss ist insbesondere ein Zulauf für das Trägerfluid. The monolithic component can further include a first carrier fluid collection port formed monolithically with the first end face and the porous structure. The first carrier fluid collection port is in particular an inlet for the carrier fluid.
Das monolithische Bauteil kann ferner einen mit der zweiten Stirnseite und der porösen Struktur monolithisch aufgebauten zweiten Trägerfluid-Sammelanschluss umfassen, also insbesondere einen Ablauf. The monolithic component can also comprise a second carrier fluid collection connection which is constructed monolithically with the second end face and the porous structure, ie in particular an outlet.
Ferner kann das monolithische Bauteil einen mit der porösen Struktur monolithisch ausgebildeten Hüllfluidanschluss umfassen. Der Hüllfluidanschluss kann mit der porösen Struktur auch über die erste bzw. zweite Stirnseite monolithisch gemeinsam ausgebildet sein. Furthermore, the monolithic component can comprise a sheath fluid connection formed monolithically with the porous structure. The enveloping fluid connection can also be formed monolithically together with the porous structure via the first or second end face.
Die poröse Struktur kann zumindest eine monolithisch mit der porösen Struktur ausgeführte Verbindung, Querverbindung oder Versteifung zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der porösen Struktur aufweisen. The porous structure can have at least one connection, cross-connection or stiffening made monolithically with the porous structure in order to increase the mechanical stability of the porous structure.
Die Verbindung, Querverbindung oder Versteifung kann die poröse Struktur mit der Umhäusung direkt einstückig verbinden. Mit anderen Worten kann die Verbindung, Querverbindung oder Versteifung so angeordnet sein, dass diese direkt und unmittelbar die poröse Struktur mit der Umhäusung verbindet, diese also zwischen poröser Struktur und Umhäusung so angeordnet ist. Die Verbindung, Querverbindung oder Versteifung kann auch
poröse Strukturen untereinander miteinander verbinden, beispielsweise dann wenn eine Mehrzahl poröser Strukturen gemeinsam ein Filterelement definieren. The connection, cross-connection or stiffener may directly integrally connect the porous structure to the housing. In other words, the connection, cross-connection or reinforcement can be arranged in such a way that it directly and immediately connects the porous structure to the housing, ie the latter is arranged between the porous structure and the housing. The connection, cross-connection or stiffener can also connect porous structures to each other, for example when a plurality of porous structures together define a filter element.
Die poröse Struktur kann zumindest einen Turbulator aufweisen zur Durchmischung des Trägerfluids und/oder zur Durchmischung des Hüllfluids. Ein Turbulator kann eine Verwirbelung in dem entsprechenden Fluid bereitstellen, so dass es zu einer verbesserten Durchmischung und somit zu einem verbesserten Stoffaustausch zwischen Hüllfluid und Trägerfluid kommt. The porous structure can have at least one turbulator for mixing the carrier fluid and/or for mixing the enveloping fluid. A turbulator can provide turbulence in the corresponding fluid, so that there is improved mixing and thus an improved mass transfer between the enveloping fluid and the carrier fluid.
Die poröse Struktur kann einen über die Länge veränderlichen Strömungsquerschnitt für das Trägerfluid und/oder das Hüllfluid bereitstellen. The porous structure can provide a flow cross section that is variable over the length for the carrier fluid and/or the sheath fluid.
Die poröse Struktur weist insbesondere bereichsweise oder teilweise eine höhere oder niedrigere Porosität und/oder Porenweitenverteilung auf. Die poröse Struktur kann undurchlässige Bereiche, permeable Bereiche und weitere Bereiche aufweisen, die eine unterschiedliche Porosität im Vergleich sowohl zu den undurchlässigen Bereichen als auch zu den permeablen Bereichen aufweist. Ein solcher weiter unterschiedlicher Bereich der Porosität kann so materialisiert sein, dass beispielsweise im Inneren der Membrankapillaren eine Art Beschichtung auf der Innenfläche ausgeführt ist. Die Beschichtung kann dabei monolithisch aus demselben Ausgangsmaterial aufgetragen sein. In particular, the porous structure has a higher or lower porosity and/or pore size distribution in some areas or in parts. The porous structure can have impermeable areas, permeable areas and other areas that have a different porosity compared to both the impermeable areas and the permeable areas. Such a further different range of porosity can be materialized in such a way that, for example, a type of coating is applied to the inner surface inside the membrane capillaries. The coating can be applied monolithically from the same starting material.
Die erste und/oder die zweite Stirnseite weist eine integrale Fluidsperre auf oder ist als integrale Fluidsperre ausgebildet, wobei die Fluidsperre die Strömung des Trägerfluids von der Hüllströmung trennt. In vorteilhafter Weise ist hier vollständig der Einsatz von Vergussmasse vermieden, so dass deren begleitende Nachteile ausgeräumt sind. The first and/or the second end face has an integral fluid barrier or is designed as an integral fluid barrier, with the fluid barrier separating the flow of the carrier fluid from the enveloping flow. Advantageously, the use of potting compound is completely avoided here, so that the associated disadvantages are eliminated.
Das monolithische Bauteil ist bevorzugt aus dem porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterial vollständig aufgebaut. The monolithic component is preferably made up entirely of the porous or porous starting material.
Das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial weist bevorzugt anorganische, also z.B. metallische und/oder keramische, Bestandteile auf. Solche anorganischen Bestandteile können insbesondere als anorganische Paste, z.B. eine keramische Paste, bereitgestellt werden. Das Ausgangsmaterial kann ferner Polymere aufweisen, insbesondere bereitgestellt als Polymerpulver, umfassend beispielsweise Polypropylen oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyethersulfon (PES), Polysulfon (PSU), Polyamid (PA), Polyacrylnitril (PAN), Peloyetheretherketon (PEEK), Polyethylenterephtalat (PET) oder dgl. Das Ausgangsmaterial kann also in Form von Polymeren zumindest eines aus Polyolefine, beispielsweise Polypropylen, Polyamide, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyethersulfon (PES) umfassen. Das Ausgangsmaterial kann auch ein Polymer-Lösemittel-Gemisch umfassen, beispielsweise in
geschmolzener Form. Das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial kann ferner als Polymerlösung mit anorganischen Füllstoffen, insbesondere keramischen, metallischen und/oder polymeren Füllstoffen, bereitgestellt werden. Mit anderen Worten kann das Ausgangsmaterial keramische, metallische und/oder polymere Bestandteile, ggf. in einem Mischungsverhältnis zueinander, umfassen. The porous or porous starting material preferably has inorganic, ie, for example metallic and/or ceramic, components. Such inorganic components can be provided in particular as an inorganic paste, for example a ceramic paste. The starting material can also have polymers, in particular provided as a polymer powder, including, for example, polypropylene or polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyether sulfone (PES), polysulfone (PSU), polyamide (PA), polyacrylonitrile (PAN), peloyether ether ketone (PEEK), polyethylene terephthalate (PET) or the like. The starting material can thus comprise, in the form of polymers, at least one of polyolefins, for example polypropylene, polyamides, polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyether sulfone (PES). The starting material can also comprise a polymer-solvent mixture, for example in melted form. The porous or porous starting material can also be provided as a polymer solution with inorganic fillers, in particular ceramic, metallic and/or polymeric fillers. In other words, the starting material can comprise ceramic, metallic and/or polymeric components, optionally in a mixing ratio to one another.
Von der Erfindung umfasst ist ferner auch ein monolithisches Bauteil, welches nach einem wie eingangs beschriebenen Verfahren hergestellt ist. The invention also includes a monolithic component which is produced using a method as described above.
Die Erfindung beschreibt ferner ein monolithisch aufgebautes Filtermodul für eine Vorrichtung zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid. Das monolithisch aufgebaute Filtermodul umfasst dabei eine erste und eine der ersten gegenüberliegenden zweiten Stirnseite. Das Filtermodul umfasst ferner ein, insbesondere längliches oder röhrenförmigen, einstückig mit der ersten und zweiten Stirnseite ausgebildetes Filtergehäuse. The invention also describes a monolithic filter module for a device for separating components from a fluid. The filter module of monolithic construction comprises a first end face and a second end face lying opposite the first. The filter module also includes a filter housing, in particular an elongate or tubular one, formed in one piece with the first and second end faces.
Das Filtermodul weist ferner eine in dem Filtergehäuse angeordnete und mit den Stirnseiten und dem Filtergehäuse einstückig aufgebaute und verbundene poröse Struktur auf. Die poröse Struktur ist dabei jedenfalls teilweise oder bereichsweise permeabel eingerichtet. Das Filtermodul weist ferner zumindest einen Trägerfluid-Sammelanschluss und zumindest einen Hüllfluidanschluss auf. The filter module also has a porous structure which is arranged in the filter housing and is constructed and connected in one piece to the end faces and the filter housing. In any case, the porous structure is designed to be permeable in part or in certain areas. The filter module also has at least one carrier fluid collection port and at least one sheath fluid port.
Die erste Stirnseite und die zweite Stirnseite des Filtermoduls sind jeweils als integrale Fluidsperre ausgebildet zum Unterbinden einer Querströmung zwischen Trägerfluid- Sammelanschluss und Hüllfluid-Sammelanschluss. The first end face and the second end face of the filter module are each designed as an integral fluid barrier to prevent a cross flow between the carrier fluid collection port and the sheath fluid collection port.
Die poröse Struktur ist dabei so hergerichtet und angeordnet, eine Hüllseite von einer Trägerseite zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise permeable abzutrennen. The porous structure is prepared and arranged in such a way that an envelope side is separated from a carrier side in an at least partially and/or at least regionally permeable manner.
Auf der Trägerseite ist dabei ein Trägerfluid bereitstellbar. Die poröse Struktur ist dabei so hergerichtet, einen Stofftransfer des Trägerfluids mit der Hüllseite zu gewährleisten. A carrier fluid can be provided on the carrier side. The porous structure is prepared in such a way that mass transfer of the carrier fluid with the shell side is ensured.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments and with reference to the figures, in which identical and similar elements are sometimes provided with the same reference symbols and the features of the various exemplary embodiments can be combined with one another.
Kurzbeschreibunq der Figuren Brief description of the figures
Es zeigen:
Fig. 1 , 1 a, 1 b perspektivische Ansicht auf ein monolithisches Rohrbündel als Bauteil mit Detailausschnitten, Show it: 1, 1a, 1b perspective view of a monolithic tube bundle as a component with details,
Fig. 2, 2a, 2b ein monolithisches Bauteil in Schnittdarstellung, 2, 2a, 2b a monolithic component in a sectional view,
Fig. 3, 3a, 3b ein monolithisches Bauteil mit Gehäuse, 3, 3a, 3b a monolithic component with housing,
Fig. 4, 4a, 4b ein monolithisches Bauteil als Einsatzmodul, 4, 4a, 4b a monolithic component as an insert module,
Fig. 5, 5a, 5b ein monolithisches Bauteil als Filtermodul, 5, 5a, 5b a monolithic component as a filter module,
Fig. 6, 6a perspektivische Ansicht eines monolithischen Bauteils mit Stegen, 6, 6a perspective view of a monolithic component with webs,
Fig. 7, 7a, 7b monolithisches Bauteil als Kartusche mit Stegen und Detailansicht, 7, 7a, 7b monolithic component as a cartridge with webs and detailed view,
Fig. 8 ein monolithisches Bauteil mit zu Triplehelixen angeordneten Membranrohren in perspektivischer Darstellung, 8 shows a perspective representation of a monolithic component with membrane tubes arranged to form triple helixes,
Fig. 8a Segment eines in Tripelhelix angeordneten Membranrohrbündels, 8a segment of a membrane tube bundle arranged in a triple helix,
Fig. 9a, 9b, 9c Darstellungen eines Segments eines mäanderartig geformten Membranrohres,9a, 9b, 9c representations of a segment of a meander-shaped membrane tube,
Fig. 10 bis 10e monolithisches Bauteil mit variablem Membranrohrdurchmesser, 10 to 10e monolithic component with variable membrane tube diameter,
Fig. 11 - 11e weiteres Beispiel eines monolithischen Bauteils mit variabler Rohrgeometrie11-11e Another example of a monolithic component with variable tube geometry
Fig. 12a - 12e monolithisches Bauteil mit Einbauten bzw. inneren Strukturen (statische Mischer)Fig. 12a - 12e monolithic component with internals or internal structures (static mixer)
Fig. 13 - 13b monolithisches Bauteil mit aufgetragener Beschichtung Fig. 13 - 13b monolithic component with applied coating
Fig. 14 - 16 Darstellung verschiedener Haufwerke, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbar sind, Fig. 14 - 16 representation of different heaps that can be achieved with the method according to the invention,
Fig. 17 Beispielschema für verschiedene Verfahrensabläufe zur Herstellung eines monolithisch aufgebauten Filtermoduls, Fig. 17 example scheme for different process sequences for the production of a monolithic filter module,
Fig. 18 Auftragsvorrichtung zum Aufträgen von pulverförmigem Ausgangsmaterial,18 application device for applying powdered starting material,
Fig. 19 Heizofen zur Vorbehandlung von festem Ausgangsmaterial, Fig. 19 heating furnace for the pre-treatment of solid starting material,
Fig. 20 Mischvorrichtung, Fig. 20 mixing device,
Fig. 21 weitere Auftragsvorrichtung mit Zuführung, 21 further application device with feed,
Fig. 22 Anlage mit zwei wählbaren Auftragsvorrichtungen, Fig. 22 System with two selectable application devices,
Fig. 23 Anlage mit Anregungs- bzw. Aktivierungsanordnung, Fig. 23 system with excitation or activation arrangement,
Fig. 24 Einstellung der ortsabhängigen Lichtabsorptionsfähigkeit, Fig. 24 adjustment of the location-dependent light absorption capacity,
Fig. 25 weitere Auftragsvorrichtung, 25 further application device,
Fig. 26 noch ein Beispiel für eine Auftragsvorrichtung, 26 another example of an application device,
Fig. 27 Brennkammer mit Grünkörper, Fig. 27 Combustion chamber with green body,
Fig. 28 Waschbad für die Auswaschung von Produktionshilfsstoffen, Fig. 28 washing bath for washing out production aids,
Fig. 29 Spülvorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Fig. 29 Flushing device. Detailed description of the invention
Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines monolithischen Bauteils 50 gezeigt, welches eine erste Stirnseite 2 und eine zweite Stirnseite 2a sowie ein Bündel von Membranrohren 1 aufweist. Die beiden Stirnseiten 2, 2a sind einstückig mit den Membranrohren 1 aufgebaut und direkt verbunden. Die Membranrohre 1 und Endplatten 2 werden in einem Verfahrensschritt sukzessive gefertigt. Eine nachträgliche Verbindung durch Fügen, Schweißen, Kleben, Klemmen oder ähnlichem wird insbesondere nicht benötigt bzw. nicht hergestellt. Die Endplatten 2 und Membranrohre 1 sind aus gleichem, ähnlichem, zumindest aber kompatiblem Material hergestellt, so dass sich Endplatten 2 und Membranrohre 1 einstückig aufbauen lassen. Die Membranrohre 1 weisen Membraneinläufe 3 auf, welche in die jeweilige Stirnseite 2, 2a übergehen. Die Membraneinläufe 3 sind daher zugleich Teil des jeweiligen Membranrohres 1 wie auch Teil der jeweiligen Stirnseite 2, 2a. In diesem Beispiel stellen die Membraneinläufe 3 daher auch den jeweiligen Verbindungspunkt zwischen Membranrohr 1 und Endplatte 2, 2a dar, so dass auf den Membraneinlauf gegebenenfalls auch mechanische Kräfte wirken können. Der Membraneinlauf 3 kann daher auch hinsichtlich der mechanischen Widerstandsfähigkeit optimiert gestaltet werden, um die Bruchneigung im Bereich des Übergangs von Stirnseite 2, 2a zum jeweiligen Membranrohr 1 zu verringern. Die Membranrohre 1 bilden zusammen die Membran bzw. den Membranfilter 60a. Referring to FIG. 1, a first embodiment of a monolithic component 50 is shown, which has a first end face 2 and a second end face 2a and a bundle of membrane tubes 1. FIG. The two end faces 2, 2a are constructed in one piece with the membrane tubes 1 and are directly connected. The membrane tubes 1 and end plates 2 are successively manufactured in one process step. A subsequent connection by joining, welding, gluing, clamping or the like is in particular not required or not produced. The end plates 2 and membrane tubes 1 are made of the same, similar, but at least compatible material, so that the end plates 2 and membrane tubes 1 can be built in one piece. The membrane tubes 1 have membrane inlets 3, which merge into the respective end face 2, 2a. The membrane inlets 3 are therefore at the same time part of the respective membrane tube 1 as well as part of the respective end face 2, 2a. In this example, the membrane inlets 3 therefore also represent the respective connection point between the membrane tube 1 and the end plate 2, 2a, so that mechanical forces can possibly also act on the membrane inlet. The membrane inlet 3 can therefore also be optimized in terms of mechanical resistance in order to reduce the tendency to fracture in the area of the transition from the end face 2, 2a to the respective membrane tube 1. The membrane tubes 1 together form the membrane or the membrane filter 60a.
Fig. 1 a zeigt einen Detailausschnitt auf die Stirnseite 2a, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Membraneinläufe 3 sind hydraulisch günstig abgerundet gestaltet mit einem abgerundeten Trichterbereich 4a. Die abgerundeten Übergänge 4a von den Membranrohren 1 zu den Stirnseiten 2, 2a sorgen auch für eine mechanisch günstige Ankopplung der Membranrohre 1 an die jeweilige Endplatte 2, 2a. FIG. 1a shows a detail of the end face 2a, as shown in FIG. The diaphragm inlets 3 are rounded in a hydraulically favorable manner with a rounded funnel area 4a. The rounded transitions 4a from the membrane tubes 1 to the end faces 2, 2a also ensure a mechanically favorable coupling of the membrane tubes 1 to the respective end plate 2, 2a.
Fig. 1 b zeigt ein Detailausschnitt der Endplatte 2, wobei die abgerundeten Übergänge 4 von ihrer Außenseite in der perspektivischen Darstellung sichtbar sind. 1b shows a detail of the end plate 2, the rounded transitions 4 being visible from the outside in the perspective view.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung in einem Längsschnitt durch das monolithische Bauteil 50 entlang der in Fig. 2b mit A-A gekennzeichneten Linie. FIG. 2 shows a cross-sectional view of a longitudinal section through the monolithic component 50 along the line marked A-A in FIG. 2b.
Fig. 2b stellt dabei eine Aufsicht auf die Stirnseite 2 des monolithischen Bauteils 50 dar. So sind in der Fig. 2 drei geschnittene Membranrohre 1 dargestellt sowie die zwischen den Membranrohren befindlichen Freiräume der Hüllseite 10. Die Stirnseiten 2, 2a weisen einen
Anschlusskragen 58 auf, beispielsweise um damit das monolithische Bauteil 50 an ein weiteres Anschlussstück (nicht dargestellt) anzukoppeln. Fig. 2b shows a plan view of the end face 2 of the monolithic component 50. Thus, three cut membrane tubes 1 are shown in FIG Connection collar 58, for example in order to couple the monolithic component 50 to another connection piece (not shown).
Fig. 2a zeigt das Detail „B“ aus Fig. 2, wobei die Membraneinläufe 3 der Stirnseite 2 deutlicher dargestellt sind. Zwischen jedem Membranrohr 1 zum nächsten Membranrohr 1 befindet sich die Hüllseite 10. Die Membraneinläufe 3 sind abgerundet, um die mechanische Belastbarkeit, wie auch den Strömungsverlauf, an dieser Stelle zu verbessern. FIG. 2a shows the detail "B" from FIG. 2, the membrane inlets 3 of the end face 2 being shown more clearly. The shell side 10 is located between each membrane tube 1 and the next membrane tube 1. The membrane inlets 3 are rounded in order to improve the mechanical load-bearing capacity as well as the flow profile at this point.
Bezugnehmend auf Fig. 3 ist ein monolithisches Bauteil 50 dargestellt mit einem Zulauf 7 und einem Ablauf 7a an der jeweiligen Stirnseite 2, 2a des monolithischen Bauteils 50. Von der Stirnseite 2 erstrecken sich bis zur Stirnseite 2a die Membranrohre 1 und verbinden die beiden Stirnseiten 2, 2a einstückig miteinander. Ferner weist das monolithische Bauteil auch eine Außenseite 5 auf, in Form einer Umhäusung 5, welche die Hüllseite 10 auch zur Umwelt hin abschließt, und zwar insbesondere fluiddicht, wenn man von den dafür vorgesehenen Anschlüssen für den Hüllfluidzulauf bzw. Hüllfluidablauf 8, 8a absieht. Referring to Fig. 3, a monolithic component 50 is shown with an inlet 7 and an outlet 7a on the respective end face 2, 2a of the monolithic component 50. The membrane tubes 1 extend from the end face 2 to the end face 2a and connect the two end faces 2 , 2a integral with each other. Furthermore, the monolithic component also has an outer side 5 in the form of a housing 5, which also closes the shell side 10 off from the environment, in particular in a fluid-tight manner, apart from the connections provided for the shell fluid inlet and shell fluid outlet 8, 8a.
Fig. 3b stellt eine Aufsicht auf den mit Fig. 3 gezeigten Filter 50 dar, wobei die Linie A-A die Schnittebene verbildlicht, in welcher die Fig. 3 als Schnittansicht dargestellt ist. An einer Seite des monolithischen Bauteils 50 ist ein Hüllfluid-Sammelanschluss 56 angeordnet als Zulauf oder Ablauf für das Hüllfluid. Der Hüllfluid-Sammelanschluss 56 kann als Flansch ausgebildet sein, so dass dort zum Beispiel mittels Verschraubung eine Anschlussleitung für das Hüllfluid angeschlossen werden kann. An einer Längsseite, und zwar insbesondere an dem Zulauf 7, angeordnet ist ein Trägerfluid-Sammelanschluss 52, welcher ebenso als Flansch ausgebildet sein kann zum schraubförmigen oder geklemmten Anschluss einer Anschlussleitung für das Trägerfluid. FIG. 3b depicts a top view of the filter 50 shown with FIG. 3, with the line A-A depicting the sectional plane in which FIG. 3 is shown as a sectional view. A sheath fluid collection port 56 is arranged on one side of the monolithic component 50 as an inlet or outlet for the sheath fluid. The sheath fluid collection connection 56 can be designed as a flange, so that a connection line for the sheath fluid can be connected there, for example by means of a screw connection. A carrier fluid collection connection 52, which can also be designed as a flange for the screw-type or clamped connection of a connection line for the carrier fluid, is arranged on one longitudinal side, specifically on the inlet 7 in particular.
Fig. 3a zeigt das Detail „B“ der Fig. 3, wobei der Aufbau des Zulaufs 7 weiter verdeutlicht wird. Der Zulauf 7 bildet eine Trägerfluid-Kammer 54, in welcher das Trägerfluid zu den einzelnen, mit der Trägerfluid-Kammer 54 kommunizierend verbundenen Membranrohre 1 zugeführt wird oder aus den Membranrohren 1 abgeführt wird. Der Zulauf 7 ist einstückig mit der Stirnseite 2 sowie einstückig mit der Umhäusung 5 und den Membranrohren 1 ausgebildet. Die Membranrohre 1 werden dabei dadurch gebildet, dass die Seitenwände 9 der Membranrohre einstückig aus der Stirnseite 2 hervorgehen und zu einem rohrförmigen Gebilde verlängert werden. Im Inneren des Membranrohres 1 , also auf der Innenseite der Seitenfläche 9 des Membranrohres, kann das Trägerfluid hindurchströmen, um von einer Stirnseite 2 zu der gegenüberliegenden Stirnseite 2a zu gelangen. Mit anderen Worten strömt das Trägerfluid
typischerweise von der Stirnseite 2 zu der Stirnseite 2a (oder in umgekehrter Richtung), wobei eine unmittelbare fluiddynamische Kommunikation zwischen der Trägerseite und der Hüllseite nicht vorliegt bzw. möglichst unterbunden wird. Vielmehr stellt die Seitenfläche 9 des Membranrohres eine poröse Oberfläche bereit, um einen Stoffaustausch zwischen den Hüllfluid auf der Hüllseite 10 und dem Trägerfluid im Membranrohr 1 zu gewährleisten. Die Seitenwände 9 der Membranrohre 1 bilden daher die poröse Struktur 60, die permeabel, semi-permeabel oder selektiv-permeabel ausgestaltet ist. Die Übergänge 6, 6a zwischen Gehäuse 5 und Membranendplatten 2, 2a sind ebenfalls abgerundet. Eine nachträgliche oder materialfremde Verbindung durch Fügen, Schweißen, Kleben, Klemmen oder ähnlichem wird in besonders vorteilhafter Weise nicht benötigt. Endplatten 2, 2a und Gehäuse 5 sind insbesondere aus gleichem, zumindest aber kompatiblen Material hergestellt, um den monolithischen Aufbau des Bauteils 50 zu gewährleisten. FIG. 3a shows the detail "B" of FIG. 3, the structure of the inlet 7 being further clarified. The inlet 7 forms a carrier fluid chamber 54 in which the carrier fluid is supplied to the individual membrane tubes 1 communicating with the carrier fluid chamber 54 or is discharged from the membrane tubes 1 . The inlet 7 is formed in one piece with the end face 2 and in one piece with the housing 5 and the membrane tubes 1 . The membrane tubes 1 are formed in that the side walls 9 of the membrane tubes emerge in one piece from the end face 2 and are lengthened to form a tubular structure. The carrier fluid can flow inside the membrane tube 1, ie on the inside of the side surface 9 of the membrane tube, in order to get from one end face 2 to the opposite end face 2a. In other words, the carrier fluid flows typically from the end face 2 to the end face 2a (or in the opposite direction), with direct fluid-dynamic communication between the carrier side and the envelope side not occurring or being prevented as far as possible. Rather, the side surface 9 of the membrane tube provides a porous surface in order to ensure a mass transfer between the enveloping fluid on the enveloping side 10 and the carrier fluid in the membrane tube 1 . The side walls 9 of the membrane tubes 1 therefore form the porous structure 60, which is designed to be permeable, semi-permeable or selectively permeable. The transitions 6, 6a between the housing 5 and the membrane end plates 2, 2a are also rounded. Subsequent or non-material connection by joining, welding, gluing, clamping or the like is not required in a particularly advantageous manner. End plates 2, 2a and housing 5 are in particular made of the same, but at least compatible, material in order to ensure the monolithic construction of component 50.
Das zu trennende Fluid bzw. das Trägerfluid, gelangt über den Zulauf 7 ins Gehäuse 5, dort genauer in die Membranrohre 1 . Es tritt über den Membraneinlauf 3 in das jeweilige Membranrohr 1 ein, durchströmt die Membranrohre 1 von ihrer ersten Seite bis zu ihrer zweiten Seite und am anderen Ende des Gehäuses tritt das Fluid an der gegenüberliegenden Stirnseite 2a wieder aus. Das Filtrat dringt durch die Wände 9 der Membranrohre 1 , d. h. durch die poröse Struktur 60, sammelt sich gegebenenfalls im Filtratraum 10 und kann über einen der Filtratanschlüsse 8 das Gehäuse verlassen. The fluid to be separated or the carrier fluid reaches the housing 5 via the inlet 7 , more precisely the membrane tubes 1 there. It enters the respective membrane tube 1 via the membrane inlet 3, flows through the membrane tubes 1 from their first side to their second side and at the other end of the housing the fluid exits again at the opposite end face 2a. The filtrate penetrates through the walls 9 of the membrane tubes 1, i. H. through the porous structure 60, possibly collects in the filtrate chamber 10 and can leave the housing via one of the filtrate connections 8.
In der Zusammenschau der Fig. 1 mit der Fig. 3 wird klar, dass ein Membranrohrbündel 1 a nach Fig. 1 auch als poröse Struktur 60 als Einsatz für ein separates Gehäuse 62 ausgeführt werden kann, wie dies beispielsweise mit Figs. 4 bis 5 weiter spezifiziert wird. 1 and FIG. 3 together, it becomes clear that a membrane tube bundle 1a according to FIG. 1 can also be designed as a porous structure 60 as an insert for a separate housing 62, as is shown, for example, with FIGS. 4 to 5 is further specified.
Wie in Fig. 4 zu sehen, kann hierbei an den Stirnseiten 2, 2a eine Nut 11 für eine allfällige Dichtung vorgesehen sein. In diesem Beispiel ist jedenfalls das Membranrohrbündel 1 a aus der Vielzahl von Membranrohren 1 einstückig mit den Endplatten 2, 2a ausgebildet, so dass die Abtrennung des Trägerfluids von dem Hüllfluid vollständig von dem monolithischen Bauteil 50 gewährleistet ist und hier bereits auf die besonders anfällige Vergussmasse verzichtet werden kann. Dies stellt bereits eine wesentliche Weiterentwicklung gegenüber den bekannten Dialysefiltern dar. As can be seen in FIG. 4, a groove 11 for a possible seal can be provided on the end faces 2, 2a. In this example, the membrane tube bundle 1a from the plurality of membrane tubes 1 is in any case formed in one piece with the end plates 2, 2a, so that the separation of the carrier fluid from the enveloping fluid is completely ensured by the monolithic component 50 and here the particularly vulnerable casting compound is already dispensed with can be. This already represents a significant further development compared to the well-known dialysis filters.
Fig. 4a zeigt das Detail „B“ aus der Fig. 4, wobei der Aufbau mit der Nut 11 im Anschlusskragen 58 weiter verdeutlicht ist. Der Anschlusskragen 58 ist ausgerundet mit den Ausrundungen 4, 4a dargestellt, so wie dies mit Bezug auf Fig. 1 im Detail gezeigt ist.
Fig. 4b zeigt hierzu die Aufsicht auf die zweite Stirnseite 2a, wobei die Linie A-A die Schnittebene für die Fig. 4 verdeutlicht. FIG. 4a shows detail “B” from FIG. 4, the structure with the groove 11 in the connecting collar 58 being further illustrated. The connection collar 58 is shown rounded with the fillets 4, 4a, as shown in detail with reference to FIG. FIG. 4b shows the top view of the second end face 2a, with the line AA showing the sectional plane for FIG.
Bezugnehmend auf Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform des monolithischen Bauteils 50 dargestellt, welches einstückig die beiden Stirnseiten 2, 2a mit der porösen Struktur 60 ausgebildet aufweist. Ein Zulaufstück 13 sowie ein Ablaufstück 13a sind dabei mittels eines Klemmrings 15 angeflanscht. Das Gehäuse 62 ist als separates Bauteil ausgebildet, welches rohrförmig über die poröse Struktur 60 übergestülpt wird. Referring to FIG. 5, a further embodiment of the monolithic component 50 is shown, which has the two end faces 2, 2a formed in one piece with the porous structure 60. FIG. An inlet piece 13 and an outlet piece 13a are flanged on by means of a clamping ring 15. The housing 62 is designed as a separate component which is slipped over the porous structure 60 in a tubular manner.
Fig. 5b zeigt hierzu eine Aufsicht auf die Stirnseite 2a, wobei die Schnittlinie A-A die Schnittebene der Fig. 5 verdeutlicht. Der Trägerfluid-Sammelanschluss 52 ist konzentrisch angeordnet, um eine Zuleitung mit der porösen Struktur 60 und somit mit dem Filterelement, bestehend aus den Membranrohren 1 , zu ermöglichen. FIG. 5b shows a top view of the end face 2a, with the section line A-A clarifying the section plane of FIG. The carrier fluid collection connection 52 is arranged concentrically in order to enable a supply line to the porous structure 60 and thus to the filter element, consisting of the membrane tubes 1 .
Die Fig. 5a zeigt das Detail „B“ aus der Fig. 5, wobei ein beispielhafter Aufbau zur Verbindung des monolithischen Bauteils mit dem Zulaufstück 13 dargestellt ist. Das separate Gehäuse 62 ist über das Dichtelement 12 dichtend an das Flachdichtelement 14 angelegt und wird mittels des Klemmrings 15 mit dem Zulaufstück 13 klemmend verbunden. Ein Überstand 16 des Zulaufstücks 13 verbessert die axiale Fixierung des Membranrohrbündels 1 im separaten Gehäuse 62. Der Klemmring 15 kann mit einer entsprechenden Anpresskraft beaufschlagt werden, um eine dichtende Verbindung zwischen dem separaten Gehäuse 62 und dem Zulaufstück 13 herzustellen. In diesem Beispiel ist eine identische Verbindung auch an der zweiten Stirnseite 2a realisiert. Selbstverständlich könnte auch eine Stirnseite 2, 2a integral mit einem Zulauf 7 ausgeführt sein und eine Seite als separate Bauteile, wobei es sich als vorteilhaft erweist, wenn das Gehäuse als monolithisches Gehäuse 5 mit jedenfalls eine Stirnseite 2, 2a und der porösen Struktur 60 ausgebildet ist. FIG. 5a shows the detail "B" from FIG. 5, with an exemplary structure for connecting the monolithic component to the inlet piece 13 being shown. The separate housing 62 is placed sealingly against the flat sealing element 14 via the sealing element 12 and is clamped to the inlet piece 13 by means of the clamping ring 15 . An overhang 16 of the inlet piece 13 improves the axial fixation of the membrane tube bundle 1 in the separate housing 62. The clamping ring 15 can be subjected to a corresponding contact pressure in order to produce a sealing connection between the separate housing 62 and the inlet piece 13. In this example, an identical connection is also realized on the second end face 2a. Of course, one end face 2, 2a could also be designed integrally with an inlet 7 and one side as separate components .
Bezugnehmend auf Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform in perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei das monolithische Bauteil 50 dadurch gekennzeichnet ist, dass es Stützstrukturen 17 aufweist, um eine mechanische Verstärkung des monolithischen Bauteils 50 zu erzielen. Speziell bei spröden Membranmaterialien, wie Keramik, lässt sich damit die Verbindung der einzelnen Membranrohre 1 untereinander und somit die Empfindlichkeit gegenüber Stößen mit der Gefahr des Membranbruchs deutlich verbessern. Referring to FIG. 6 , another embodiment is shown in perspective, wherein the monolithic component 50 is characterized as having support structures 17 to provide mechanical reinforcement of the monolithic component 50 . Especially in the case of brittle membrane materials such as ceramics, the connection between the individual membrane tubes 1 and thus the sensitivity to impacts with the risk of membrane rupture can be significantly improved.
Fig. 6a zeigt hierzu das mit „A“ bezeichnete Detail, wobei Stege 17 gezeigt sind, welche eine geeignete Verbindung darstellen, um die vorgenannte mechanische Stabilitätsverbesserung
herbeizuführen. Solche Stege 17 bzw. eine Stützstruktur 17 lässt sich auch bis zur Umhäusung 5 fortführen, vgl. zum Beispiel Fig. 7a. FIG. 6a shows the detail marked “A” in this regard, with webs 17 being shown, which represent a suitable connection in order to improve the mechanical stability mentioned above bring about. Such webs 17 or a support structure 17 can also be continued up to the housing 5, see for example Figure 7a.
Fig. 7 zeigt eine weitere Darstellung eines monolithischen Bauteils 50 mit Stützstruktur 17 in einer Seitendarstellung, wobei die Umhäusung 5 aus Gründen der besseren Sichtbarkeit weggelassen ist. FIG. 7 shows a further illustration of a monolithic component 50 with a support structure 17 in a side view, the housing 5 being omitted for reasons of better visibility.
Fig. 7a zeigt die Schnittebene B-B der Fig. 7, wobei hier die Umhäusung 5 allerdings darstellbar ist. Die Stützstruktur 17 erstreckt sich zwischen den einzelnen Membranrohren 1 , wobei in dieser Ausführungsform 19 Membranrohre 1 dargestellt sind, welche gemeinsam die poröse Struktur 60 bzw. das Filterelement bilden. Die Stützstruktur 17 ist mit Umhäusungsstegen 17a auch mit der Umdeutung 5 verbunden, um die mechanische Stabilität, insbesondere der Progrößenstruktur 60, weiter zu verbessern. FIG. 7a shows the sectional plane B-B of FIG. 7, although the housing 5 can be shown here. The support structure 17 extends between the individual membrane tubes 1, with 19 membrane tubes 1 being shown in this embodiment, which together form the porous structure 60 or the filter element. The support structure 17 is also connected to the repositioning 5 with housing webs 17a in order to further improve the mechanical stability, in particular of the prosize structure 60.
Fig. 7b zeigt ein weiteres Detail einer Ausführungsform des monolithischen Bauteils 50 mit Stützstruktur 17 in Schnittdarstellung. Die in dieser Darstellung ebenfalls gezeigten 17 Membranrohre 1 , die gemeinsam den Membranfilter 60a bilden, sind jeweils untereinander mit dem benachbarten Membranrohr 1 mittels der Stützstruktur 17 verbunden. 7b shows a further detail of an embodiment of the monolithic component 50 with support structure 17 in a sectional view. The 17 membrane tubes 1 also shown in this representation, which together form the membrane filter 60a, are each connected to one another with the adjacent membrane tube 1 by means of the support structure 17 .
Bezugnehmend auf Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform einen monolithischen Bauteils gezeigt, wobei die poröse Struktur gekrümmte Membranenrohre 1 aufweist. In dieser Ausgestaltung sind die Membranrohre helikal geformt, konkret in Triplehelixe 1 b aufgeteilt. Helikal geformte Membranrohre 1 bieten den Vorteil eines besseren Stoffaustauschs auf der Innenseite bei einer Durchströmung mit Trägerfluid. Im Vorteil gegenüber geraden Membranrohren 1 weisen helikal geformte Membranrohre 1 eine elastische Nachgiebigkeit auf bei Belastungen in Richtung der Hauptachse des Membranrohrbündels bzw. der Triplehelix 1 b. Eine solche Belastung kann im Betrieb bei schnellen Temperaturänderungen des durchströmenden Fluid aufkommen. Das Membranrohrbündel 1a will sich der Temperatur entsprechend zum Beispiel ausdehnen, wird aber durch die noch kalte Umhäusung 5 (vgl. z. B. Fig. 3) daran gehindert. Gleiches gilt bei schnellen Temperaturabsenkungen. Die Triplehelix 1 b oder generell die helikale Form wirkt hierbei wie eine Schraubenfeder. Referring to Fig. 8, another embodiment of a monolithic component is shown, wherein the porous structure comprises curved membrane tubes 1. In this embodiment, the membrane tubes are helically shaped, specifically divided into triple helixes 1b. Helically shaped membrane tubes 1 offer the advantage of better mass transfer on the inside when carrier fluid flows through them. The advantage over straight membrane tubes 1 is that helically shaped membrane tubes 1 have elastic resilience under loads in the direction of the main axis of the membrane tube bundle or the triple helix 1b. Such a load can occur during operation when the temperature of the fluid flowing through changes rapidly. The membrane tube bundle 1a wants to expand according to the temperature, for example, but is prevented from doing so by the still cold housing 5 (cf., for example, FIG. 3). The same applies to rapid temperature drops. The triple helix 1b or, in general, the helical shape acts like a helical spring.
Die gezeigte Form der Membranrohre stellt also eine spannungstolerante Bauweise bereit, die sich aufbauende Längsspannungen toleriert, indem diese federartig in der Triplehelix 1 b gespeichert werden und nach Abkühlen des monolithischen Bauteils 50 wieder entspannt. Es handelt sich demnach um ein spannungstolerantes monolithisches Bauteil 50, insbesondere längsspannungstolerant, welches höhere Spannungen, insbesondere durch
Temperaturunterschiede hervorgerufene Längsspannungen, aufnehmen kann bevor eine Ermüdung oder gar ein Bruch einer oder mehrerer Membranrohre 1 erfolgt. Die helikale Struktur 1 b kann darüber hinaus auch querspannungstolerant bereitgestellt sein, wobei die Membranrohre 1 eine höhere Aufnahmefähigkeit gegenüber Querspannungen aufweisen, bevor eine Ermüdung oder Bruch erfolgt. Dadurch wird die Lebensdauer und Standzeit der monolithischen Bauteile 50 erhöht und die Handhabbarkeit weiter vereinfacht. Der Membranfilter 60 ist dieser Ausführungsform aus sieben Triplehelixen 1 b und somit aus 21 Membranrohren 1 aufgebaut. Die Membranrohre münden einstückig auf ihrer ersten Seite in die erste Stirnseite 2 und auf ihrer zweiten Seite in die zweite Stirnseite 2a. Sie weisen die bereits beschriebenen Rundungen 4, 4a zur Verbesserung der mechanischen Stabilität und der Strömungsführung für das Trägerfluid auf. The shape of the membrane tubes shown thus provides a stress-tolerant design that tolerates longitudinal stresses that build up, in that these are stored like a spring in the triple helix 1b and relieved again after the monolithic component 50 has cooled. It is therefore a stress-tolerant monolithic component 50, in particular longitudinal stress-tolerant, which higher stresses, in particular by Longitudinal stresses caused by temperature differences can absorb before fatigue or even fracture of one or more membrane tubes 1 takes place. In addition, the helical structure 1b can also be provided to be tolerant of transverse stresses, with the membrane tubes 1 having a higher capacity to absorb transverse stresses before fatigue or fracture occurs. This increases the service life and service life of the monolithic components 50 and further simplifies handling. In this embodiment, the membrane filter 60 is made up of seven triple helixes 1 b and thus of 21 membrane tubes 1 . The membrane tubes open out in one piece on their first side into the first end face 2 and on their second side into the second end face 2a. They have the curves 4, 4a already described to improve the mechanical stability and the flow guidance for the carrier fluid.
Fig. 8a zeigt hierzu ein Membranrohrbündelsegment, bestehend aus drei helikal geformten Membranrohren, welche gemeinsam die Triplehelix 1 b bilden. In dieser Ausgestaltung sind die Membranrohre 1 so gestaltet, dass sie an ihren stirnseitigen Enden eine undurchlässige Struktur 64 aufweisen und lediglich im Mittelteil die poröse Struktur 60, welche für den Stoffaustausch mit dem Hüllfluid hergerichtet ist. 8a shows a membrane tube bundle segment consisting of three helically shaped membrane tubes which together form the triple helix 1b. In this embodiment, the membrane tubes 1 are designed in such a way that they have an impermeable structure 64 at their front ends and the porous structure 60 only in the central part, which is prepared for the exchange of substances with the enveloping fluid.
Mit den Figuren 9a, 9b und 9c ist eine weitere Ausführungsform eines Membranrohres 28a dargestellt, welches mäanderartig bzw. wellenlinienartig geformt ist. Das monolithische Bauteil 50 ist in dieser Ausführungsform so geformt, um verschiedene Anforderungen zu verbessern. So kann das wellenförmige Membranrohr 28a ggf. eine Durchmischung der im Inneren des Rohres 28a strömenden Trägerfluids herbeiführen, so dass insgesamt auch der Stoffaustausch hin zu der Hüllströmung verbessert ist. Mit anderen Worten wird mit der in Fig. 9a, 9b, 9c gezeigten Ausführungsform eine richtungsvariable Flussrichtung erzeugt, die eine Wirbelbildung in dem Trägerfluid herbeiführen kann. Das mäanderförmige oder wellenförmige Membranrohr 28a kann so bereitgestellt werden, dass die Bögen des Membranrohres 28a sich mit den Bögen eines benachbart angeordneten Membranrohres 28a abwechseln, so dass insgesamt kein erhöhter Platzbedarf trotz der wellenförmigen Bauform des Membranrohres 28a entsteht. A further embodiment of a membrane tube 28a is shown in FIGS. 9a, 9b and 9c, which is shaped like a meander or a wavy line. The monolithic component 50 in this embodiment is shaped to improve various requirements. Thus, the wavy membrane tube 28a can, if necessary, bring about a thorough mixing of the carrier fluids flowing inside the tube 28a, so that overall the mass transfer towards the enveloping flow is also improved. In other words, with the embodiment shown in FIGS. 9a, 9b, 9c, a direction-variable flow direction is generated, which can bring about the formation of turbulence in the carrier fluid. The meandering or wavy membrane tube 28a can be provided in such a way that the curves of the membrane tube 28a alternate with the curves of an adjacently arranged membrane tube 28a, so that overall no increased space requirement arises despite the wavy design of the membrane tube 28a.
Überdies weisen wellenförmige Membranrohre 28a dieselben Vorteile auf das zuvor beschrieben helikale Membranrohrbündel 1 b, nämlich in mechanischer Hinsicht Dämpfungswirkung bzw. elastische Nachgiebigkeit in Richtung der Haupterstreckungsachse des Membranrohres 28a Mit anderen Worten ist auch diese Ausführungsform eine geeignete spannungstolerante Bauform des monolithischen Bauteils 50. Das wellenförmige Membranrohr
28a ist in Fig. 9a in einer perspektivischen dreidimensionalen Ansicht gezeigt, in Fig. 9b in einer perspektivischen Seitenansicht und mit Fig. 9c in einer Seiten-Schnittansicht durch das wellenförmige Membranrohr 28a. Moreover, wavy membrane tubes 28a have the same advantages as the helical membrane tube bundle 1b described above, namely mechanically a damping effect or elastic flexibility in the direction of the main axis of extension of the membrane tube 28a. In other words, this embodiment is also a suitable stress-tolerant design of the monolithic component 50. The wavy membrane tube 28a is shown in FIG. 9a in a perspective three-dimensional view, in FIG. 9b in a perspective side view and with FIG. 9c in a side sectional view through the corrugated membrane tube 28a.
Bezugnehmend auf die Figs. 10 bis 11 sind weitere Möglichkeiten gezeigt, die sich mit der vorliegenden Erfindung in besonders einfacher und effizienter Weise realisieren lassen, nämlich die Einführung von variablen Querschnittsgeometrien von Membranrohren 1. So zeigt Fig. 10 eine Schnittdarstellung durch ein Membranrohr 1 mit variabler Querschnittsgeometrie. Der Membranrohrquerschnitt ist hierbei in Strömungsrichtung variiert. Durch die in Strömungsrichtung variablen Querschnitte verändern sich mit den Querschnitten auch die Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsrichtungen, was zu einer besseren Durchmischung des strömenden Trägerfluids führt. Referring to Figs. 10 to 11 show further possibilities that can be implemented in a particularly simple and efficient manner with the present invention, namely the introduction of variable cross-sectional geometries of membrane tubes 1. FIG. 10 shows a sectional view through a membrane tube 1 with variable cross-sectional geometry. The membrane tube cross section is varied in the flow direction. Due to the variable cross sections in the flow direction, the flow speeds and flow directions also change with the cross sections, which leads to better mixing of the flowing carrier fluid.
Fig. 10a zeigt hierzu eine Aufsicht auf ein entsprechend geformtes Membranrohr 1 mit variablem Querschnitt, wobei die Schnittlinie B-B die auch mit Fig. 10d gezeigte weiteste Querschnittsgeometrie zeigt, die Schnittlinie C-C die auch mit Fig. 10c gezeigte engste Querschnittsgeometrie. 10a shows a top view of a correspondingly shaped membrane tube 1 with a variable cross section, with section line BB showing the widest cross-sectional geometry also shown in FIG. 10d, section line C-C showing the narrowest cross-sectional geometry also shown in FIG. 10c.
Fig. 10b zeigt eine Aufsicht auf eine Einlauföffnung 3 des Membranrohres 1 , wobei die Ebene A-A die Schnittebene der Fig. 10 verdeutlicht. FIG. 10b shows a top view of an inlet opening 3 of the membrane tube 1, the plane AA showing the sectional plane of FIG.
Fig. 10e zeigt schließlich noch eine perspektivische Ansicht des Membranrohres 1 mit variabler Querschnittsgeometrie. Der engere Querschnitt 20 wechselt sich dabei mit dem weiten Querschnitt 21 in alternierender Weise ab. An den beiden Enden sind undurchlässige Materialstrukturen 64 gezeigt, im Mittelbereich ist das Membranrohr 1 als poröse Struktur 60 ausgebildet. Finally, FIG. 10e shows a perspective view of the membrane tube 1 with variable cross-sectional geometry. The narrower cross section 20 alternates with the wide cross section 21 in an alternating manner. Impermeable material structures 64 are shown at the two ends, and the membrane tube 1 is designed as a porous structure 60 in the middle region.
Fig. 11a zeigt in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform eines Membranrohres mit variabler Querschnittsgeometrie 19. Auch hier wechselt sich der engste Querschnitt 20 mit dem weiten Querschnitt 21 alternierend ab, die Enden sind als undurchlässige Struktur 64 ausgebildet, im Mittelbereich ist die poröse Struktur 60 für einen Materialaustausch bzw. Stoffaustausch des Trägerfluids mit dem Hüllfluid ausgebildet. Das Membranrohrsegment weist einen variablen Ellipsenquerschnitt auf, wobei die lange Achse der Ellipsenquerschnitte abwechselnd in Ausgangsstellung entsprechend dem in Fig. 11 d gezeigten Schnitt B-B und dazu um 90° verdreht, wie dargestellt in Fig. 11 e, ausgerichtet ist. Ein Längsschnitt entlang der in Fig. 11c markierten Schnittlinie A-A ist in Fig. 11 wiedergegeben. Die Veränderungen der
Strömungsrichtungen und damit je nach Fluid auch die Durchmischung kann hierbei stärker ausgeprägt sein als bei den kreisförmigen Querschnitten. Fig. 11a shows a perspective view of another embodiment of a membrane tube with variable cross-sectional geometry 19. Here, too, the narrowest cross-section 20 alternates with the wide cross-section 21, the ends are designed as an impermeable structure 64, and the porous structure 60 is in the central region for a material exchange or mass exchange of the carrier fluid formed with the sheath fluid. The membrane tube segment has a variable elliptical cross-section, the long axis of the elliptical cross-sections being alternately aligned in the starting position according to the section BB shown in FIG. 11d and rotated by 90° thereto, as shown in FIG. 11e. A longitudinal section along the section line AA marked in FIG. 11c is reproduced in FIG. The changes of Directions of flow and thus, depending on the fluid, also the mixing can be more pronounced here than with the circular cross-sections.
Es hat sich gezeigt, dass eine noch stärkere Durchmischung des durchströmenden Trägerfluids auch durch geeignete Turbulatoren 29 erreicht werden kann. Einbauten, wie statische Mischer als Turbulatoren 29, sind in der Verfahrenstechnik als solches zwar bekannt, um die Durchmischung eines strömenden Fluids zu verbessern. In Membranrohren funktioniert dies aber nicht ohne weiteres, jedenfalls aber nicht dauerhaft. Statische Mischer können in herkömmlichen Membranrohren nicht gut fixiert werden bzw. sind sie überhaupt mit dritten Materialien zu fixieren und führen daher im Betrieb regelmäßig Relativbewegungen zur Membranoberfläche aus. Die Membranoberfläche wird durch die dabei entstehende Reibung dauerhaft geschädigt und sie kann ihre Trennaufgabe nicht mehr ausfüllen. It has been shown that an even stronger mixing of the carrier fluid flowing through can also be achieved by suitable turbulators 29 . Internals, such as static mixers as turbulators 29, are known as such in process engineering in order to improve the thorough mixing of a flowing fluid. In membrane tubes, however, this does not work easily, but at least not permanently. Static mixers cannot be fixed well in conventional membrane tubes or can they be fixed at all with third materials and therefore regularly perform movements relative to the membrane surface during operation. The membrane surface is permanently damaged by the resulting friction and it can no longer fulfill its separation task.
Durch das vorteilhafte Verfahren, bei welchem das Bauteil monolithisch aufgebaut wird, ist es nunmehr möglich, Turbulatoren 29 einstückig mit der porösen Struktur 60 auszubilden, so dass jedenfalls das Problem der Relativbewegung nicht mehr auftritt. Die Einzelsegmente 29a der Turbulatoren bzw. der statischen Mischer sind somit integraler Bestandteil der porösen Struktur 60, also insbesondere der Rohrmembran 1 , 19, 28. Der monolithische Verbund von Turbulatoren 29 mit poröser Struktur 60 als integrierte Komponente eliminiert das Problem der Relativbewegungen, so dass Membranschädigungen an dieser Stelle verringert oder sogar ausgeschlossen sind und somit ein dauerhafter Betrieb zuverlässig gewährleistet ist. Fig. 12b zeigt die Ausführungsform der Fig. 12a in perspektivische Darstellung. Due to the advantageous method in which the component is built up monolithically, it is now possible to form turbulators 29 in one piece with the porous structure 60, so that in any case the problem of relative movement no longer arises. The individual segments 29a of the turbulators or the static mixers are thus an integral part of the porous structure 60, i.e. in particular the tubular membrane 1, 19, 28. The monolithic composite of turbulators 29 with a porous structure 60 as an integrated component eliminates the problem of relative movements, so that Damage to the membrane at this point is reduced or even ruled out, thus ensuring reliable long-term operation. FIG. 12b shows the embodiment of FIG. 12a in a perspective representation.
Fig. 12c zeigt ein Membranrohr 28 mit einer Mehrzahl von aneinander oder nacheinander angeordneten T urbulatoren 29, welche jeweils in einem Winkel zueinander angeordnet sind, beispielsweise jeweils 90° zueinander versetzt, und somit eine weit stärkere Durchmischung des Trägerfluids und somit zu einem besseren Stoffaustausch mit dem Hüllfluid sorgen. Fig. 12d zeigt eine Aufsicht auf einen Einlauf 3 der porösen Struktur 60 in Form des Membranrohres 28, wobei die Linie A-A die Schnittebene der Fig. 12c verdeutlicht. Fig. 12e zeigt schließlich noch eine perspektivische Darstellung des Membranrohres 28. Die vorgenannten oder andere Turbulatoren 29 können auch in die anderen Ausführungsformen monolithisch eingesetzt sein, beispielsweise in die helixförmigen Membranrohrbündel 1 a, 1 b, oder in die wellenförmigen bzw. mäanderartigen Membranrohre 28a zur Intensivierung der Durchmischung des durch das Membranrohr 1 , 28, 28a fließenden Trägerfluids.
Bezugnehmend auf Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform des monolithischen Bauteils 50 gezeigt, wobei die Membranrohre 1 auf den Seitenflächen 9 eine zusätzliche Schicht 30 aufweisen, welche entweder monolithisch aufgetragen ist und somit aus kompatiblen oder identischem Material besteht wie die poröse Struktur 60, oder welche im Nachgang zur Herstellung der porösen Struktur als Beschichtung 30 aufgetragen ist. Es kann sich hierbei auf der Innenseite 9 um eine oder mehrere Schichten 30 handeln, welche eine sich unterscheidende Porosität und/oder porenweiten Verteilung aufweisen. Fig. 12c shows a membrane tube 28 with a plurality of turbulators 29 arranged next to one another or one after the other, which are each arranged at an angle to one another, for example offset by 90° to one another, and thus far greater mixing of the carrier fluid and thus better mass transfer with take care of the sheath fluid. FIG. 12d shows a top view of an inlet 3 of the porous structure 60 in the form of the membrane tube 28, the line AA illustrating the sectional plane of FIG. 12c. Finally, Fig. 12e shows a perspective view of the membrane tube 28. The aforementioned or other turbulators 29 can also be used monolithically in the other embodiments, for example in the helical membrane tube bundles 1a, 1b, or in the wavy or meandering membrane tubes 28a Intensifying the mixing of the carrier fluid flowing through the membrane tube 1, 28, 28a. Referring to FIG. 13, a further embodiment of the monolithic component 50 is shown, the membrane tubes 1 having an additional layer 30 on the side surfaces 9, which is either applied monolithically and thus consists of a compatible or identical material to the porous structure 60, or which is applied as a coating 30 after the production of the porous structure. This can involve one or more layers 30 on the inside 9, which have a different porosity and/or pore size distribution.
In Fig. 13a ist dies vergrößert dargestellt, wobei die Beschichtung 30 auf den inneren Oberflächen 9 der Membranrohre 1 aufgebracht ist. Die Beschichtung 30 ist auch bis auf die Oberfläche der Endplatte 2 ausgedehnt, um den Übergang vom Membranrohr 1 über den Einlauf 3 bis zur Endplatte 2 weiter zu verbessern. Die Beschichtung lässt sich während des additiven Fertigungsvorgangs als separate Spur im schichtweisen Aufbau des Filterkörpers herstellen. This is shown enlarged in FIG. 13a, with the coating 30 being applied to the inner surfaces 9 of the membrane tubes 1. FIG. The coating 30 is also extended to the surface of the end plate 2 in order to further improve the transition from the membrane tube 1 via the inlet 3 to the end plate 2. The coating can be produced as a separate track in the layered structure of the filter body during the additive manufacturing process.
Diese Spuren zur Herstellung der Beschichtung 30 können von einem separaten Druckkopf gelegt werden, der beispielsweise eine anorganische Masse ablegt, beispielsweise eine ungefüllte oder keramisch oder metallisch gefüllte polymere Masse, die zu einer feineren Porenstruktur führt als beim Grundkörper. Eine oder mehrere Beschichtungen lassen sich auch nach dem Brennen des Grundkörpers nachträglich aufbringen und beispielsweise bei niedrigerer Temperatur sintern, insbesondere im Falle der Verwendung anorganisch gefüllter polymerer Massen. In einem Beispiel kann eine keramische Beschichtung auf einem metallischen Grundkörper aufgebracht sein. These traces for producing the coating 30 can be laid by a separate print head, which deposits, for example, an inorganic mass, for example an unfilled or ceramically or metallically filled polymeric mass, which leads to a finer pore structure than in the base body. One or more coatings can also be applied subsequently after the base body has been fired and, for example, sintered at a lower temperature, particularly if inorganically filled polymeric masses are used. In one example, a ceramic coating can be applied to a metallic base body.
Fig. 13b zeigt schließlich eine Aufsicht auf die Stirnseite 2, wobei die Linie A-A die Schnittebene der Fig. 13 darstellt. Finally, FIG. 13b shows a top view of the end face 2, with the line A-A representing the sectional plane of FIG.
Bezugnehmend auf Fig. 14 ist ein beispielhaft mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erzielbares Haufwerk 31 der porösen Struktur 60 dargestellt. Das Haufwerk 31 weist eine Mehrzahl von Poren 32 auf. Die sich ergebende Porenstruktur, wie in Fig. 14 gezeigt, kann beispielsweise mit einer additiven Herstellung mittels dem Prinzip der thermischen Phasenseparation hergestellt werden. Referring to FIG. 14, an exemplary heap 31 of porous structure 60 achievable with the method of the present invention is illustrated. The heap 31 has a plurality of pores 32 . The resulting pore structure, as shown in FIG. 14, can be produced, for example, with additive manufacturing using the principle of thermal phase separation.
Im Prinzip wird bei diesem Verfahren mindestens ein Polymer in einem bei Raumtemperatur schlecht lösbaren Lösemittel bei einer erhöhten Temperatur in Lösung gebracht. Die Zusammensetzung der Lösung wird - wenn notwendig durch Zugabe von weiteren Additiven - so gewählt, dass beim Abkühlen eine Phasenseparation stattfindet und sich die Polymerlösung in eine polymerreiche Phase (Membranmatrix) und eine polymerarme Phase
(Poren) trennt. Die Formgebung der Membran erfolgt durch die kontinuierliche Extrusion durch eine Ringspaltdüse im Falle von röhrenförmigen Membranen oder auch durch eine Schlitzdüse für Flachmembranen. Die Dimensionen der Membran, welche erzielbar sind, sind abhängig von der Geometrie der Düse, und lassen sich nur in engen Grenzen variieren. Danach werden die Membranen durch Extraktion von den Hilfsstoffen befreit, anschließend getrocknet und in weiteren Schritten mit diversen Bauteilen zu einem Filter verbunden. In principle, in this process at least one polymer is dissolved at an elevated temperature in a solvent which is poorly soluble at room temperature. The composition of the solution is chosen - if necessary by adding further additives - so that a phase separation takes place during cooling and the polymer solution is divided into a polymer-rich phase (membrane matrix) and a polymer-poor phase (pores) separates. The membrane is shaped by continuous extrusion through an annular die in the case of tubular membranes or through a slit die for flat membranes. The dimensions of the membrane that can be achieved depend on the geometry of the nozzle and can only be varied within narrow limits. The membranes are then freed from the auxiliary materials by extraction, then dried and, in further steps, connected to various components to form a filter.
In einem neuartigen Verfahren wird die vorgenannte Lösung mithilfe eines Extrusionsdruckers zu einer Membran geformt. Dabei wird die TiPS-Lösung bzw. das Ausgangsmaterial der Druckerdüse oberhalb der Entmischungstemperatur zugeführt und in Form dünner Filamente in eine gewünschte Form, wie z.B. einer Röhrenmembran 1 , abgelegt. Die Phasentrennung tritt beim Abkühlen der TiPS-Lösung ein. Durch die Bereitstellung eines Nicht- Lösemittels, wie insbesondere Wasserdampf oder Glycerin, kann die Phasenseparation zusätzlich beeinflusst werden (N-TiPs). In a new process, the aforementioned solution is formed into a membrane using an extrusion printer. The TiPS solution or the starting material is fed to the printer nozzle above the demixing temperature and deposited in the form of thin filaments in a desired shape, such as a tubular membrane 1 . Phase separation occurs as the TiPS solution cools. The phase separation can be additionally influenced (N-TiPs) by providing a non-solvent, such as in particular water vapor or glycerol.
Auch Sandwichstrukturen mit unterschiedlichen Porenstrukturen können durch die Ablage unterschiedlich zusammengesetzter TiPS-Lösungen aufgebaut werden. Sandwich structures with different pore structures can also be built up by depositing TiPS solutions with different compositions.
Zusätzlich kann im selben Druck eine Polymerschmelze extrudiert werden, die beim Abkühlen eine non-permeable Schicht bildet. Dieses Polymer kann zu undurchlässigen Gehäuseteilen des Filters gedruckt werden, wie beispielsweise Filtratsammelrohr oder Filtratabführrohr, eine Belüftungseinheit oder auch Filterköpfe mit Anschlüssen. In addition, a polymer melt can be extruded at the same pressure, which forms a non-permeable layer when it cools down. This polymer can be printed into impermeable housing parts of the filter, such as a filtrate collection tube or filtrate discharge tube, an aeration unit or even filter heads with connections.
Alternativ zum Zweikopfdruck können auch Düsen mit Mischfunktion für zwei oder mehr Komponenten eingesetzt werden. Dabei ergibt sich die Möglichkeit, die Zusammensetzung während des Druckvorgangs zu verändern und damit Bereiche unterschiedlicher Porosität bis hin zu undurchlässigen Bereichen mit nur einem Kopf herzustellen. Hierbei handelt es sich demnach um einen Mischkopf. As an alternative to two-head printing, nozzles with a mixing function for two or more components can also be used. This results in the possibility of changing the composition during the printing process and thus producing areas of different porosity up to impermeable areas with just one head. This is therefore a mixing head.
Eine mit einem solchen Verfahren sich ergebende Porenstruktur ist in der Fig. 14 dargestellt, wobei sich die Porenstruktur wesentlich durch die Zusammensetzung der Polymerlösung des Ausgangsmaterials 70, 71, 72, 73, 74 bestimmt. Durch eine Phaseninversion entsteht eine feste Matrix 31 aus Polymermaterial mit gegebenenfalls darin eingeschlossenen Keramikpartikeln. Entsprechend dem Volumenanteil des Lösemittels entstehen Hohlräume 32, die typischerweise miteinander verbunden sind. Die Größe und Anzahl der Hohlräume ist abhängig von der Zusammensetzung der Polymerlösung (Polymeranteil ggf. mit Keramikanteil
oder Metallanteil, Lösemittelanteil und/oder Additive) und den Fällbedingungen bzw. den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Medium usw.). A pore structure resulting from such a method is shown in FIG. 14, the pore structure being essentially determined by the composition of the polymer solution of the starting material 70, 71, 72, 73, 74. A solid matrix 31 made of polymer material with ceramic particles optionally enclosed therein is produced by a phase inversion. Depending on the volume fraction of the solvent, cavities 32 are formed, which are typically connected to one another. The size and number of cavities depends on the composition of the polymer solution (polymer content, possibly with ceramic content or metal content, solvent content and/or additives) and the precipitation conditions or the ambient conditions (temperature, medium, etc.).
Die so entstandene mikroporöse Struktur 60 ist grundsätzlich als Filtermedium für die Mikro- und Ultrafiltration geeignet. Definierte Partikel lassen sich in der festen Matrix nicht erkennen. Das Lösemittel kann aus dem fertigen Filter in einem separaten Schritt oder sogar erst bei der Inbetriebnahme des Filters entfernt werden und so lange, je nach Zusammensetzung des Lösemittels, den Filter während des Transports und Einbaus schützen. Außerdem wird hierdurch das Zusetzen des Filters mit Fremdstoffen, wie beispielsweise Staub, verringert. The resulting microporous structure 60 is fundamentally suitable as a filter medium for micro- and ultrafiltration. Defined particles cannot be recognized in the solid matrix. The solvent can be removed from the finished filter in a separate step or even when the filter is put into operation and, depending on the composition of the solvent, protect the filter during transport and installation. This also reduces clogging of the filter with foreign matter, such as dust.
Generell werden für die hier beschriebenen Strukturen der porösen Strukturen 60 additive Herstellungsverfahren, wie beispielsweise 3D-Druck, bevorzugt, um Materialsysteme mit intrinsisch porösen Anteilen herzustellen. So kann ein Extrusionsverfahren eingesetzt werden. In general, additive manufacturing methods, such as 3D printing, are preferred for the structures of the porous structures 60 described here in order to produce material systems with intrinsically porous components. An extrusion process can thus be used.
Für die erfindungsgemäßen Membranfilter 60a gilt typischerweise, dass die entstehende Porenstruktur des porösen Materials 60 nicht als vorgegebenes Muster in einem Steuerprogramm vorzugeben ist und somit der Fertigungskopf nicht auf Mikrometer-Ebene die konkrete Porenstruktur zu erzeugen hat. Vielmehr kann die Porenstruktur des porösen Materials 60 durch die Zusammensetzung der verwendeten Rezeptur beispielsweise beim Extraktionsverfahren erzeugt werden, gegebenenfalls mit nachfolgenden Schritten zur Verfestigung des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74, wie das Sintern von anorganischen, z.B. keramischen, Grünkörpern. For the membrane filter 60a according to the invention, it typically applies that the resulting pore structure of the porous material 60 does not have to be specified as a predetermined pattern in a control program and the production head therefore does not have to produce the concrete pore structure at the micrometer level. Rather, the pore structure of the porous material 60 can be produced by the composition of the recipe used, for example in the extraction process, optionally with subsequent steps to solidify the starting material 70, 71, 72, 73, 74, such as the sintering of inorganic, e.g. ceramic, green bodies.
Die Schmelzextrusion von Polymeren Pasten führt im Allgemeinen zu dichten, nicht porösen Strukturen. Durch die Verwendung von Rezepturen, bei denen den Pasten anorganische oder organische Füllstoffe oder Additive zur Porenbildung zugefügt werden, ergeben sich weitere Spielräume. Bei geeigneter Zusammensetzung entstehen bei der Abkühlung der abgelegten „Raupen“ die gewünschten mikroporösen Strukturen. Diese auch Phaseninversion genannte Strukturänderung lässt sich durch geeignete Umgebungsbedingungen im Bauraum zum Aufbau des Bauteils 50 steuern. So lässt sich beispielsweise durch die Atmosphäre im Bauraum (Temperatur-Luftfeuchte) oder UV-Bestrahlung der Vorgang der Phaseninversion oder Vernetzung beeinflussen. The melt extrusion of polymer pastes generally results in dense, non-porous structures. The use of formulations in which inorganic or organic fillers or additives are added to the pastes to create pores opens up further scope. With a suitable composition, the desired microporous structures are formed when the deposited "beads" cool down. This structural change, also known as phase inversion, can be controlled by suitable environmental conditions in the installation space for constructing the component 50 . For example, the process of phase inversion or crosslinking can be influenced by the atmosphere in the installation space (temperature and humidity) or UV radiation.
Im Beispiel des Multijet Fusion-Verfahrens wird beispielsweise ein Pulverbett verwendet. Die Sinterung wird über Infrarotquellen ausgelöst. Über geeignete Tinten können bei diesem Verfahren ortsabhängig unterschiedliche Lichtabsorptionsraten realisiert werden, die zu unterschiedlich dichten Bereichen führen. Diesen Tinten können Additive hinzugefügt werden,
zum Beispiel polymere Nanopartikel, die beim Sintervorgang eingebettet werden und zusätzliche Spielräume für die Gestaltung ortsabhängiger Porenstrukturen darstellen. Mit anderen Worten kann bei diesem Verfahren eine ortsunabhängige Strahlungsquelle bzw. Energiequelle zur thermischen Nachbehandlung des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 eingesetzt werden, wobei das ortsabhängige Einstellen der Porosität des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 mittels der Zufuhr von geeigneten Tinten realisiert wird. For example, in the example of the Multijet Fusion process, a powder bed is used. Sintering is triggered by infrared sources. With this method, different light absorption rates can be realized depending on the location using suitable inks, which lead to areas of different densities. Additives can be added to these inks for example, polymeric nanoparticles that are embedded during the sintering process and provide additional scope for the design of location-dependent pore structures. In other words, a location-independent radiation source or energy source can be used in this method for the thermal post-treatment of the starting material 70, 71, 72, 73, 74, with the location-dependent adjustment of the porosity of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 by means of the supply is realized by suitable inks.
Beim selektiven Lasersintern (SLS) von Polymerpulvern ist je nach Polymer eine Infiltration erforderlich, um wirklich unporöse Bauteile herzustellen. Mit geeigneten Polymeren, z.B. Polypropylen, lässt sich durch Einstellen der Sinter-Parameter der Körper porös oder undurchlässig herstellen. Auch das Maß der Porosität ist einstellbar. Durch ortsabhängige Einstellung der Sinter-Parameter, was durch geeignete Softwareanpassungen möglich sein kann, lassen sich in einem Bauteil 50 poröse und undurchlässige Bereiche herstellen. Beispielsweise können auf diese Art nicht-poröse Gehäuse 5 und Endplatten 2, 2a einerseits sowie poröse Strukturen 60, wie Membranrohre 1 , monolithisch miteinander verbunden herstellen. Im Bereich des Membranfilters 60a können sogar Bereiche unterschiedlicher Porosität realisiert werden. Es können Membranen 60a mit einem Porositätgradienten in Richtung der Membranoberfläche oder Schichten unterschiedlicher Porosität hergestellt werden. Diese Variation wird hierbei lediglich durch die Sinter-Parameter hervorgerufen. In selective laser sintering (SLS) of polymer powders, depending on the polymer, infiltration is required to produce truly non-porous components. With suitable polymers, e.g. polypropylene, the body can be made porous or impermeable by adjusting the sintering parameters. The degree of porosity can also be adjusted. Porous and impermeable areas can be produced in a component 50 by setting the sintering parameters as a function of location, which can be possible by means of suitable software adaptations. For example, non-porous housings 5 and end plates 2, 2a on the one hand and porous structures 60, such as membrane tubes 1, can be monolithically connected to one another in this way. In the area of the membrane filter 60a, areas of different porosity can even be implemented. Membranes 60a can be produced with a porosity gradient towards the membrane surface or layers of different porosity. This variation is only caused by the sintering parameters.
Für anorganische Werkstoffe wie keramische oder metallische Werkstoffe, kann 3D- Extrusion als Herstellungsverfahren angewendet werden, um sogenannte Grünkörper oder Precursor für die nachfolgende Sinterung in einem Sinter-Ofen herzustellen. Ein weiterer Vorteil ist hier im Vergleich zu strangextrudierten anorganischen Filterelementen die geringere mögliche Wandstärke. Damit ergeben sich wegen der geringeren Wärmespeicherung kürzere Zeiten im Sinter-Ofen, was sich vorteilhaft auf die Herstellkosten auswirkt. For inorganic materials such as ceramic or metallic materials, 3D extrusion can be used as a manufacturing process to produce so-called green bodies or precursors for subsequent sintering in a sintering furnace. Another advantage here compared to extruded inorganic filter elements is the lower possible wall thickness. This results in shorter times in the sintering furnace due to the lower heat storage, which has an advantageous effect on the production costs.
Unterschiedliche Prioritäten lassen sich hierbei durch unterschiedliche Rezepturen der anorganischen Massen erzeugen. Voraussetzung ist eine Mehrkopfanlage mit einem Extrusionskopf für jede gewünschte Porosität, mit der die entsprechende anorganische Paste, also z.B. metallische oder keramische Paste, an der vorgesehenen Stelle abgelegt wird. Mit anderen Worten wird das Einstellen der Porosität in diesem Beispiel dadurch realisiert, dass der entsprechende Kopf der Anlage ein entsprechendes Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 ablegt und dieses monolithisch mit dem Rest des Bauteils 50 verbunden wird.
Bezugnehmend nunmehr auf die Fig. 15 ist eine weitere Ausbildung eines Haufwerks 31 a dargestellt mit Poren 32a. Eine solche Ausgestaltung des Haufwerks 31 a kann beispielsweise erreicht werden mittels der Herstellung polymerer Membranen im Sinter- Verfahren, wobei polymere Partikel durch Wärmeeinwirkung zusammengesintert werden. Die Sinter-Bedingungen werden dabei so eingestellt, dass die Polymerpartikel sich zwar verbinden, ihre Partikelgestalt jedoch noch zu einem gewissen Teil behalten. Somit ist die sich ergebende Porenstruktur wesentlich durch die Polymerpartikel bestimmt, insbesondere durch deren Form und Größe. Die Polymerpartikel sind dabei durch den Sinter-Vorgang miteinander verbunden, wobei zwischen den Polymerpartikeln Hohlräume 32a ausgebildet sind, die typischerweise miteinander verbunden sind und einen zusammenhängenden Hohlraum 32a bilden. Die Größe der Hohlräume ist dabei abhängig von der Größe der Polymerpartikel. Die so entstandene mikroporöse Struktur ist grundsätzlich als Filtermedium für die Mikro- und Ultrafiltration geeignet. Die jeweils gewünschte Porengröße lässt sich durch die geeignete Wahl der Partikelgröße einstellen, wobei die Partikel größer als die Poren sind. Different priorities can be generated here by different formulations of the inorganic masses. A prerequisite is a multi-head system with an extrusion head for each desired porosity, with which the corresponding inorganic paste, ie metallic or ceramic paste, for example, is deposited at the intended location. In other words, the setting of the porosity is realized in this example in that the corresponding head of the system deposits a corresponding starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 and this is connected monolithically to the rest of the component 50 . Referring now to FIG. 15, another embodiment of a heap 31a is shown with pores 32a. Such a configuration of the pile 31a can be achieved, for example, by means of the production of polymeric membranes in the sintering process, polymeric particles being sintered together by the action of heat. The sintering conditions are set in such a way that the polymer particles bond, but still retain their particle shape to a certain extent. The resulting pore structure is thus essentially determined by the polymer particles, in particular by their shape and size. The polymer particles are connected to one another by the sintering process, cavities 32a being formed between the polymer particles, which are typically connected to one another and form a continuous cavity 32a. The size of the cavities depends on the size of the polymer particles. The resulting microporous structure is fundamentally suitable as a filter medium for micro and ultra filtration. The pore size desired in each case can be set by suitably selecting the particle size, with the particles being larger than the pores.
Bezugnehmend auf die Fig. 16 ist ein Haufwerk 31 b gezeigt, welches noch mit einem weiteren Herstellungsverfahren erzielbar ist, wobei das Haufwerk anorganische Partikel, beispielsweise metallische oder keramische Partikel, aufweist, welche Hohlräume 32b zwischen den Partikeln bilden. Zur Herstellung anorganischer Membranen 60a kann beispielsweise zunächst ein Grünkörper (Precursor) aus einer anorganischen Paste angefertigt werden. Beispielsweise besteht die Paste im Wesentlichen aus keramischen oder metallischen Partikeln, organischen Bindern und Additiven. Nach Trocknung bzw. Verfestigung der Paste wird der Grünkörper erhalten, der in einem nachfolgenden Brennschritt je nach Zusammensetzung der Paste zu einem mikroporösen anorganischen Körper 60 ausgebildet wird. Die sich ergebende Porenstruktur, wie in Fig. 16 gezeigt, wird wesentlich dabei durch die anorganischen Partikel bestimmt. Die anorganischen Partikel des Haufwerks 31 b, also z.B. Keramikpartikel und/oder Metallpartikel, sind durch den Sinter-Vorgang miteinander verbunden, behalten jedoch zu einem gewissen Teil ihre Partikelgestalt. Zwischen den anorganischen Partikeln bestehen Hohlräume 32b, die in vorteilhafter Weise miteinander zu einem gemeinsamen Hohlraum verbunden sind. Die Größe der Hohlräume ist abhängig von der Größe und Form der anorganischen Partikel. Die organischen Bestandteile des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 zersetzen sich bei den hohen Brenntemperaturen. Die so entstandene mikroporöse Struktur ist grundsätzlich als Filtermedium für die Mikro- und Ultrafiltration geeignet. Die jeweils gewünschte Porengröße lässt
sich durch die geeignete Wahl der Partikelgröße einstellen, wobei die Partikel größer als die Poren sind. Referring to FIG. 16, a pile 31b is shown which can be achieved with a further manufacturing method, the pile having inorganic particles, for example metallic or ceramic particles, which form cavities 32b between the particles. To produce inorganic membranes 60a, for example, a green body (precursor) can first be produced from an inorganic paste. For example, the paste essentially consists of ceramic or metallic particles, organic binders and additives. After the paste has dried or solidified, the green body is obtained, which is formed into a microporous inorganic body 60 in a subsequent firing step, depending on the composition of the paste. The resulting pore structure, as shown in FIG. 16, is essentially determined by the inorganic particles. The inorganic particles of the heap 31b, ie ceramic particles and/or metal particles, for example, are connected to one another by the sintering process, but retain their particle shape to a certain extent. There are cavities 32b between the inorganic particles, which are advantageously connected to one another to form a common cavity. The size of the cavities depends on the size and shape of the inorganic particles. The organic components of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 decompose at the high firing temperatures. The resulting microporous structure is fundamentally suitable as a filter medium for micro and ultra filtration. The desired pore size leaves are set by the appropriate choice of particle size, with the particles being larger than the pores.
Die so entstandene mikroporöse Struktur, ggf. mit hohem Anorganikanteil, z.B. in Form von Keramikpartikeln und/oder Metallpartikeln, stellt den Grünkörper für den nachfolgenden Brennvorgang dar, beispielsweise im Rahmen eines Herstellungsverfahrens gemäß dem oder in Analogie an das TiPS-Verfahren. Die mikroporöse Struktur 60 verändert sich durch den Brennvorgang nur wenig und ist grundsätzlich als Filtermedium für die Mikro- und Ultrafiltration geeignet. Definierte Partikel lassen sich in der festen Matrix nicht erkennen bzw. möglicherweise erkennbare anorganische Partikel des Haufwerks 31 , 31 a, 31 b sind kleiner als die entstandenen Poren. The resulting microporous structure, possibly with a high inorganic content, e.g. in the form of ceramic particles and/or metal particles, represents the green body for the subsequent firing process, e.g. as part of a manufacturing process according to or analogous to the TiPS process. The microporous structure 60 changes only slightly as a result of the firing process and is fundamentally suitable as a filter medium for micro- and ultrafiltration. Defined particles cannot be recognized in the solid matrix or inorganic particles of the heap 31, 31a, 31b that may be recognizable are smaller than the pores that have formed.
Ein Sintern bzw. Backen der Grünkörper kann beispielsweise bei 1600°C oder mehr durchgeführt werden. Ein Füllgrad der anorganischen Partikel im Haufwerk 31 , 31 a, 31 b in der polymeren Phase kann zwischen 50 bis 70 % liegen. Bei solchen Mischungsverhältnissen ist es vorteilhaft, dynamische Mischer einzusetzen. Sintering or baking of the green bodies can be carried out, for example, at 1600° C. or more. A degree of filling of the inorganic particles in the heap 31, 31a, 31b in the polymeric phase can be between 50 and 70%. With such mixing ratios, it is advantageous to use dynamic mixers.
Alternativ kann die entstandene mikroporöse Struktur 60 ohne anorganische Füllstoffe, also z.B. ohne keramische oder metallische Füllstoffe, ohne weiteren Brennvorgang verwendet werden. Hierbei ist es vorteilhaft, die auswaschbaren Bestandteile zur Fertigstellung des Filters zu entfernen. Alternatively, the resulting microporous structure 60 can be used without inorganic fillers, e.g. without ceramic or metallic fillers, without a further firing process. It is advantageous here to remove the washable components to complete the filter.
Bezugnehmend auf Fig. 17 ist in schematischer Diagrammdarstellung der Ablauf des Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils 50 dargestellt. Im Bereitstellungsschritt 100 wird das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 bereitgestellt. AusgangsmaterialReferring to FIG. 17, the sequence of the method for producing a component 50 is shown in a schematic diagram representation. In the provision step 100, the porous or porous starting material 70, 71, 72, 73, 74 is provided. starting material
70, 71 , 72, 73, 74 kann beispielsweise, nicht abschließend, als pulverförmiges Ausgangsmaterial70, 71, 72, 73, 74 can, for example, but not exclusively, as a powdered starting material
71 , als flüssiges Ausgangsmaterial 72, als festes Ausgangsmaterial 73 oder als pastöses Ausgangsmaterial 74 bereitgestellt werden. Das Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 ist dabei intrinsisch porös eingestellt, einstellbar oder hergerichtet. Das Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 kann dabei verschiedentlich bereitgestellt werden. Beispielsweise umfasst das Bereitstellen 100 des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 das Bevorraten 102 einer Extrudervorrichtung mit Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74. Der Schritt Bereitstellen 100 kann auch das Platzieren oder Vorbereiten 104 von pulverförmigem Ausgangsmaterial 71 umfassen, beispielsweise mittels einer Ablegeeinrichtung 80. Der Schritt Bereitstellen 100 kann auch das Mischen 106 des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 bzw. das Aufheizen 108 des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 umfassen. Das Bereitstellen 100 umfasst also das eventuelle Vorbereiten des
Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74, beispielsweise an einem bestimmten Punkt, insbesondere einem Punkt einer Punkt-Matrix des herzustellenden monolithischen Bauteils 50, für einen folgenden Materialauftrag. So kann das Bereitstellen 100 auch das Anfahren des anzufahrenden Punktes mittels der Auftragsvorrichtung umfassen, wenn die Auftragsvorrichtung hierzu entsprechend bewegt und/oder eingestellt werden muss. Der Schritt Bereitstellen 100 kann auch das Vorbereiten einer Strahlungsquelle zum späteren Aktivieren bzw. Aufheizen des anzufahrenden Punktes umfassen. 71, as a liquid starting material 72, as a solid starting material 73 or as a pasty starting material 74. The starting material 70, 71, 72, 73, 74 is set, adjusted or prepared to be intrinsically porous. The starting material 70, 71, 72, 73, 74 can be provided in various ways. For example, providing 100 the starting material 70, 71, 72, 73, 74 includes storing 102 an extruder device with starting material 70, 71, 72, 73, 74. The providing step 100 can also include placing or preparing 104 powdery starting material 71, for example by means of a depositing device 80. The step of providing 100 can also include the mixing 106 of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 or the heating 108 of the starting material 70, 71, 72, 73, 74. The provision 100 therefore includes the possible preparation of the Starting material 70, 71, 72, 73, 74, for example at a specific point, in particular a point of a point matrix of the monolithic component 50 to be produced, for a subsequent application of material. Thus, providing 100 can also include moving to the point to be approached by means of the application device if the application device has to be moved and/or adjusted accordingly for this purpose. The step of providing 100 can also include the preparation of a radiation source for later activation or heating of the point to be approached.
Nach der Vorbereitung erfolgt das Einstellen 110 der Porosität des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials 70, 71, 72, 73, 74 für den zu erfolgenden Materialauftrag. Auch das Einstellen kann auf verschiedene Arten erfolgen. So kann das Beimischen 112 von Additiv bzw. Füllstoff zu dem Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 zum Einstellen der Porosität im Moment des Materialauftrags umfasst sein. Ferner kann das Einstellen von Härtungsparametern 114 umfasst sein, um das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 hinsichtlich der Porosität im Schritt 110 einzustellen. After the preparation, the porosity of the porous or porous starting material 70, 71, 72, 73, 74 is adjusted 110 for the material application to be carried out. The setting can also be done in different ways. Thus, the admixture 112 of additive or filler to the starting material 70, 71, 72, 73, 74 for adjusting the porosity can be included at the moment the material is applied. Furthermore, the adjustment of curing parameters 114 can be included in order to adjust the porosity of the porous or porous starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 in step 110 .
Der Schritt Einstellen 110 kann auch die Auswahl 116 von einem anzuwendenden Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 aus einer Mehrzahl von zumindest zwei Ausgangsmaterialien 70, 71 , 72, 73, 74 umfassen. Die Auswahl kann auch zu einer Mischung führen, wenn das Ausgangsmaterial 70, 71, 72, 73, 74 zwei Ausgangsmaterialien 70, 71 , 72, 73, 74 umfasst, welche gleichzeitig oder auch abwechselnd zugeführt werden können, um einen Materialmix an dem anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix zu erzeugen. The adjustment step 110 can also include the selection 116 of a starting material 70, 71, 72, 73, 74 to be used from a plurality of at least two starting materials 70, 71, 72, 73, 74. The selection can also lead to a mixture if the starting material 70, 71, 72, 73, 74 comprises two starting materials 70, 71, 72, 73, 74, which can be fed in simultaneously or alternately in order to have a material mix at the point to be approached to generate the point-target matrix.
Eine ortsabhängige Strahlungsintensität kann gemäß Schritt 118 bereitgestellt werden, um dadurch die Porosität des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 im Schritt 110 einzustellen. So kann mit Schritt 118 anhand des ausgewählten bzw. anzufahrenden Punktes der Punkt- Target-Matrix eine beispielsweise in einer Tabelle hinterlegte Strahlungsintensität abgerufen und der Strahlungsquelle zur Ausgabe zugeführt werden. A location-dependent radiation intensity can be provided according to step 118 in order to set the porosity of the starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 in step 110 . Thus, in step 118, based on the point of the point-target matrix selected or to be approached, a radiation intensity stored in a table, for example, can be retrieved and supplied to the radiation source for output.
Der Schritt Einstellen 110 kann auch das ortsabhängige Einstellen 119 der Lichtabsorptionsfähigkeit des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 umfassen. Dies kann die ortsabhängige Zufuhr von Tinte sein, wenn beispielsweise der Bauteilaufbau mittels einer ortsunabhängigen Strahlungsquelle durchgeführt wird. Die Zielsetzung des Einstellschrittes 110 ist, dass das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 beim Materialauftrag so gestaltet oder vorbereitet wird, dass es im Bauteil eine zusammenhängende poröse Materialstruktur ausbilden kann, welche bevorzugterweise am jeweiligen anzufahrenden Punkt
der Punkt-Target-Matrix hinsichtlich der Porosität veränderbar eingestellt werden kann, um einerseits eine poröse Materialstruktur 60, aber auch monolithisch damit ausgebildet undurchlässige Bereiche 64 aufzubauen. Idealerweise kann dies in einem gemeinsamen Verfahrensablauf so durchgeführt werden, dass das monolithische Bauteil 50 in einem Stück kontinuierlich, bevorzugt ohne Unterbrechung, hergestellt wird. Je nach angewendetem Verfahren kann dies auch schrittweise und mit entsprechenden Pausen zwischen den Schritten geschehen, wenn dies für das Verfahren notwendig sein sollte. Das hergestellte monolithische Bauteil 50 zeichnet sich schließlich dadurch aus, dass eine materialschlüssige Verbindung zwischen allen Komponenten des monolithischen Bauteils 50 so besteht, dass das Bauteil aus einem Stück gewachsen erscheint, so dass die Bereiche, die für einen Strömungsdurchfluss hergerichtet werden, bereits beim Bau bzw. der Herstellung des monolithischen Bauteils 50 so hergestellt werden, dass diese Bereiche den Strömungsfluss ermöglichen; andererseits dass die undurchlässigen Bereiche, welche gerade einen Strömungsdurchfluss verhindern sollen, sowie die Umhäusung, bereits während der Herstellung des monolithischen Bauteils entsprechend undurchlässig eingestellt sind. Besonders bevorzugt besteht das gesamte monolithische Bauteil 50 aus zueinander kompatiblem Material bzw. aus demselben Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74, bei welchem gegebenenfalls verschiedene Füllmaterialien oder Additive ergänzt werden. The adjustment step 110 can also include the location-dependent adjustment 119 of the light absorption capacity of the starting material 70, 71, 72, 73, 74. This can be the location-dependent supply of ink if, for example, the construction of the component is carried out using a location-independent radiation source. The aim of setting step 110 is that the porous or porous starting material 70, 71, 72, 73, 74 is designed or prepared when the material is applied in such a way that it can form a coherent porous material structure in the component, which is preferably at the respective point to be approached the porosity of the point-target matrix can be adjusted in a variable manner in order to construct a porous material structure 60 on the one hand, but also impermeable regions 64 formed monolithically therewith. Ideally, this can be carried out in a common process sequence such that the monolithic component 50 is produced in one piece continuously, preferably without interruption. Depending on the procedure used, this can also be done step by step and with appropriate breaks between the steps if this should be necessary for the procedure. Finally, the monolithic component 50 that is produced is characterized in that there is a material connection between all of the components of the monolithic component 50 in such a way that the component appears to have grown from one piece, so that the areas that are prepared for a flow passage are already in place during construction or installation the fabrication of the monolithic component 50 so that these areas allow fluid flow; on the other hand, that the impermeable areas, which are intended to prevent a flow of flow, and the housing, are already set to be correspondingly impermeable during the production of the monolithic component. Particularly preferably, the entire monolithic component 50 consists of mutually compatible material or of the same starting material 70, 71, 72, 73, 74, to which different filling materials or additives may be added if necessary.
Das eingestellte Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 wird an dem anzufahrenden Punkt aufgetragen im Schritt 120. Das Aufträgen kann unterschiedliche Ausprägungen aufweisen. Je nach herzustellendem monolithischen Bauteil 50 kann hierunter das Ausgeben von eingestelltem Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 mittels einer Auftragsmaschine gemäß Schritt 122 zu verstehen sein. Eine solche Auftragsmaschine ist beispielsweise ein Extruder. Es kann auch ein ergänzendes Ablegen von pulverförmigem Ausgangsmaterial 71 gemäß Schritt 124 am anzufahrenden Punkt umfassen, wenn dies nicht mit Schritt 104 vollständig durchführbar ist. Auch das Aufträgen 126, beispielsweise das manuelle Aufträgen einer Paste, kann in dem Schritt Aufträgen 120 umfasst sein. Das Aufträgen 120 führt dazu, dass Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 an dem monolithischen Bauteil 50 aufgetragen wird in einer Form, dass dort einerseits Bereiche mit undurchlässiger Materialstruktur und andererseits Bereiche mit poröser Materialstruktur entstehen, wobei die Bereiche mit poröser Materialstruktur auch weiter unterteilbar sind in Bereiche mit unterschiedlicher Porosität. The set starting material 70, 71, 72, 73, 74 is applied to the point to be approached in step 120. The application can have different characteristics. Depending on the monolithic component 50 to be produced, this can be understood to mean the dispensing of adjusted starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 by means of an application machine according to step 122 . Such an application machine is, for example, an extruder. It can also include an additional depositing of powdered starting material 71 according to step 124 at the point to be approached if this cannot be carried out completely with step 104 . The application 126 , for example the manual application of a paste, can also be included in the application 120 step. The application 120 leads to the starting material 70, 71, 72, 73, 74 being applied to the monolithic component 50 in a form that there are areas with an impermeable material structure on the one hand and areas with a porous material structure on the other hand, with the areas with a porous material structure also can be further subdivided into areas with different porosity.
Im Schritt 130 wird schließlich das Aufträgen 120, Einstellen 110 und gegebenenfalls Unterschritte daraus fortgeführt, bis das monolithische Bauteil 50 schließlich fertiggestellt wird. Je
nach ausgewähltem zugrundeliegendem Verfahren werden dabei die Schritte 110, 120 repetitiv durchgeführt, also beispielsweise für jeden Punkt der Punkt-Target-Matrix erneut, oder für jede Schicht der Schicht-Target-Matrix erneut, oder aber es wird zunächst das Ausgangsmaterial 70, 71, 72, 73, 74 im Schritt 110 beispielsweise für zusammenhängende Bereiche des monolithischen Bauteils zunächst eingestellt und anschließend im gesamten Schritt 120 angefahren bzw. aufgetragen. Finally, in step 130, the application 120, the setting 110 and any sub-steps thereof are continued until the monolithic component 50 is finally completed. je Depending on the selected underlying method, the steps 110, 120 are carried out repetitively, for example for each point of the point-target matrix again, or again for each layer of the layer-target matrix, or the starting material 70, 71, 72, 73, 74 are initially set in step 110, for example for contiguous areas of the monolithic component, and then approached or applied throughout step 120.
Die Figuren 18 bis 32 zeigen beispielhaft, wie einige der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte ausgeführt sein können. Fig. 18 zeigt das Aufträgen 104 von pulverförmigem Ausgangsmaterial 71 auf einem teilweise fertiggestelltem monolithischen Bauteil 50 mittels einer Ablegeeinrichtung 80. Das Ausgangsmaterial 70 wird in Schritt 104 so abgelegt, dass beispielsweise in einer Matrixebene 90 in einem Ablagebereich 92 das pulverförmige Ausgangsmaterial 71 abgelegt wird, wohingegen in einem Bereich 94 kein Ausgangsmaterial 71 abgelegt wird. FIGS. 18 to 32 show, by way of example, how some of the method steps described above can be carried out. Fig. 18 shows the application 104 of powdered starting material 71 to a partially finished monolithic component 50 by means of a depositing device 80. The starting material 70 is deposited in step 104 in such a way that, for example, the powdered starting material 71 is deposited in a matrix plane 90 in a depositing area 92, whereas in an area 94 no starting material 71 is deposited.
Fig. 19 zeigt beispielhaft das Aufheizen 108 von festem Ausgangsmaterial 73 in einem Heizofen 81 mittels Wärme 81 a. Fig. 19 shows an example of the heating 108 of solid starting material 73 in a heating furnace 81 by means of heat 81a.
Fig. 20 zeigt ein Beispiel für das Mischen 112 von Ausgangsmaterial 70 mit Additiv 75 und/oder Füllstoff 76 in einer Mischvorrichtung 82. Ausgangsmaterial 70 wird in einer mittels des Mengenreglers 82a einstellbaren Zufuhrmenge zu dem Mischbehälter 82c zugeführt; Additiv 75 und/oder Füllstoff 76 wird in einer mittels des Mengenreglers 82b separat einstellbaren Zufuhrmenge ebenfalls dem Mischbehälter 82c zugeführt. Evtl, ist zumindest einer der Mengenregler 82a, 82b je nach Prozessbedingungen auch entbehrlich. Die Mischvorrichtung 82 kann auch drei Einfüllbehälter aufweisen, wenn Additiv 75 bzw. Füllstoff 76 separat bereitgestellt werden soll. Die Darstellung der Fig. 20 unterscheidet sich dabei in der gezeigten, prinzipiellen Form nicht, wenn entweder Additiv 75 oder Füllstoff 76 oder beides gemeinsam zu dem Ausgangsmaterial 70 zugemischt werden soll, so dass diese Varianten zur Wahrung der Kürze in einer Figur 20 zusammengefasst sind. 20 shows an example of the mixing 112 of starting material 70 with additive 75 and/or filler 76 in a mixing device 82. Starting material 70 is supplied to the mixing container 82c in an adjustable feed quantity by means of the quantity controller 82a; Additive 75 and/or filler 76 is also supplied to the mixing container 82c in a supply quantity that can be set separately by means of the quantity controller 82b. Depending on the process conditions, at least one of the quantity regulators 82a, 82b may also be dispensable. The mixing device 82 can also have three filling containers if additive 75 or filler 76 is to be provided separately. The illustration in FIG. 20 does not differ in the basic form shown if either additive 75 or filler 76 or both are to be mixed together with the starting material 70, so that these variants are combined in one figure 20 to keep things short.
Der oder die Mengenregler 82a, 82b erlaubt/erlauben die Einstellung 110 der späteren Porosität des Ausgangsmaterials 70 und somit von Bereichen des zu erstellenden monolithischen Bauteils 50. Das gemischte Ausgangsmaterial 70a wird im Mischbehälter 82c umgewälzt, beispielsweise bei Anwendung von flüssigem Ausgangsmaterial 72. Der Mischbehälter 82c weist einen Ausgangsmengenregler 82e im Auslass auf, mittels welchem die aufzutragende Menge für das Aufträgen 120 einstellbar ist. Beispielsweise zeigt Fig. 20 hierzu einen punktförmigen Auftrag
120 des Ausgangsmaterials 70a auf das skizzierte monolithische Bauteil 50, wobei der punktförmige Auftrag 120 beispielsweise mittels Öffnen und Schließen des Ausgangsmengenreglers 82e erzielbar ist. The quantity controller(s) 82a, 82b allows/allow the setting 110 of the subsequent porosity of the starting material 70 and thus of areas of the monolithic component 50 to be created. The mixed starting material 70a is circulated in the mixing container 82c, for example when using liquid starting material 72. The mixing container 82c has an output quantity regulator 82e in the outlet, by means of which the quantity to be applied for the application 120 can be adjusted. For example, FIG. 20 shows a punctiform application for this purpose 120 of the starting material 70a on the outlined monolithic component 50, the punctiform application 120 being achievable, for example, by opening and closing the output quantity regulator 82e.
Fig. 21 zeigt eine weitere Ausführung einer Ablagevorrichtung bzw. Auftragsmaschine 80 für den Auftrag von Ausgangsmaterial 70 auf einen Bauteilträger 80b bzw., wenn das monolithische Bauteil 50 schon teilweise auf den Bauteilträger 80b aufgetragen ist, auf das teilfertige monolithische Bauteil 50. Mittels einer Zuführung 80a kann beispielsweise ein Kühlmittel, oder auch ein Fällmittel oder ein Härter beim Auftrag 110 zugeführt werden und somit Härtungsparameter 114 eingestellt werden. 21 shows a further embodiment of a storage device or application machine 80 for applying starting material 70 to a component carrier 80b or, if the monolithic component 50 has already been partially applied to the component carrier 80b, to the partially finished monolithic component 50. By means of a feed 80a, for example, a coolant or also a precipitant or a hardener can be supplied during application 110 and thus hardening parameters 114 can be set.
Noch eine Alternative, um das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial 70 einzustellen, ist in Fig. 22 mit der Vorhaltung von zwei Ablagevorrichtungen 80, 80‘ gezeigt. So kann gemäß Schritt 116 ein bereits voreingestelltes Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 ausgewählt werden, indem mit der entsprechenden Ablagevorrichtung 80, 80‘ der Materialauftrag 110 auf den Bauteilträger 80b oder das teilaufgetragene monolithische Bauteil 50 durchgeführt wird. Yet another alternative for setting the porous or porous starting material 70 is shown in FIG. 22 with the provision of two storage devices 80, 80'. Thus, according to step 116, an already preset starting material 70, 71, 72, 73, 74 can be selected in that the material application 110 onto the component carrier 80b or the partially applied monolithic component 50 is carried out with the corresponding depositing device 80, 80'.
Fig. 23 zeigt ein Beispiel für das Bereitstellen 118 einer ortsabhängigen Strahlungsintensität zum Überführen des Ausgangsmaterials 70 in mit dem monolithischen Bauteil 50 verbundenes Material. Eine Anregungs- oder Aktivierungsanordnung 83 weist beispielsweise eine Strahlungsquelle 83a sowie eine Ablenk- bzw. Leiteinrichtung 83b auf, um Strahlung 83c auf den Zielpunkt 50a der Punkt-Matrix am monolithischen Bauteil 50 bzw. dem Bauteilträger 80b zu richten. 23 shows an example of the provision 118 of a location-dependent radiation intensity for converting the starting material 70 into material connected to the monolithic component 50 . An excitation or activation arrangement 83 has, for example, a radiation source 83a and a deflection or guide device 83b in order to direct radiation 83c onto the target point 50a of the point matrix on the monolithic component 50 or the component carrier 80b.
Bezug nehmend auf Fig. 24 ist das ortsabhängige Einstellen 119 der Lichtabsorptionsfähigkeit des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 anhand einer fahrbaren bzw. beweglichen Aktivierungseinrichtung 84. Die Aktivierungseinrichtung 84 weist einen oder mehrere Sprühköpfe 84b auf. Beispielsweise kann mitels des oder der Sprühköpfe 84b ein Absorptionsmodifikator 77, wie eine Tinte, auf das vorbereitete Ausgangsmaterial 70 aufgetragen werden, und zwar nicht an jedem Punkt des herzustellenden Bauteils 50 sondern gezielt, so dass an den Punkten 50a, an denen der Absorptionsmodifikator 77 aufgetragen ist, die Porosität des Bauteils 50 anders eingestellt werden kann als an den Punkten 50a, an denen kein Absorptionsmodifikator 77 aufgetragen ist. Es wird also die Lichtabsorptionsfähigkeit des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 mittels (zusätzlichem) Auftrag des Absorptionsmodifikators 77 im Schritt 119 ortsabhängig eingestellt, so dass bei einer späteren Bestrahlung, wie
beispielsweise auch mit Fig. 23 gezeigt, eine ortsabhängige Porosität im Bauteil 50 erzeugbar ist. Die Aktivierungseinrichtung 84 kann ferner eine oder mehrere Strahlungsquelle(n) 84a umfassen zur Abgabe einer Aktivierungsstrahlung 84c. Die Bereiche, die zuvor mit Tinte 77 abgedeckt wurden, werden unterschiedlich aktiviert im Vergleich zu den Bereichen, die nicht mit Tinte 77 versehen sind. Beispielsweise kann ein Bereich des herzustellenden Bauteils 50, an welchem Absorptionsmodifikator 77 appliziert wurde, mehr Strahlungsleistung 84c aus der Strahlungsquelle 84a aufnehmen, dadurch dichter verschmelzen und eine geringere Porosität an dem Punkt 50a aufweisen im Vergleich zu anderen Bereichen des Bauteils 50, an welchem kein Absorptionsmodifikator 77 appliziert wurde. Referring to FIG. 24, the location-dependent setting 119 of the light absorption capacity of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 is based on a mobile or mobile activation device 84. The activation device 84 has one or more spray heads 84b. For example, an absorption modifier 77, such as an ink, can be applied to the prepared starting material 70 by means of the spray head or spray heads 84b, not at every point of the component 50 to be produced, but specifically so that at the points 50a where the absorption modifier 77 is applied is, the porosity of the component 50 can be adjusted differently than at the points 50a where no absorption modifier 77 is applied. It is the light absorption capacity of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 by means of (additional) application of the absorption modifier 77 in step 119 is set depending on the location, so that in a later irradiation, such as For example, also shown in FIG. 23, a location-dependent porosity can be produced in the component 50. The activation device 84 can also include one or more radiation source(s) 84a for emitting an activation radiation 84c. The areas previously covered with ink 77 are activated differently compared to the areas not covered with ink 77. For example, an area of the component 50 to be produced to which absorption modifier 77 has been applied can absorb more radiant power 84c from the radiation source 84a, thereby merging more densely and have a lower porosity at point 50a compared to other areas of the component 50 to which no absorption modifier has been applied 77 was applied.
Mit Fig. 25 wird das Aufträgen 122 von Ausgangsmaterials 70, 71, 72, 73, 74 mittels einer Ablagevorrichtung 80 auf bereits teilabgelegtem Bauteil 50 dargestellt. Die Ablagevorrichtung 80 ist horizontal, das heißt zumindest in zwei Achsenrichtungen, beweglich ausgeführt, so dass jeder Punkt des Bauteilträgers 80b angefahren werden kann. Auch eine senkrechte Bewegung, also ein Auf- und Abfahren, wird ermöglicht. Alternativ oder kumulativ kann die Ablagevorrichtung 80 beweglich ausgeführt sein, um in Summe eine Bewegung in allen drei Raumrichtungen zu ermöglichen, um somit jeden Punkt der Punkt-Matrix mit der Ablagevorrichtung 80 anfahrbar zu machen. Es ist ein „strangweises“ oder „raupenförmiges“ Aufträgen 122 von Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 dargestellt. FIG. 25 shows the application 122 of starting material 70, 71, 72, 73, 74 by means of a depositing device 80 onto a component 50 that has already been partially deposited. The storage device 80 is designed to be movable horizontally, that is to say at least in two axial directions, so that each point on the component carrier 80b can be approached. Vertical movement, i.e. moving up and down, is also possible. Alternatively or cumulatively, the storage device 80 can be designed to be movable in order to allow movement in all three spatial directions in total, in order to make it possible to approach each point of the point matrix with the storage device 80 . Application 122 of starting material 70 , 71 , 72 , 73 , 74 is shown “in strands” or “in caterpillar form”.
Bezug nehmend auf Fig. 26 ist der ring- oder schneckenförmige Auftrag 126 von pastösem Ausgangsmaterial 74 mittels einer Ablegevorrichtung 80 dargestellt. Referring to FIG. 26, the annular or snail-shaped application 126 of pasty starting material 74 by means of a depositing device 80 is shown.
Mit Fig. 27 wird das Brennen 132 eines Grünkörpers dargestellt in dem Fall, dass der Grünkörper zunächst aus Ausgangsmaterial 70, 71 , 72, 73, 74 aufgebaut wird und als ganzes in dem Brennschritt 132 fertiggestellt wird. Dabei wird der Grünkörper in die Heizvorrichtung 81 , also beispielsweise in eine Brennkammer, eingesetzt und mittels einer Wärmequelle 81a erhitzt. Firing 132 of a green body is shown in FIG. In this case, the green body is inserted into the heating device 81, ie, for example, into a combustion chamber, and heated by means of a heat source 81a.
Bezug nehmend auf Fig. 28 ist ein Auswaschungs-Schritt 134 dargestellt, wobei ggf. für den Auftrag des Ausgangsmaterials 70, 71 , 72, 73, 74 bzw. für die Herstellung des Bauteils 50 benötigte Hilfsstoffe aus dem Bauteil 50 ausgewaschen werden, so dass diese entfernt werden können. Hierfür wird das Bauteil 50 in ein Bad 85 mit Spüllösung 85a gelegt und gespült. Referring to Fig. 28, a washing-out step 134 is shown, in which case any auxiliary materials required for the application of the starting material 70, 71, 72, 73, 74 or for the production of the component 50 are washed out of the component 50, so that these can be removed. For this purpose, the component 50 is placed in a bath 85 with rinsing solution 85a and rinsed.
Fig. 29 zeigt schließlich das Entfernen von ggf. anfallendem überschüssigen Pulver im Schritt 136 in einer Spülkammer 86, beispielsweise mittels Druckluft. Finally, FIG. 29 shows the removal of any excess powder in step 136 in a rinsing chamber 86, for example by means of compressed air.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt
ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. In allen Figuren stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände dar, so dass Beschreibungen von Gegenständen, die gegebenenfalls nur in einer oder jedenfalls nicht hinsichtlich aller Figuren erwähnt sind, auch auf diese Figuren übertragen werden können, hinsichtlich welchem der Gegenstand in der Beschreibung nicht explizit beschrieben ist.
It is obvious to a person skilled in the art that the embodiments described above are to be understood as examples and that the invention is not limited thereto is, but can be varied in many ways without leaving the scope of the claims. Furthermore, it is evident that the features, regardless of whether they are disclosed in the description, the claims, the figures or otherwise, also individually define essential components of the invention, even if they are described together with other features. In all figures, the same reference symbols represent the same objects, so that descriptions of objects that may only be mentioned in one or at least not with regard to all figures can also be transferred to these figures, with regard to which the object is not explicitly described in the description.
Bezuqszeichenliste: Reference character list:
I Trägerseite, Membranrohr, FiitterkapillareI carrier side, membrane tube, filter capillary
1 a Membranrohrbündel 1 a membrane tube bundle
1 b Tripelhelix 1 b triple helix
2, 2a Stirnseite, Endplatte 2, 2a end face, end plate
3 Membraneinlauf 3 membrane inlet
4 Übergang bzw. Ausrundung 4 Transition or fillet
4a Strömungsführung 4a flow guide
5 Umhäusung, Gehäuse 5 housing, housing
6 Übergang 6 transition
7 Zulauf, Ablauf 7 inlet, outlet
8 Hüllfluidzu- oder -ablauf, Filtratanschluss 8 Sheath fluid inlet or outlet, filtrate connection
9 Seitenfläche des Membranrohres 9 side surface of the membrane tube
10 Hüllseite, Filtratraum 10 shell side, filtrate space
I I Nut I I groove
12 Dichtelement 12 sealing element
13 Zu- oder Ablaufstück 13 inlet or outlet piece
14 Flachdichtelement 14 flat sealing element
15 Klemmring 15 clamping ring
16 Überstand 16 overhang
17 Steg 17 jetty
17a Gehäusesteg 17a housing bridge
19 Membranrohr mit veränderlichem Querschnitt19 membrane tube with variable cross-section
20 engerer Querschnitt 20 narrow cross section
21 weiterer Querschnitt 21 another cross section
22 Längsschnitt 22 longitudinal section
23 Ellipsenquerschnitt 23 elliptical cross-section
24 Ausgangsstellung 24 starting position
25 90° gedreht 25 rotated 90°
26 Längsschnitt 26 longitudinal section
27 Längsschnitt
28 Rohrmembran 27 longitudinal section 28 tubular membrane
28a Wellenrohrmembran 28a wave tube membrane
29 Turbulator, statischer Mischer 29 turbulator, static mixer
29a Turbulatorflanke 29a turbulator edge
30 Beschichtung 30 coating
31, 31 a, 31 b Verbundenes Haufwerk der porösen Struktur, typisch mit anorganischen Partikeln bzw. keramischen, metallischen oder polymeren Partikeln31, 31 a, 31 b Connected aggregate of the porous structure, typically with inorganic particles or ceramic, metallic or polymer particles
32, 32a, 32b Pore im Haufwerk 32, 32a, 32b pore in heap
50 monolithisches Bauteil 50 monolithic component
50a Zielpunkt 50a target point
52 Trägerfluid-Sammelanschluss 52 Carrier fluid collection port
54 Trägerfluidkammer 54 carrier fluid chamber
56 Hüllfluid-Sammelanschluss 56 Sheath Fluid Collection Port
58 Anschlusskragen 58 connection collar
60 poröse Struktur 60 porous structure
60a Membran bzw. Membranfilter 60a membrane or membrane filter
62 separates Gehäuse 62 separate housing
64 undurchlässiger Bereich 64 impermeable area
70 Ausgangsmaterial 70 starting material
70a gemischtes Ausgangsmaterial 70a mixed feedstock
71 Ausgangsmaterial, pulverförmig 71 starting material, powdery
72 Ausgangsmaterial, flüssig 72 starting material, liquid
73 Ausgangsmaterial, fest 73 starting material, solid
74 Ausgangsmaterial, pastös 74 starting material, pasty
75 Additiv 75 additive
76 Füllstoff 76 filler
77 Absorptionsmodifikator, Tinte 77 absorption modifier, ink
80 Ablagevorrichtung bzw. Auftragsmaschine 80 storage device or application machine
80‘ zweite Ablagevorrichtung 80' second storage device
80a Zuführung 80a feed
80b Bauteilträger 80b component carrier
81 Heizvorrichtung
81a Wärmeerzeugung mittels der Heizvorrichtung 84 81 heater 81a Heat generation by means of the heating device 84
82 Mischvorrichtung 82 mixing device
82a Mengenregler Ausgangsmaterial 82a flow regulator starting material
82b Mengenregler Additiv / Füllstoff 82b Quantity regulator additive / filler
82c Mischbehälter 82c mixing tank
82d Drehmischer 82d rotary mixer
82e Ausgangsmengenregler 82e output flow regulator
83 Anregungs- oder Aktivierungsanordnung 83 excitation or activation arrangement
83a Strahlungsquelle 83a radiation source
83b Ablenk- bzw. Leiteinrichtung 83b deflection or guiding device
83c Strahlung 83c radiation
84 Aktivierungseinrichtung bzw. Tintendruckkopf, ggf. mit Strahlungsquelle84 Activation device or inkjet print head, possibly with radiation source
84a Strahlungsquelle 84a radiation source
84b Tintendruckkopf bzw. Sprüheinrichtung 84b ink print head or spray device
84c Strahlung 84c radiation
85 Bad 85 bath
85a Spüllösung 85a rinse solution
86 Kammer 86 chamber
90 Matrixebene 90 matrix level
92 Ablagebereich 92 storage area
94 weiterer Bereich 94 other area
100 Bereitstellen 100 Deploy
102 Bevorraten 102 stocking up
104 Platzieren 104 Place
106 Mischen 106 mixing
108 Aufheizen 108 heating up
110 Einstellen 110 Adjust
112 Beimischen 112 admixture
114 Einstellen von Härtungsparametern 114 Setting Curing Parameters
116 Auswahl von Ausgangsmaterial 116 Source Material Selection
118 Einstellen der ortsabhängigen Strahlungsintensität 118 Setting the location-dependent radiation intensity
119 Einstellen der ortsabhängigen Lichtabsorptionsfähigkeit, Beimischen von Tinte
120 Aufträgen 119 Adjusting the location-dependent light absorptivity, adding ink 120 orders
122 Ausgeben bzw. Ausrichten der Auftragsmaschine122 Outputting or aligning the coating machine
124 Ablegen von pulverförmigen Ausgangsmaterial 124 Depositing of powdered starting material
126 (Manuelles) Aufträgen von Ausgangsmaterial 130 Fortführen bzw. Beenden des Herstellungsverfahrens126 (Manual) application of starting material 130 Continuation or termination of the manufacturing process
132 Brennen eines Grünkörpers 132 Firing a green body
134 Auswaschen von Hilfsstoffen 134 washing out of excipients
136 Entfernen überschüssigen Pulvers
136 Removing excess powder
Claims
49 49
Patentansprüche: Patent Claims:
1 . Additives Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Bauteils (50) mit zumindest teilweiser oder zumindest bereichsweiser poröser Materialstruktur (60), insbesondere als Filterelement (60a) oder Filtervorrichtung, umfassend die Schritte: Bereitstellen (100, 102, 104, 106, 108) eines porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials (70, 70a, 71 , 72, 73, 74), 1 . Additive manufacturing method for manufacturing a component (50) with an at least partially or at least regionally porous material structure (60), in particular as a filter element (60a) or filter device, comprising the steps of: providing (100, 102, 104, 106, 108) a porous or porous material starting material (70, 70a, 71, 72, 73, 74),
Aufträgen (120, 122, 124, 126) des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials zum Aufbau des Bauteils, und bei dem Aufträgen Einstellen (110, 112, 114, 116, 118, 119) der Porosität des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials. Application (120, 122, 124, 126) of the porous or porous starting material to build up the component, and during the application adjusting (110, 112, 114, 116, 118, 119) the porosity of the porous or porous starting material.
2. Additives Herstellungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der Schritt Aufträgen (120, 122, 124, 126) des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials (70, 70a, 71 , 72, 73, 74) ein punktweises, linienartiges oder schichtweises Aufträgen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials umfasst, insbesondere in einer Punkt-Target-Matrix oder in einer Schicht-Target-Matrix. 2. Additive manufacturing method according to the preceding claim, wherein the step of applying (120, 122, 124, 126) of the porous or porous starting material (70, 70a, 71, 72, 73, 74) involves applying the porous or includes porous starting material, in particular in a point-target matrix or in a layer-target matrix.
3. Additives Herstellungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das punktweise Aufträgen (120, 122, 124, 126) umfasst 3. Additive manufacturing method according to the preceding claim, wherein the dotwise application (120, 122, 124, 126) comprises
Anfahren (120) eines anzufahrenden Punktes der Punkt-Target-Matrix, an dem das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial (70, 70a, 71 , 72, 73, 74) aufzutragen ist, und Approaching (120) a point of the point target matrix to be approached, at which point the porous or porous starting material (70, 70a, 71, 72, 73, 74) is to be applied, and
Einstellen (110, 112, 114, 116, 118, 119) des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials an dem anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix und Aufträgen des eingestellten des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials an dem Punkt. setting (110, 112, 114, 116, 118, 119) the porous or porous starting material at the point of the point target matrix to be targeted and applying the set porous or porous starting material to the point.
4. Additives Herstellungsverfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, ferner mit den Schritten 4. Additive manufacturing method according to one of the two preceding claims, further comprising the steps
Anfahren von zumindest einem ersten Punkt der Punkt-Target-Matrix und Einstellen (110, 112, 114, 116, 118, 119) des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials an dem zumindest einen ersten Punkt derart, dass an dem
50 zumindest einen ersten Punkt eine poröse Materialstruktur (60) entsteht, und/oderApproaching at least a first point of the point-target matrix and setting (110, 112, 114, 116, 118, 119) the porous or porous starting material at the at least one first point such that at the 50 at least a first point a porous material structure (60) is formed, and/or
Anfahren (120) von zumindest einem zweiten Punkt der Punkt-Target-Matrix und Einstellen (110, 112, 114, 116, 118, 119) des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials (70, 70a, 71 , 72, 73, 74) an dem zumindest einen zweiten Punkt derart, dass an dem zweiten Punkt eine undurchlässige Materialstruktur (64) entsteht. Additives Herstellungsverfahren nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, wobei die Punkte der Punkt-Target-Matrix in Ablageschichten angeordnet sind, und wobei das Anfahren (120) der Punkte der Punkt-Target-Matrix schichtweise durchgeführt wird, so dass zunächst die Punkte einer ersten Ablageschicht angefahren werden und anschließend die Punkte einer zweiten Ablageschicht. Additives Herstellungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der Schritt Aufträgen (120) umfasst das Aufträgen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials (70, 70a, 71 , 72, 73, 74) dergestalt, dass zumindest eine Ablageschicht Bereiche mit undurchlässiger Materialstruktur (64) aufweist, und/oder zumindest eine Ablageschicht Bereiche mit poröser Materialstruktur (60) aufweist, und/oder zumindest eine Ablageschicht sowohl undurchlässige Materialstruktur (64) als auch poröse Materialstruktur (60) aufweist, welche mit demselben porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterial aufgetragen ist. Additives Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Aufträgen (120) des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials (70, 70a, 71 , 72, 73, 74) dergestalt durchgeführt wird, dass die teilweise oder bereichsweise poröse Materialstruktur (60) des Bauteils (50) chaotisch angeordnet oder aufgebaut ist, und/oder die teilweise oder bereichsweise poröse Materialstruktur (60) des Bauteils (50) mit dem Auftrag (120) des Ausgangsmaterials im bzw. am Bauteil entsteht und einen
51 nichtrepetitiven Aufbau bzw. Anordnung aufweist. Additives Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ausgangsmaterial (70, 70a, 71 , 72, 73, 74) intrinsisch porös eingestellt bzw. hergerichtet ist, und/oder die poröse Materialstruktur (60) eine offene Porosität aufweist, und/oder die undurchlässige Materialstruktur (64) eine geschlossene Porosität aufweist, und/oder wobei sich die pörose Materialstruktur (60) dadurch auszeichnet, dass diese zumindest teilweise permeabel für das Fluid oder Bestandteile des Fluids eingestellt ist, und/oder wobei sich die pörose Materialstruktur (60) dadurch auszeichnet, dass dort ein geringerer Widerstand für die Durchströmung oder Durchdringung eines Fluids durch die poröse Materialstruktur vorliegt als in der undurchlässigen Materialstruktur (64). Additives Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die poröse Materialstruktur (60) eine offene mikro- oder mesoporöse Struktur aufweist mit einer mittleren Porengröße kleiner 40 pm, bevorzugt kleiner 5 pm, weiter bevorzugt kleiner 1 pm. Additives Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die poröse Materialstruktur (60) eine mittlere Volumenporosität von 20 % oder größer aufweist, bevorzugt 35 % oder größer. Additives Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die undurchlässige Materialstruktur (64) eine höhere Dichte aufweist als die poröse Materialstruktur (60), wobei das Verhältnis der Dichte in der undurchlässigen Materialstruktur zu der porösen Materialstruktur insbesondere bei 1 ,2:1 liegt, weiter bevorzugt bei 1,5:1 , noch weiter bevorzugt bei 2:1. Additives Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt Einstellen (110) der Porosität des porösen oder porösierbaren
52 Approaching (120) at least a second point of the point-target matrix and setting (110, 112, 114, 116, 118, 119) the porous or porous starting material (70, 70a, 71, 72, 73, 74) at the at least one second point such that an impermeable material structure (64) is formed at the second point. Additive manufacturing method according to one of the three preceding claims, wherein the points of the point target matrix are arranged in storage layers, and wherein the approach (120) of the points of the point target matrix is carried out in layers, so that initially the points of a first storage layer are approached and then the points of a second storage layer. Additive manufacturing method according to the preceding claim, wherein the step of applying (120) comprises applying the porous or porous starting material (70, 70a, 71, 72, 73, 74) in such a way that at least one storage layer has areas with an impermeable material structure (64), and/or at least one storage layer has areas with a porous material structure (60), and/or at least one storage layer has both an impermeable material structure (64) and a porous material structure (60), which is applied with the same porous or porous starting material. Additive manufacturing method according to one of the preceding claims, wherein the application (120) of the porous or porous starting material (70, 70a, 71, 72, 73, 74) is carried out in such a way that the partially or regionally porous material structure (60) of the component (50 ) is arranged or constructed chaotically, and/or the partially or regionally porous material structure (60) of the component (50) with the application (120) of the starting material in or on the component is formed and a 51 has a non-repetitive structure or arrangement. Additive manufacturing method according to any one of the preceding claims, wherein the starting material (70, 70a, 71, 72, 73, 74) is set or prepared to be intrinsically porous, and / or the porous material structure (60) has an open porosity, and / or the impermeable material structure (64) has a closed porosity, and/or wherein the porous material structure (60) is characterized in that it is at least partially permeable to the fluid or components of the fluid, and/or wherein the porous material structure (60) characterized in that there is less resistance to the flow or penetration of a fluid through the porous material structure than in the impermeable material structure (64). Additive manufacturing method according to one of the preceding claims, wherein the porous material structure (60) has an open microporous or mesoporous structure with an average pore size of less than 40 pm, preferably less than 5 pm, more preferably less than 1 pm. Additive manufacturing method according to any one of the preceding claims, wherein the porous material structure (60) has an average volume porosity of 20% or greater, preferably 35% or greater. Additive manufacturing method according to one of the preceding claims, wherein the impermeable material structure (64) has a higher density than the porous material structure (60), the ratio of the density in the impermeable material structure to the porous material structure being in particular 1.2:1, further preferably at 1.5:1, even more preferably at 2:1. Additive manufacturing method according to any one of the preceding claims, wherein the step of adjusting (110) the porosity of the porous or porous 52
Ausgangsmaterials (70, 71, 72, 73, 74) umfasst: Starting material (70, 71, 72, 73, 74) includes:
Beimischung (112) von Additiv (75) oder Füllstoff (76) zu dem Ausgangsmaterial zum Einstellen der Porosität im Moment des Materialauftrags, insbesondere an dem jeweils anzufahrenden Punkt (50a) der Punkt-Target-Matrix, und/oderAdmixture (112) of additive (75) or filler (76) to the starting material to adjust the porosity at the moment the material is applied, in particular at the point (50a) of the point-target matrix to be approached, and/or
Einstellen von Härtungsparametern (114) für den jeweils anzufahrenden Punkt (50a) der Punkt-Target-Matrix, und/oder Setting of hardening parameters (114) for the respective point (50a) of the point-target matrix to be approached, and/or
Auswahl (116) von einem anzuwendenden Ausgangsmaterial aus einer Mehrzahl von zumindest zwei Ausgangsmaterialien, wobei die zumindest zwei Ausgangsmaterialien abwechselnd oder gleichzeitig zugeführt werden können, insbesondere an dem jeweils anzufahrenden Punkt (50a) der Punkt-Target-Matrix, zur Herstellung des monolithischen Bauteils (50), und/oder Selection (116) of a starting material to be used from a plurality of at least two starting materials, wherein the at least two starting materials can be supplied alternately or simultaneously, in particular at the point (50a) of the point-target matrix to be approached in each case, for the production of the monolithic component ( 50), and/or
Bereitstellen (118) einer ortsabhängigen Strahlungsintensität (83c) mittels einer Strahlungsquelle (83a), die auf den Materialauftrag gerichtet ist, oder ortsabhängige Einstellung (119) der Lichtabsorptionsfähigkeit des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials, so dass der Bauteilaufbau insbesondere mittels einer ortsunabhängigen Strahlungsquelle (83a) durchführbar ist. Additives Herstellungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei als Additiv (75) polymere oder anorganische Nanopartikel und/oder wobei als Füllstoff (76) ein anorganischer oder organischer Füllstoff eingesetzt ist. Additives Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Poren (31 , 31 A, 31 B) des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials (70, 71 , 72, 73, 74) beim Materialauftrag so gestaltet oder vorbereitet werden, dass diese im Bauteil (50) eine zusammenhängende poröse Materialstruktur (60) ausbilden und/oder die Poren eine rundliche oder kartoffelförmige Einzelstruktur aufweisen. Additives Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die poröse Materialstruktur (60) des Bauteils (50) so aufgebaut und angeordnet wird, dass diese geeignet ist, eine Hüllseite von einer Trägerseite permeabel abzutrennen.
Additives Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial ein Lösungsmittel umfasst und wobei die polymeren Bestandteile des Ausgangsmaterials in dem Lösungsmittel gebunden oder gelöst sind. Monolithisches Bauteil (50), insbesondere als oder für eine Vorrichtung zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid, insbesondere hergestellt nach einem der vorstehenden Verfahren, das monolithische Bauteil umfassend: Provision (118) of a location-dependent radiation intensity (83c) by means of a radiation source (83a), which is aimed at the application of material, or location-dependent adjustment (119) of the light absorption capacity of the porous or porous starting material, so that the component structure can be produced in particular by means of a location-independent radiation source (83a) is feasible. Additive manufacturing method according to the preceding claim, wherein polymeric or inorganic nanoparticles are used as the additive (75) and/or wherein an inorganic or organic filler is used as the filler (76). Additive manufacturing method according to one of the preceding claims, wherein the pores (31, 31 A, 31 B) of the porous or porous starting material (70, 71, 72, 73, 74) are designed or prepared when the material is applied in such a way that they are in the component (50 ) form a cohesive porous material structure (60) and/or the pores have a rounded or potato-shaped individual structure. Additive manufacturing method according to one of the preceding claims, wherein the porous material structure (60) of the component (50) is constructed and arranged in such a way that it is suitable for separating an envelope side from a carrier side in a permeable manner. Additive manufacturing method according to one of the preceding claims, wherein the porous or porous starting material comprises a solvent and wherein the polymeric components of the starting material are bound or dissolved in the solvent. Monolithic component (50), in particular as or for a device for separating components from a fluid, in particular produced according to one of the above methods, the monolithic component comprising:
- eine erste und eine der ersten gegenüberliegende zweite Stirnseite (2, 2a),- a first and a second end face (2, 2a) opposite the first,
- eine zwischen der ersten und der zweiten Stirnseite angeordnete und mit den Stirnseiten einstückig aufgebaute und verbundene poröse Struktur (60), wobei die poröse Struktur jedenfalls teilweise oder bereichsweise Permeabel eingerichtet ist,- a porous structure (60) arranged between the first and the second end face and constructed and connected in one piece to the end faces, the porous structure being permeable at least partially or in certain areas,
- wobei die poröse Struktur so hergerichtet und angeordnet ist, eine Hüllseite von einer Trägerseite zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise permeabel abzutrennen, - wherein the porous structure is prepared and arranged in such a way that an envelope side is at least partially and/or at least regionally permeable to separate from a carrier side,
- wobei auf der Trägerseite ein Trägerfluid bereitstellbar ist, - wherein a carrier fluid can be provided on the carrier side,
- wobei die poröse Struktur hergerichtet ist, einen Stofftransfer des Trägerfluids mit der Hüllseite zu gewährleisten, insbesondere einen Transfer vom Trägerfluid in ein Hüllfluid und/oder von einem Hüllfluid in das Trägerfluid. Monolithisches Bauteil (50) nach dem vorstehenden Anspruch, welches als Membranelement (62) für eine Filtervorrichtung ausgestaltet ist oder welches als Filtervorrichtung ausgestaltet ist und welches monolithisch mit der porösen Struktur (60) als Membranelement aufgebaut ist. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein monolithisch mit der porösen Struktur (60) und der ersten und zweiten Stirnseite (2, 2a) ausgebildete Umhäusung (5), wobei bevorzugt die poröse Struktur von der Umhäusung gemeinsam mit erster und zweiter Stirnseite umschlossen ist.
20. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter hergerichtet dergestalt, dass auf der Hüllseite (10) ein Hüllfluid bereitstellbar ist, so dass in dem oder durch das monolithische Bauteil sowohl das Trägerfluid als auch das Hüllfluid strömen kann und das Trägerfluid mittels der porösen Struktur (60) von dem Hüllfluid abgetrennt ist, und/oder wobei die poröse Struktur (60) semipermeabel oder selektiv permeabel eingerichtet ist, und/oder wobei die poröse Struktur (60) permeabel eingerichtet ist für Stoffe und/oder Partikel mit einer Größe kleiner als 10 pm, bevorzugt kleiner als 2 pm, weiter bevorzugt kleiner als 0,5 pm. - wherein the porous structure is prepared to ensure mass transfer of the carrier fluid with the shell side, in particular a transfer from the carrier fluid into a shell fluid and/or from a shell fluid into the carrier fluid. Monolithic component (50) according to the preceding claim, which is designed as a membrane element (62) for a filter device or which is designed as a filter device and which is constructed monolithically with the porous structure (60) as a membrane element. Monolithic component (50) according to one of the preceding claims, further comprising a housing (5) formed monolithically with the porous structure (60) and the first and second end faces (2, 2a), the porous structure preferably being shared by the housing with the first and second end is enclosed. 20. Monolithic component (50) according to one of the preceding claims, further prepared in such a way that an enveloping fluid can be provided on the enveloping side (10), so that both the carrier fluid and the enveloping fluid can flow in or through the monolithic element and the carrier fluid is separated from the enveloping fluid by means of the porous structure (60), and/or wherein the porous structure (60) is designed to be semipermeable or selectively permeable, and/or wherein the porous structure (60) is designed to be permeable to substances and/or particles with a size less than 10 pm, preferably less than 2 pm, more preferably less than 0.5 pm.
21 . Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, hergerichtet zur Aufnahme und Ableitung des Trägerfluids auf der Trägerseite (1) und eines Hüllfluids auf der Hüllseite (10), so dass das Trägerfluid und das Hüllfluid durch das monolithische Bauteil strömen können zur Bereitstellung einer Trägerströmung und einer Hüllströmung in dem monolithischen Bauteil. 21 . Monolithic component (50) according to one of the preceding claims, prepared for receiving and discharging the carrier fluid on the carrier side (1) and a cladding fluid on the cladding side (10), so that the carrier fluid and the cladding fluid can flow through the monolithic component to provide a Carrier flow and a sheath flow in the monolithic component.
22. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die poröse Struktur (60) Filterkapillaren (1) umfasst, insbesondere Membrankapillaren. 22. Monolithic component (50) according to any one of the preceding claims, wherein the porous structure (60) comprises filter capillaries (1), in particular membrane capillaries.
23. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Stirnseite (2) plattenförmig ausgebildet ist und die poröse Struktur (60) an der ersten Stirnseite einstückig angeformt ist, insbesondere integral mit dieser ausgebildet ist, und/oder wobei die zweite Stirnseite (2a) plattenförmig ausgebildet ist und die poröse Struktur (60) an der zweiten Stirnseite einstückig angeformt ist, insbesondere integral mit dieser ausgebildet ist. 23. Monolithic component (50) according to one of the preceding claims, wherein the first end face (2) is plate-shaped and the porous structure (60) is integrally formed on the first end face, in particular is formed integrally with it, and / or wherein the second end face (2a) is plate-shaped and the porous structure (60) is integrally formed on the second end face, in particular is formed integrally therewith.
24. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die poröse Struktur (60) eine Mehrzahl von länglich erstreckten Membranrohren oder Filterkapillaren (1) umfasst, die einstückig die erste Stirnseite
55 24. Monolithic component (50) according to any one of the preceding claims, wherein the porous structure (60) comprises a plurality of elongate membrane tubes or filter capillaries (1) which integrally form the first end face 55
(2) des monolithischen Bauteils mit der zweiten Stirnseite (2a) verbinden. (2) of the monolithic component with the second end face (2a).
25. Monolithisches Bauteil (50) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Membranrohre oder Filterkapillaren (1) eine Innenseite aufweisen, wobei die Innenseiten der Membranrohre oder Filterkapillaren die Trägerseite bilden und/oder wobei die Membranrohre oder Filterkapillaren auf ihren Außenseiten die Hüllseite (10) bilden. 25. Monolithic component (50) according to the preceding claim, wherein the membrane tubes or filter capillaries (1) have an inside, wherein the insides of the membrane tubes or filter capillaries form the carrier side and/or wherein the membrane tubes or filter capillaries form the shell side (10) on their outsides form.
26. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei die Membranrohre oder Filterkapillaren (1) eine rohr- oder röhrenförmige Ausgestaltung aufweisen, und/oder wobei die Membranrohre oder Filterkapillaren (1) im Wesentlichen gerade rohrförmig erstreckt sind, oder, wobei die Membranrohre oder Filterkapillaren ineinander verschlungen ausgebildet sind, d.h. insbesondere mäanderartig, schraubenförmig oder helikal erstreckt sind, insbesondere als Doppelhelix oder Tripelhelix (1 b), bei welchen zwei beziehungsweise drei Membranrohre oder Filterkapillaren umeinanderlaufen. 26. Monolithic component (50) according to one of the two preceding claims, wherein the membrane tubes or filter capillaries (1) have a tubular or tube-shaped configuration, and/or wherein the membrane tubes or filter capillaries (1) are essentially straight tubular, or, the membrane tubes or filter capillaries being designed to be intertwined, ie extending in particular in a meandering, helical or helical manner, in particular as a double helix or triple helix (1b), in which two or three membrane tubes or filter capillaries run around one another.
27. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, wobei die Membranrohre oder Filterkapillaren (1) je eine von einem Fluid durchströmbare erste bzw. zweite Mündung (3) aufweisen, welche integral jeweils mit der ersten bzw. zweiten Stirnseite (2, 2a) ausgeführt ist. 27. Monolithic component (50) according to one of the three preceding claims, wherein the membrane tubes or filter capillaries (1) each have a first or second opening (3) through which a fluid can flow, which is integral with the first or second end face (2nd , 2a) is executed.
28. Monolithisches Bauteil (50) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Mündung (3) eine strömungsführende Oberflächengestaltung (4, 4a) aufweist, welche insbesondere konzentrisch um die Mündung herum aufgebaut ist und einstückig in die erste oder zweite Stirnseite (2, 2a) übergeht. 28. Monolithic component (50) according to the preceding claim, wherein the mouth (3) has a flow-guiding surface design (4, 4a) which is constructed in particular concentrically around the mouth and is integral with the first or second end face (2, 2a). transforms.
29. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen mit der ersten Stirnseite (2) und der porösen Struktur (60) monolithisch
56 ausgebildeten ersten Trägerfluid-Sammelanschluss (7), und/oder einen mit der zweiten Stirnseite (2a) und der porösen Struktur (60) monolithisch ausgebildeten zweiten Trägerfluid-Sammelanschluss (7a), und/oder einen mit der porösen Struktur (60) monolithisch ausgebildeten Hüllfluid-29. Monolithic component (50) according to any one of the preceding claims, further comprising a monolithic with the first face (2) and the porous structure (60). 56 formed first carrier fluid collection port (7), and/or a second carrier fluid collection port (7a) formed monolithically with the second end face (2a) and the porous structure (60), and/or a monolithically formed with the porous structure (60). trained sheath fluid
Anschluss (8, 8a). Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die poröse Struktur (60) ferner umfassend zumindest eine monolithisch mit der porösen Struktur ausgeführte Verbindung, Querverbindung, oder Versteifung (17, 17a) zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der porösen Struktur. Monolithisches Bauteil (50) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Verbindung, Querverbindung, oder Versteifung (17, 17a) die poröseconnection (8, 8a). Monolithic component (50) according to one of the preceding claims, the porous structure (60) further comprising at least one connection, cross-connection, or reinforcement (17, 17a) made monolithically with the porous structure to increase the mechanical stability of the porous structure. A monolithic component (50) according to the preceding claim, wherein the connection, cross-connection, or stiffener (17, 17a) comprises the porous
Struktur (60) mit der Umhäusung (5) direkt einstückig verbindet. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die poröse Struktur (60) zumindest einen Turbulator (29, 29a) aufweist zurStructure (60) with the housing (5) connects directly in one piece. Monolithic component (50) according to any one of the preceding claims, wherein the porous structure (60) has at least one turbulator (29, 29a) for
Durchmischung des Trägerfluids und/oder zur Durchmischung des Hüllfluids, und/oder wobei die poröse Struktur (60) einen über die Länge veränderlichen Strömungsquerschnitt für das Trägerfluid und/oder das Hüllfluid bereitstellt. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die poröse Struktur (60) bereichsweise oder teilweise eine höhere oder niedrigere Porosität und/oder Porenweitenverteilung aufweist., und/oder wobei die poröse Struktur (60) undurchlässige Bereiche (64), permeable Bereiche und weitere Bereiche aufweist, die eine unterschiedliche Porosität im Vergleich sowohl zu den undurchlässigen Bereichen als auch zu den permeablen Bereichen aufweist. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Stirnseite (2, 2a) eine integrale Fluidsperre aufweist oder
57 als integrale Fluidsperre ausgebildet ist, wobei die Fluidsperre(n) die Strömung des Trägerfluids von der Hüllströmung trennt. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das monolithische Bauteil aus dem porösen oder porösierbarenMixing of the carrier fluid and/or for mixing of the sheath fluid, and/or wherein the porous structure (60) provides a flow cross section that is variable over the length for the carrier fluid and/or the sheath fluid. Monolithic component (50) according to one of the preceding claims, wherein the porous structure (60) has a higher or lower porosity and/or pore size distribution in some areas or in parts, and/or wherein the porous structure (60) has impermeable areas (64), permeable Has areas and other areas that have a different porosity compared to both the impermeable areas and the permeable areas. Monolithic component (50) according to any one of the preceding claims, wherein the first and / or the second end face (2, 2a) has an integral fluid barrier or 57 is designed as an integral fluid barrier, the fluid barrier(s) separating the flow of the carrier fluid from the enveloping flow. A monolithic component (50) according to any one of the preceding claims, wherein the monolithic component is made of the porous or porous
Ausgangsmaterial aufgebaut ist. Monolithisches Bauteil (50) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial anorganische Bestandteile, insbesondere keramische Paste oder metallische Paste, umfasst, und/oder wobei das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial Polymere umfasst, insbesondere Polymerpulver, weiter insbesondere umfassend zumindest eines aus Polyolefine, beispielsweise Polypropylen, Polyamide, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyethersulfon, und/oder wobei das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial anorganische und polymere Bestandteile umfasst, insbesondere Polymerlösung mit keramischen, metallischen und/oder polymeren Füllstoffen, die Polymerlösung insbesondere umfassend zumindest eines aus Polyolefine, beispielsweise Polypropylen, Polyamide, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyethersulfon. Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, hergestellt nach einem der vorstehend aufgeführten Verfahren. Monolithisch aufgebautes Filtermodul (50) für eine Vorrichtung zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid, das Filtermodul umfassend: Starting material is built. Monolithic component (50) according to the preceding claim, wherein the porous or porous starting material comprises inorganic components, in particular ceramic paste or metallic paste, and/or wherein the porous or porous starting material comprises polymers, in particular polymer powder, more particularly comprising at least one of polyolefins , for example polypropylene, polyamides, polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyethersulfone, and/or wherein the porous or porous starting material comprises inorganic and polymeric components, in particular polymer solution with ceramic, metallic and/or polymeric fillers, the polymer solution in particular comprising at least one of polyolefins, for example Polypropylene, Polyamides, Polyvinylidene Fluoride (PVDF) and Polyethersulfone. Monolithic component (50) according to one of the preceding claims, produced by one of the methods listed above. Monolithic filter module (50) for a device for separating components from a fluid, the filter module comprising:
- eine erste und eine der ersten gegenüberliegende zweite Stirnseite (2, 2a),- a first and a second end face (2, 2a) opposite the first,
- ein, insbesondere längliches oder röhrenförmiges, einstückig mit der ersten und zweiten Stirnseite ausgebildetes Filtergehäuse (5, 62), - a filter housing (5, 62), in particular elongate or tubular, formed in one piece with the first and second end faces,
- eine in dem Filtergehäuse angeordnete und mit den Stirnseiten und dem Filtergehäuse einstückig aufgebaute und verbundene poröse Struktur (60, 64), wobei die poröse Struktur jedenfalls teilweise oder bereichsweise Permeabel eingerichtet
58 ist, - a porous structure (60, 64) arranged in the filter housing and constructed and connected in one piece with the end faces and the filter housing, the porous structure being permeable at least partially or in certain areas 58 is
- zumindest einen Trägerfluid-Sammelanschluss (7, 7a), - at least one carrier fluid collection port (7, 7a),
- zumindest einen Hüllfluid-Anschluss (8, 8a), - at least one sheath fluid connection (8, 8a),
- wobei die erste Stirnseite und die zweite Stirnseite jeweils als integrale Fluidsperre ausgebildet ist zum Unterbinden einer Querströmung zwischen- Wherein the first end face and the second end face is each formed as an integral fluid barrier for preventing a cross flow between
Trägerfluid-Sammelanschluss und Hüllfluid-Anschluss, carrier fluid collection port and sheath fluid port,
- wobei die poröse Struktur so hergerichtet und angeordnet ist, eine Hüllseite- wherein the porous structure is so prepared and arranged, a shell side
(10) von einer Trägerseite (1) zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise permeabel abzutrennen, - wobei auf der Trägerseite ein Trägerfluid bereitstellbar ist, (10) to be separated at least partially and/or at least in regions in a permeable manner from a carrier side (1), - a carrier fluid being able to be provided on the carrier side,
- wobei die poröse Struktur hergerichtet ist, einen Stofftransfer des Trägerfluids mit der Hüllseite zu gewährleisten.
- wherein the porous structure is prepared to ensure a mass transfer of the carrier fluid with the shell side.
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