WO2020187982A1 - Filterelement und verfahren zur herstellung eines filterelements - Google Patents

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WO2020187982A1 PCT/EP2020/057437 EP2020057437W WO2020187982A1 WO 2020187982 A1 WO2020187982 A1 WO 2020187982A1 EP 2020057437 W EP2020057437 W EP 2020057437W WO 2020187982 A1 WO2020187982 A1 WO 2020187982A1
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filter
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Armin Schulz
Christoph WEIH
Stefan Hajek
Norbert Kuhn
Wolfgang Raabe
Julian RAABE
Urs Herding
Walter Herding
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Herding Gmbh Filtertechnik
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    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the filter bodies are usually manufactured in several parts, which then form a filter body
  • Proposed filter element comprising an additively manufactured porous filter body made of plastic, which is inherently stable and which has an inflow side and an outflow side, and a surface filtration layer on the inflow side of the filter body.
  • a method for producing an inherently stable, flow-through-porous filter element comprising: producing a porous filter body made of plastic, which is inherently stable and which has an inflow side and an outflow side, by means of an additive manufacturing process, and forming a surface filtration layer on the inflow side of the filter body.
  • plastic can be formed from just one polymer material or from several polymer materials.
  • polymer material is to be understood in a general way and is intended to include both homopolymers built up from monomers of the same type and copolymers such as block copolymers and other polymers built up from monomers of different types.
  • Additively manufactured filter elements can be manufactured with such an accuracy that only very few or no post-processing steps are necessary. As already mentioned, in particular the separate formation of a surface filtration layer can be dispensed with. Filter elements with the most varied of geometries and sizes can also be manufactured in this way.
  • Filter body and surface filtration layer is particularly good, especially if the composition of the filter body and
  • the filter body and the surface filtration layer can be made from the same material.
  • the porosity of the surface filtration layer is
  • voxels means an elementary volume element with a discrete subdivision of a three-dimensional space into elementary volume elements for addressing the three-dimensional space, analogous to "pixels" in two-dimensional objects
  • voxel means an elementary volume element with a discrete subdivision of a three-dimensional space into elementary volume elements for addressing the three-dimensional space, analogous to "pixels" in two-dimensional objects
  • open microstructures which provide the same function for the object produced in this way (filter element, filter body, surface filtration layer) as pores in the conventional sense in conventionally produced sintered porous bodies.
  • Pore size is 5 ⁇ m or smaller, in particular in the range from 2 to 5 ⁇ m. Can several layers be applied on top of each other, whereby the outermost layer has the smallest mean pore size.
  • the filter body and the surface filtration layer can in principle have the same composition. In such configurations, the
  • the filter body is a first
  • the second composition can be compared to the first
  • the filter body and, if appropriate, the surface filtration layer can have several main components or the main component can have one
  • the filter body and optionally the surface filtration layer can also have a thermosetting polymer material as a main component, in particular an epoxy resin, phenolic resin, polyester resin, melamine resin,
  • the filter element (filter body and, if necessary, surface filtration layer) can also have an additional component with antistatic properties.
  • An example of such an additional component are soot particles.
  • Such a component can be, for example, a plastic based on polyoxymethylene (POM), polysulfone (PSU) or polyphenylene sulfide (PPS). Also components based on aluminum trihydrate (ATH),
  • the filter element can have a box-like shape, in particular the shape of an elongated narrow box.
  • the box can have two wide side walls lying opposite one another, each of which is formed by a long side and a broad side of the box. At the front of the box, two narrow walls running in the depth direction connect the two wide ones
  • Elongated means that an extension of the filter element in the longitudinal direction is significantly greater than in the width direction. In either case is one Extension of the box in the depth direction is significantly smaller than in the longitudinal direction and in the width direction. Such a shape creates a large area on the inflow side of the filter element which is available for filtering the fluid.
  • Recesses formed surface be designed. These projections and recesses can be arranged in a regular pattern or they can be irregular. This allows the effective filtration surface to be increased.
  • Load capacity a low dead weight.
  • the space available for fluid to flow through can be particularly large.
  • Additive manufacturing processes allow the manufacture of fractals
  • Manufacturing speed of a component compared to other 3D manufacturing processes as the component is continuously drawn from a polymer solution which is cured at predetermined points, in contrast to the pronounced layered structure of other 3D manufacturing processes.
  • the inflow side is applied to the filter body (for example through a
  • filter elements according to the invention in which the filter body and possibly the surface filtration layer are built up in layers in an additive manufacturing process.
  • a layered structure of the filter body enables geometrical shapes, such as
  • Such an additive manufacturing method can include the following recurring steps: Generating a layer with a predetermined thickness and predetermined geometry for manufacturing the filter body and possibly the
  • the additive manufacturing process can be configured in such a way that a porous plastic with a first mean pore size is produced to form the filter body and a porous plastic with a second mean pore size is produced to form the surface filtration layer, the first mean pore size of the filter body being greater than the second mean pore size of the surface filtration layer.
  • Plastic is different, in particular the mean pore size and / or the pore size distribution. This can be achieved through a suitable process control of the additive manufacturing process by adding a corresponding in the digital 3D design data for the structure of the filter element
  • Pore distribution and size are provided. This allows the filter body and the surface filtration layer may be produced in a common process step.
  • a different microstructure of the porous material of the filter element can be produced within a plane, in particular a different pore configuration in areas belonging to the filter body and areas belonging to the surface filtration layer.
  • polymer material with different compositions can be used in each case.
  • a polymer material which has a thermoplastic polymer as a main component, in particular
  • PE Polyethylene
  • PP polypropylene
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PI polyimide
  • PA polyamide
  • thermoplastic copolymer based on the same.
  • a polymer material is used to form the filter body which has a thermosetting polymer as a main component, in particular epoxy resin, phenolic resin, polyester resin, melamine resin, silicone resin, urethane resin or a mixed polymer based on these.
  • a polymer material is used to form the filter body which has a UV-crosslinking thermosetting polymer, for example epoxy acrylate, as a main component.
  • the additive manufacturing method for forming the filter element can comprise at least one of the following steps: forming a filter head on a first end of the filter body; and forming a filter foot on a second end of the filter body opposite the first end.
  • the filter head and / or the filter base can thus also be produced integrally, that is to say together with the filter body in one process.
  • the additive manufacturing method can furthermore comprise the formation of the filter body with a honeycomb-like structure.
  • the additive manufacturing method can further comprise forming the filter body as a truss-like structure with rods and the rods
  • connecting nodes include.
  • cooling structures in particular cooling channels, in the filter body.
  • the filter element can in particular be used for cleaning fluids at a higher temperature than previously possible, with the choice of the same material for the filter body and / or surface filtration layer.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a filter element according to the invention with a filter head and a filter base;
  • FIG. 2 shows a central area of a section through the filter element at the position indicated by II-II in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows an enlarged illustration of a first exemplary embodiment of the detail designated with D in FIG. 2;
  • FIG. 4 shows an enlarged illustration of a second exemplary embodiment of the detail denoted by D in FIG. 2;
  • FIG. 5 shows an enlarged illustration of a third exemplary embodiment of the detail denoted by D in FIG. 2;
  • FIG. 6 shows an enlarged illustration of a fourth exemplary embodiment of the detail designated by D in FIG. 2;
  • FIG. 5 shows an enlarged illustration of a third exemplary embodiment of the detail denoted by D in FIG. 2;
  • FIG. 6 shows an enlarged illustration of a fourth exemplary embodiment of the detail designated by D in FIG. 2;
  • FIG. 5 shows an enlarged illustration of a third exemplary embodiment of the detail denoted by D in FIG. 2;
  • FIG. 6 shows an enlarged illustration of a fourth exemplary embodiment of the detail designated by D in FIG. 2;
  • FIG. 5 shows an enlarged illustration of a third exemplary embodiment of the detail denoted by D in FIG. 2;
  • FIG. 6 shows an enlarged illustration of a fourth exemplary embodiment of the detail designated by D in FIG. 2;
  • FIG. 5 shows an enlarged illustration of a third exemplary embodiment of the detail denoted by
  • FIG. 6a shows an alternative embodiment in a representation corresponding to FIG. 6;
  • FIG. 7 shows a perspective illustration of a section of the filter element from FIG. 1 with indicated cooling channels; 8 shows a sectional illustration of an exemplary embodiment of the filter element from FIG. 1 with a surface filtration layer shown schematically;
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a possible production method for a filter element according to the invention.
  • Fig. 10 is a schematic representation of another possible one
  • Embodiments are realized if these are technically feasible. They are therefore interchangeable with one another, even if this is not pointed out separately each time in the following.
  • Fig. 1 shows a filter element 1 with a filter body 2 made of plastic.
  • the filter body is made from a polymer material using an additive process.
  • the filter element 1 has a box-like shape, in particular the shape of a narrow box, the extent of which in the longitudinal direction (in Fig. 1, direction x) and width direction (in Fig. 1, direction y) is significantly greater than in a depth direction (in Fig. 1, direction z).
  • the extension of the filter element in the longitudinal direction and / or in the width direction is at least twice as large or even at least five times as large or even at least ten times as large as in the depth direction.
  • the filter element can have approximately the same dimensions in the longitudinal direction x and in the width direction y. If desired, the filter element can also be made somewhat smaller in the width direction y than in the longitudinal direction x, but in any case the extent in the width direction y is also significantly larger than the extent in the depth direction z.
  • the filter element 1 has a filter head 3 and a filter base 4, the filter head 3 being arranged at one end on a first side 5 of the filter element 1 and the filter base 4 being arranged at one end on a second side 6 of the filter element opposite the first side 5 1 is arranged.
  • the exemplary embodiment of the filter element 1 shown in FIG. 1 is held on an edgewise partition 7, which is part of a filter device, not shown further, and separates an inflow side 8 of the filter device from an outflow side 9.
  • Filter element 1 in which a side surface of the filter head 3 protruding on both sides in the y-direction and facing the filter base 4 is fastened on the outflow side 9 to the partition 7 and the filter body 2 of the
  • the so-called raw fluid-side installation of the filter element 1 is also conceivable, in which the filter head 3 faces away from the filter base 4
  • the filter body 2 has a porous, in particular flow-porous structure, which can be designed in different ways. Conceivable exemplary embodiments are shown in FIGS. 3 to 6 shown. Under a
  • Filter body 2 forms.
  • Such filter elements 1 are used, for example, in large industrial plants for cleaning the exhaust gases and have a length of 10 cm to 5 m, in particular 20 cm to 3 m and a width of 5 cm to 200 cm, in particular 10 cm to 100 cm and a depth from 3 cm to 50 cm, in particular 5 cm to 25 cm.
  • the filter elements can have a cross-sectional area that can be used for filtering in relation to the fluid flow of 0.5 m 2 to 25 m 2 .
  • the actual area available for surface filtration can be much larger than this cross-sectional area.
  • the fir-tree-like design is particularly suitable because, compared to, for example, a smooth cuboid cross-section with an approximately comparable volume of the filter element 1, it forms a larger surface that lies on the inflow side 8 (outside) and is therefore effective for filtering the raw fluid arriving there .
  • Inside the hollow body is the
  • the cleaned fluid flows approximately orthogonally to the cutting plane to the filter head.
  • the Christmas tree-like cross-section 11 has continuous partition walls 12 at certain intervals, which subdivide the interior cavity into several smaller hollow chambers 13.
  • the partition walls 12 are used for the stability of the filter body 2 and their number can be selected according to the desired stability. With sufficient inherent stability of the filter body 2, the provision of intermediate walls 12 can also be dispensed with.
  • the filter body 2 has a surface filtration layer 14 on its inflow side 8 (not shown in FIGS. 1 and 2), as shown by way of example and schematically in FIG. 3.
  • the surface filtration layer 14 serves as the main filter component.
  • the material to be filtered out remains hanging due to the small pore size of the surface of the surface filtration layer. Such material does not penetrate at all or only to a very small extent into the filter body 2, which mainly serves as a separating component through which the clean fluid can pass between the raw fluid side (inflow side 8) and the clean fluid side (outflow side 9).
  • the surface filtration layer 14 has a porous structure and is arranged on the inflow side 8 of the filter body 2.
  • the mean pore size in the surface filtration layer 14 is significantly smaller than the mean pore size of the filter body 2.
  • the mean pore size in the surface filtration layer 14 is to be selected so that the foreign matter to be filtered from the raw fluid cannot pass through the surface filtration layer 14 and is located on the upstream side Deposit surface of the same.
  • the filter body 2 can have an average pore size of approximately 20 to 100 ⁇ m, whereas the surface filtration layer 14 has a smaller average
  • Has pore size in many cases in a range from 5 to 25 ⁇ m, in particular 10 to 20 ⁇ m. In special cases, the
  • Surface filtration layer have even smaller mean pore sizes down to 2 ⁇ m, for example mean pore sizes in a range from 2 to 5 ⁇ m.
  • At least the filter body 2 of the filter element 1 according to the invention is manufactured additively. But there can also be other components of the filter element 1, such as For example, the surface filtration layer 14, the filter head 3 and / or the filter base 4 can be manufactured additively.
  • Additive manufacturing processes are processes in which a component is built up in layers on the basis of digital 3D construction data by depositing material. In common parlance, additive manufacturing processes are also referred to as 3D printing processes.
  • Known additive manufacturing processes are, for example, stereolithography, selective laser sintering (SLS), binder jet or fused layer modeling / manufacturing (FLM).
  • SLS selective laser sintering
  • FLM fused layer modeling / manufacturing
  • Cooling channels that are very complex or impossible to manufacture with conventional manufacturing processes.
  • FIG. 3 shows an irregular pore structure.
  • the filter body 2 is made of different sizes
  • Plastic particles 16 built up.
  • the plastic particles are shaped regularly or irregularly and cohesively connected to one another on randomly or deliberately irregularly arranged contact surfaces, small cavities being formed between the plastic particles, which are referred to as pores 17. It should be noted that the pores 17 in such a way
  • Surface filtration layer 14 can pass through the filter body 2 through the pores 17 in order to reach the hollow chambers 13 from the inflow side 8 to the outflow side 9. This cannot be shown in a two-dimensional section, as shown in FIGS. 3 to 6.
  • channels 18 integrally during the manufacture of the filter body 2, so that no additional processing steps are necessary.
  • Such channels can for example extend along the longitudinal direction (direction x) of the filter body 2, such as shown by way of example in FIG.
  • channels 18 can be provided as cooling channels, for example by connecting the cooling channels to form a cooling circuit.
  • the filter bodies 2 are thus cooled by means of a coolant which circulates through the cooling circuit.
  • the channels 18 can also be provided for providing additional or different functions.
  • additional components which have flame-retardant properties can be incorporated in the channels 18, for example because they react chemically at a higher temperature to release water. This can reduce the flammability of the filter body. This is particularly advantageous in connection with the filtering of combustible dusts.
  • additional flame-retardant ingredients have already been mentioned. These are basically suitable for storage in channels 18 and are listed again here: plastics based on polyoxymethylene (POM), polysulfone (PSU) or polyphenylene sulfide (PPS), materials based on aluminum-aluminum trihydrate (ATH), magnesium hydroxide, organic brominated compounds or phyllosilicates .
  • the additive manufacturing process can be configured in such a way that the incorporation of these additional components already takes place during the construction of the filter body and surface filtration layer during manufacture.
  • FIGS. 4 and 5 show two further possible exemplary embodiments of the flow-through-porous structure of the filter body 2, which are very similar.
  • the structure is designed as a honeycomb structure 19 which has a honeycomb-like structure in cross section.
  • the honeycombs extend as honeycomb rods in the longitudinal direction (direction x) of the filter body 2 in the manner of a rod or tube.
  • Solid honeycomb rods 21 is ensured, these can be dispensed with (FIG. 4), whereby in particular the weight of the filter body 2 can be reduced.
  • the honeycomb rods are connected to one another by transverse openings or cross connections, so that a three-dimensional "channel network" is created through which the fluid cleaned on the surface filtration layer 14 can flow into the interior cavity or the hollow chambers 13.
  • FIGS. 4 and 5 there are only those
  • Sections 22 of the sewer network can be seen in the illustrated
  • Section plane are arranged.
  • the structure of the filter body 2 has, as a first layer, layer or phase, a support structure 23 designed as a framework structure, which gives the filter body 2 the necessary stability.
  • the framework structure is only to be seen as an example and other structures are also conceivable which have good inherent stability with the lowest possible dead weight and / or with the lowest possible flow resistance, for example a bionic one
  • support structure 23 which leaves relatively large free spaces between the individual support structure components and yet provides sufficient stability to produce an inherently stable filter element.
  • This can be achieved, for example, in that such a support structure 23 is made very thick and extends far into the hollow chamber 13 formed on the outflow side 9.
  • the support structure 13 can even be designed in such a way that it practically completely fills this hollow chamber 13, as is indicated by way of example in FIG. 6a.
  • the support structure 23 has to be made sufficiently permeable to allow the cleaned fluid to flow out unhindered to such an extent that the pressure loss of the fluid when flowing through the filter element remains within acceptable limits. Because by means of additive manufacturing, the support structure 23 is more suitable depending on the requirements
  • the lattice-like support structure 23 made of a (plastic) material is formed from rods 24 which are connected to one another at nodes 25.
  • the rods 24 are arranged in such a way that they form a three-dimensional structure.
  • cavities 26 which, viewed three-dimensionally, are connected to one another in such a way that a fluid can flow from the inflow side 8 to the outflow side 9, that is to say into the hollow chambers 13.
  • a second layer, layer or phase which is referred to as a so-called support layer 27, is arranged on the outer surface of the support structure 23 facing the inflow side 8.
  • the support layer 27 has an irregular pore structure, as already shown in FIG. 3. In contrast to Fig. 3 is in that
  • Embodiment of the assembled filter body 2 (Fig. 6) only the support layer 27 is made up of differently sized, regularly or irregularly shaped plastic particles 16, which at random or targeted
  • a raw fluid flowing on from the inflow side 8 is filtered exclusively on the surface filtration layer 14.
  • the support structure 23 has a "coarse" construction, i.e. the cavities 26 arranged between the rods 24 connected at the nodes 25 are so large that the outer surface of the support structure 23 of
  • Surface filtration layer 14 does not provide enough adhesion surface. This means that the surface filtration layer 14 is not as regular
  • the support layer 27 is therefore arranged between the support structure 23 and the surface filtration layer 14.
  • the pore size of the support layer 27 is on the one hand significantly smaller than the cavities 26 of the support structure 23 and significantly larger than that of the surface filtration layer 14.
  • the structure of the support layer 27 is designed so that the outer surface of the support layer 27 of the
  • Surface filtration layer 14 provides a sufficient adhesion surface. This means that the surface filtration layer 17 can be applied or attached to the support layer 27 so regularly that it forms a functional filter surface.
  • the support layer 27 serves as a kind
  • Tie layer or intermediate layer between the support structure 23 and the surface filtration layer 14.
  • the composite microstructure shown in FIG. 6 enables a lower dead weight to be achieved while maintaining the same stability.
  • the surface filtration layer 14 serves to filter the incoming raw fluid, it is particularly desirable to make this surface as large as possible. It is conceivable to design the surface filtration layer 14 in a structured manner. Structured can mean that the surface filtration layer 14 is provided with a roughness, for example, or is designed as a surface having projections and recesses. Fig. 8 shows by way of example and schematically the surface filtration layer 14, which with projections 28 and Recesses 29 is provided in order to increase the effective effective filtration surface.
  • a lowerable base 101 which can also be referred to as a carrier plate 101, is arranged in a container 100.
  • plastic particles 103 for example as granules or powder, are applied in a predetermined dosage, for example by means of a dosage aid 102.
  • a mixture 104 of an adhesive, solvent (s) and / or water is then applied in a targeted manner at predetermined points, for example by means of a dosing aid 105, in order to connect the plastic particles 103 there to one another in order to form the first layer of the component to be manufactured.
  • the dosing aid 105 can be designed, for example, as a print head (inkjet).
  • Such a process can also be referred to as a binder jet process.
  • SLS selective laser sintering
  • FIG. 10 shows schematically an exemplary method according to the "top-down" principle, which means that the component to be manufactured is built up from “top” to “bottom".
  • CLIP stands for "Continuous Liquid Interface Production”
  • the printing process is understood to mean that a (thin) layer of the component to be manufactured is produced and this process is repeated so often that the three-dimensional component to be produced is produced layer by layer.
  • a liquid polymer 107 for example a photosensitive synthetic resin, is located on a tub-like platform 106.
  • a floor 108 of the platform 106 is at least partially transparent to ultraviolet light (UV light).
  • a light source 109 for UV light for example a projector, which emits one or more UV light beams 110, is arranged below the platform 106. These are either direct or through
  • Deflection for example by means of a mirror 111, directed through the bottom 108 onto the liquid polymer and precisely focused on the surface on which the liquid polymer is to harden.
  • the structure for the CLIP method has a movable carrier plate 112, which can be moved in a direction perpendicular to the platform 106. A continuous movement of the carrier plate 112 thus slowly pulls the component to be manufactured from the platform 106 out of the liquid polymer 107 so that the liquid polymer 107 can flow in. The last layer just produced of the component 113 to be manufactured and the platform 106 thus always remain covered with the liquid polymer 107, which can be further hardened by the UV rays 110.
  • an oxygen-permeable membrane is attached below the liquid polymer 107 , which creates a liquid transition phase, a so-called “dead zone” 114, which prevents the liquid polymer 107 from being deposited on the bottom 108 of the platform 106 and from hardening there, for example to polymerize.
  • a so-called “dead zone” 114 which prevents the liquid polymer 107 from being deposited on the bottom 108 of the platform 106 and from hardening there, for example to polymerize.
  • an oxygen-permeable membrane instead of an oxygen-permeable membrane, other semipermeable membranes are also conceivable, which are different from oxygen
  • Hardening inhibitors or polymerization inhibitors are consistent.
  • the CLIP process represents a continuous printing process, which makes the manufacturing process different from others, the component layer by layer
  • the filter body 2 can thus have a thermoplastic polymer material as a main component.
  • thermoplastic polymer material include polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polyphenylene sulfide (PPS), which have already been used as filter body material.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PPS polyphenylene sulfide
  • other thermoplastic polymers such as, for example, polyamide (PA) or polyetheretherketone (PEEK), or thermoplastic mixed polymers are also conceivable.
  • thermoplastic polymers are conceivable as "engineering thermoplastics" or as
  • thermosetting polymer material instead of one
  • thermoplastic polymer material is used.
  • the thermosetting polymer materials include, in particular, epoxy resin, phenolic resin, polyester resin, melamine resin, silicone resin, and urethane resin.
  • a mixed polymer based on a thermosetting polymer material is conceivable.
  • the main difference to the thermoplastic polymer materials is that with thermosets a 995 curing of the polymer material takes place and as a result these are significantly more cross-linked and can therefore no longer be melted. This usually results in a higher likelihood of crack formation.
  • UV-crosslinking polymer materials are particularly suitable for a continuous, additive manufacturing process, such as the CLIP process, for example.
  • UV light radiation with another specific radiation of the light spectrum, for example infrared light radiation (IR light radiation).
  • IR light radiation infrared light radiation
  • polymer materials are to be selected that cure, i.e. crosslink, when exposed to IR light radiation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein eigenstabiles, durchströmungsporöses Filterelement (1), umfassend: einen additiv gefertigten porösen Filterkörper (2) aus Kunststoff, welcher eigenstabil ist und welcher eine Zuströmseite (8) und eine Abströmseite (9) aufweist, sowie eine Oberflächenfiltrationsschicht (14) an der Zuströmseite (8) des Filterkörpers (2). Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines eigenstabilen, durchströmungsporösen Filterelements (1), umfassend: Herstellen eines porösen Filterkörpers (2) aus Kunststoff, welcher eigenstabil ist und welcher eine Zuströmseite (8) und eine Abströmseite (9) aufweist, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, und Ausbilden einer Oberflächenfiltrationsschicht (14) an der Zuströmseite (8) des Filterkörpers (2).

Description

Filterelement und Verfahren zur Herstellung eines Filterelements
Die Erfindung betrifft ein eigenstabiles, durchströmungsporöses Filterelement aus Kunststoff mit einem Filterkörper, der eine Zuströmseite und eine Abströmseite aufweist, und einer Oberflächenfiltrationsschicht an der Zuströmseite des
Filterkörpers. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Filterelements.
Die Filterelemente werden in Fabriken und Anlagen verschiedenster
Industriezweige, bspw. in der Automobilindustrie, der Chemieindustrie, der Lebensmittelindustrie oder bei der Herstellung von Baustoffen, eingesetzt.
Bisher werden Filterkörper solcher Filterelemente gesintert und anschließend mit einer Oberflächenfiltrationsschicht versehen, bspw. in Form einer
Sprühbeschichtung. Verfahrensbedingt werden die Filterkörper hierbei meistens in mehreren Teilstücken gefertigt, die anschließend zu einem Filterkörper
zusammengefügt werden. Das Sinterverfahren erlaubt die Herstellung von eigenstabilen Filterelementen in großer Stückzahl, unterliegt aber bestimmten Beschränkungen, etwa hinsichtlich der verwendbaren Kunststoffe oder des Aufbaus von Filterkörper bzw. Oberflächenfiltrationsschicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eigenstabiles,
durchströmungsporöses Filterelement mit einem porösen Filterkörper und einer Oberflächenfiltrationschicht an der Zuströmseite des Filterkörpers zur Verfügung zu stellen, das diesen Beschränkungen nicht unterliegt.
Erfindungsgemäß wird durch ein eigenstabiles, durchströmungsporöses
Filterelement vorgeschlagen, umfassend einen additiv gefertigten porösen Filterkörper aus Kunststoff, welcher eigenstabil ist und welcher eine Zuströmseite und eine Abströmseite aufweist, sowie eine Oberflächenfiltrationsschicht an der Zuströmseite des Filterkörpers. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines eigenstabilen, durchströmungsporösen Filterelements vorgeschlagen, umfassend: Herstellen eines porösen Filterkörpers aus Kunststoff, welcher eigenstabil ist und welcher eine Zuströmseite und eine Abströmseite aufweist, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, und Ausbilden einer Oberflächenfiltrationsschicht an der Zuströmseite des Filterkörpers.
Die additive Fertigungsweise ermöglicht es, den Filterkörper und gegebenenfalls die Oberflächenfiltrationsschicht mit einem einzigen Verfahren herzustellen.
Darüber hinaus bietet die additive Fertigungsweise auch die Möglichkeit, zusammen mit dem Filterkörper weitere Komponenten mit einem einzigen
Verfahren herzustellen, beispielsweise die Oberflächenfiltrationsschicht. Die additiven Fertigungsverfahren benötigen keine Formen oder Schalungen mehr, die die Geometrie des zu fertigenden Bauteils vorgeben, sondern erzeugen das Bauteil computergesteuert auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten. Auf diese Weise können Filterelemente beliebiger Größe und Geometrie in einem Verfahren gefertigt werden, insbesondere einem einstückigen Filterkörper und ggf. sogar so, dass Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht einstückig sind, d.h. aus einem Stück hergestellt sind.
Der Kunststoff kann aus einem Polymermaterial gebildet sein oder aus mehreren Polymermaterialien (etwa in Form eines Polymerblends oder Mischpolymers). Wenn im Folgenden von der Zusammensetzung eines Kunststoffs die Rede ist, etwa im Zusammenhang mit dem Filterkörper und/oder der
Oberflächenfiltrationsschicht, dann ist damit stets gemeint, dass der Kunststoff aus nur einem Polymermaterial oder aus mehreren Polymermaterialien gebildet sein kann. Der Begriff Polymermaterial ist allgemein zu verstehen und soll sowohl aus gleichartigen Monomeren aufgebaute Homopolymere umfassen als auch Copolymere wie Blockcopolymere und andere aus verschiedenartigen Monomeren aufgebaute Polymere.
Additiv gefertigte Filterelemente können mit einer solchen Genauigkeit hergestellt werden, dass lediglich sehr wenige bis keine Nachbearbeitungsschritte notwendig sind. Wie bereits angesprochen, kann insbesondere das separate Ausbilden einer Oberflächenfiltrationsschicht entfallen. Auch lassen sich Filterelemente mit unterschiedlichster Geometrie und Größe auf diese Weise fertigen.
Mögliche Aus- und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben und werden nachfolgend erläutert. Eine denkbare Ausführungsform des Filterelements kann vorsehen, dass die Oberflächenfiltrationsschicht integral bzw. einstückig mit dem Filterkörper ausgebildet ist. Hierbei ist die Oberflächenfiltrationsschicht insbesondere mit demselben additiven Verfahrens hergestellt wie der Filterkörper. In diesem Sinn sind Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht aus einem Stück hergestellt. Dadurch kann die Anzahl der notwendigen Prozessschritte reduziert und
Herstellungskosten gesenkt werden. Auch der Zusammenhalt zwischen
Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht ist besonders gut, insbesondere dann, wenn sich die Zusammensetzung von Filterkörper und
Oberflächenfiltrationsschicht nur wenig oder gar nicht unterscheiden oder der Filterkörper nahtlos in die Oberflächenfiltrationsschicht übergeht. Insbesondere können Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht aus demselben Material hergestellt sein.
Demgegenüber kann eine andere Ausführungsform des Filterelements vorsehen, dass die Oberflächenfiltrationsschicht an der Zuströmseite am Filterkörper aufgetragen oder angebracht ist. Diese Konstruktion erlaubt es, den Filterkörper mittels additiver Fertigung herzustellen und die Oberflächenfiltrationsschicht mittels eines separaten Verfahrens herzustellen, beispielsweise als Beschichtung auf der Zuströmseite aufzutragen, etwa mittels Sprühen, Tauchen, Imprägnieren oder Lackieren. Dies ermöglicht den Einsatz bereits bewährter Verfahren zum
Anbringen bzw. Aufträgen der Oberflächenfiltrationsschicht auf den Filterkörper.
Für die Filterfunktion ist die Porosität der Oberflächenfiltrationsschicht von
Bedeutung. Der Filterkörper weist eine erste mittlere Porengröße auf und die Oberflächenfiltrationsschicht weist eine zweite mittlere Porengröße auf. Die erste mittlere Porengröße des Filterkörpers soll größer sein als die zweite mittlere Porengröße der Oberflächenfiltrationsschicht. Die kleinere, zweite mittlere
Porengröße ist so gewählt, dass in einem zu filternden Fluid enthaltene
Fremdstoffe an der Oberfläche der Oberflächenfiltrationsschicht zurückgehalten werden. Die größere, erste mittlere Porengröße wird so groß gewählt, dass beim Passieren des Filterelements ein möglichst geringer Druckverlust auftritt. Derartige Porengrößenverteilungen lassen sich mittels additiver Fertigung flexibel hersteilen. Der Übergang von erster mittlerer Porengröße zur zweiten mittleren Porengröße muss nicht abrupt sein, sondern kann kontinuierlich erfolgen. Wenn hier oder im Folgenden von "Poren" oder "Porengröße" die Rede ist, so ist dieser Begriff allgemein zu verstehen und soll jede Art von Poren, Öffnungen, Hohlräumen, offenen Mikrostrukturen oder anderen Strukturen umfassen, bei denen das Gefüge eines ansonsten massiven Körpers derart strukturiert ist, dass sich eine
Durchlässigkeit für Fluid ergibt. Beispielsweise können bei einigen additiven Fertigungsprozessen durch gezielte Auswahl und Festlegung von "Voxeln" (Voxel bedeutet ein elementares Volumenelement bei diskreter Unterteilung eines dreidimensionalen Raums in elementare Volumenelemente zur Adressierung des dreidimensionalen Raumes, analog zu "Pixeln" bei zweidimensionalen Objekten) ganz gezielt offene Mikrostrukturen erzeugt werden, die für das so erzeugte Objekt (Filterelement, Filterkörper, Oberfächenfiltrationssschicht) dieselbe Funktion bereitstellen wie Poren im herkömmlichen Sinn bei herkömmlich hergestellten gesinterten porösen Körpern.
Die erste mittlere Porengröße, also die Porengröße des Filterkörpers, kann beispielsweise zwischenl O und 500 pm liegen, wobei ein typischer Bereich 20 bis 100 pm ist, insbesondere 50 bis 80 pm. Die zweite mittlere Porengröße, also die Porengröße der Oberflächenfiltrationsschicht, kann in einem Bereich von 1 bis 100 pm liegen, typischerweise in einem Bereich zwischen 2 und 50 pm. Für die meisten Anwendungen, genügt es, wenn die mittlere Porengröße der
Oberflächenfiltrationsschicht 5 pm oder größer ist, beispielsweise in einem Bereich von 5 bis 25 pm liegt, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 20 pm. Für Anwendungen bei Fluiden mit Fremdstoffbeladung durch besonders kleine Partikel können Oberflächenfiltrationsschichten Anwendung finden, deren mittlere
Porengröße 5 pm oder kleiner ist, insbesondere im Bereich von 2 bis 5 pm liegt.Ggf. Können mehrere Schichten übereinander aufgetragen werden, wobei die äußerste Schicht die kleinste mittlere Porengröße hat.
Um den Wirkungsgrad des Filterelements zu verbessern, ist es möglich, die Porenstruktur des Filterkörpers und ggf. der Oberflächenfiltrationsschicht derart auszubilden, dass sich ein Druckverlust über das Filterelement, gemessen gegenüber einem Luftstrom ohne Fremdstoffbeladung bei einer
Anströmgeschwindigkeit von 0,2 bis 2,5 m/min, insbesondere von 0,6 bis 1 ,6 m/min, mit einer Dicke von 4 mm, von höchstens 2000 Pa einstellt, insbesondere von höchstens 1200 Pa, insbesondere zwischen 100 Pa und 2000 Pa.
Der Filterkörper und die Oberflächenfiltrationsschicht können grundsätzlich dieselbe Zusammensetzung aufweisen. In solchen Ausgestaltungen ist die
Oberflächenfiltrationsschicht aus demselben Kunststoff bzw. Polymermaterial hergestellt wie der Filterkörper. Lediglich die Porenstruktur verändert sich beim Übergang vom Filterkörper zur Oberflächenfiltrationsschicht, insbesondere hinsichtlich mittlerer Porengröße und/oder Porengrößenverteilung. Eine solche identische Zusammensetzung ermöglicht es, den Herstellungsprozess des Filterelements zu vereinfachen, da immer dasselbe Polymermaterial als
Ausgangsmaterial verwendet werden kann.
Andererseits ist es auch denkbar, dass der Filterkörper eine erste
Zusammensetzung aufweist und die Oberflächenfiltrationsschicht eine von der ersten Zusammensetzung verschiedene zweite Zusammensetzung aufweist.
Dabei ist die Oberflächenfiltrationsschicht aus einem Polymermaterial gebildet, das sich hinsichtlich wenigstens einer Komponente von dem Polymermaterial unterscheidet, aus dem der Filterkörper gebildet ist. Die
Oberflächenfiltrationsschicht kann etwa andere Komponenten aufweisen als der Filterkörper. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Oberflächenfiltrationsschicht aus einem Polymermaterial gebildet ist, das zwar dieselben Komponenten enthält wie der Filterkörper, aber in unterschiedlichen Anteilen. Voneinander verschiedene Zusammensetzungen von Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht ermöglichen eine bessere Adaption an die gewünschten Eigenschaften von Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht.
Insbesondere kann die zweite Zusammensetzung gegenüber der ersten
Zusammensetzung wenigstens eine zusätzliche Komponente aufweisen. Eine solche zusätzliche Komponente kann bspw. eine Antihaftkomponente, wie
Polytetrafluorethylen (PTFE), sein. Beispielsweise können zur Ausbildung der Oberflächenfiltrationsschicht zusätzliche PTFE-Partikel in die Struktur des
Polymermaterials eingebaut sein. In vielen Fällen wird das der einzige Unterschied zwischen dem Polymermaterial von Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht sein, so dass abgesehen von dieser Modifikation Filterkörper und
Oberflächenfiltrationsschicht aus demselben Polymermaterial gebildet sind. Es ist aber durchaus auch denkbar, für den Filterkörper ein völlig anderes
Polymermaterial zu wählen als für die Oberflächenfiltrationsschicht.
Weitere mögliche Weiterbildungen können vorsehen, dass der Filterkörper und gegebenenfalls die Oberflächenfiltrationsschicht als einen Hauptbestandteil ein thermoplastisches Polymermaterial aufweist, insbesondere Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS), Polyimid (PI), Polyamid (PA), Polyvinylalkohol (PVA) oder ein thermoplastisches Mischpolymer auf Basis derselben. Der Hauptbestandteil wird in der Regel einen größeren Anteil an der Gesamtzusammensetzung besitzen als ein Zusatzbestandteil, wobei der
Filterkörper und gegebenenfalls die Oberflächenfiltrationsschicht durchaus mehrere Hauptbestandteile aufweisen kann bzw. der Hauptbestandteil ein
Mischpolymer sein kann. Die Zugabe von Polyvinylalkohol kann gezielt zur Erzeugung von Porenstrukturen ausgenutzt werden, da viele Polyvinylalkohole gut wasserlöslich sind und somit durch Einlagern von Polyvinylalkohol in das Material des Filterkörpers bzw. der Oberflächenfiltrationsschicht und späteres Behandeln mit Wasser Hohlräume gebildet werden können. Mit dieser Vorgehensweise lässt sich die Porenstruktur, insbesondere die Porengröße, gut einstellen.
Der Filterkörper und gegebenenfalls die Oberflächenfiltrationsschicht kann als einen Hauptbestandteil auch ein duroplastisches Polymermaterial aufweisen, insbesondere ein Epoxidharz, Phenolharz, Polyesterharz, Melaminharz,
Siliconharz, Urethanharz oder ein Mischpolymer auf Basis derselben.
Insbesondere können Polymermaterialien, die sich für das Lasersintern eignen, eingesetzt werden.
Bei einem duroplastischen Polymaterial als Hauptbestandteil ist es insbesondere denkbar, dass der Filterkörper bzw. die Oberflächenfiltrationsschicht als einen Hauptbestandteil ein UV-vernetzendes duroplastisches Polymermaterial, beispielsweise Epoxyacrylat, aufweist. Alternativ sind durch Wärme vernetzende und/oder in feuchter Umgebung vernetzende Polymermaterialien denkbar.
Der Filterkörper und gegebenenfalls die Oberflächenfiltrationsschicht kann zusätzlich zu einem oder mehreren Hauptbestandteilen ferner zumindest einen von dem Hauptbestandteil verschiedenen Zusatzbestandteil aufweisen.
Als Zusatzbestandteil kommen Fasern in Frage, insbesondere Stapel- oder Kurzfasern. Die Fasern können zur Festigkeitssteigerung dienen, und können bspw. insbesondere als Glasfasern, Keramikfasern, oder Kunststofffasern wie Aramid, ausgebildet sein. Die Fasern können beispielsweise Carbonfasern sein. Auch Naturfasern kommen in Frage. Auch Mischungen solcher Fasern sowie der Einsatz sogenannter gefüllter Kunststoffe (Kunststoffcompounds) kommen in Frage. Gefüllte Kunststoffe oder Compounds sind aufbereitete Kunststoffe, denen unter bestimmten Verfahren sogenannte Zuschlagstoffe (Füllstoffe, Additive, Fasern usw.) beigemischt wurden, um deren Eigenschaften gezielt anpassen zu können.
Das Filterelement (Filterkörper und gegebenenfalls Oberflächenfiltrationsschicht) kann auch einen Zusatzbestandteil mit antistatischen Eigenschaften aufweisen.
Ein Beispiel für einen solchen Zusatzbestandteil sind Rußpartikel.
Wieder weitere Ausführungsbeispiele können als einen Zusatzbestandteil leitfähige Partikel, z.B., aus Silber oder sogenannte dotierte Kunststoffpartikel, welche implementierte Elektronen besitzen, aufweisen.
Weitere mögliche Zusatzbestandteile können antibakterielle Eigenschaften besitzen. Hierfür sind bspw. Silber, Kupfer oder Titanoxid (Ti02) denkbar.
Wieder andere denkbare Zusatzbestandteile können fungizide Eigenschaften besitzen. Damit kann eine Pilzbildung an dem Filterkörper und/oder der
Oberflächenfiltrationsschicht gehemmt werden. Ein solcher Zusatzbestandteil kann bspw. Kupfer sein.
Ferner hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Zusatzbestandteil
flammhemmende Eigenschaften besitzt. Dadurch kann die Brennbarkeit des Filterkörpers und gegebenenfalls der Oberflächenfiltrationsschicht reduziert werden. Dies ist insbesondere von Vorteil im Zusammenhang mit dem Filtern von brennbaren Stäuben. Ein solcher Bestandteil kann beispielsweise ein Kunststoff auf Basis von Polyoxymethylen (POM), Polysulfon (PSU) oder Polyphenylensulfid (PPS) sein. Auch Bestandteile auf Basis von Aluminiumtrihydrat (ATH),
Magnesiumhydroxid, organischen bromierten Verbindungen oder Schichtsilikaten kommen in Frage.
Das Filterelement kann eine kastenartige Form aufweisen, insbesondere die Form eines länglichen schmalen Kastens. Der Kasten kann zwei einander gegenüber liegende breite Seitenwände haben, durch die jeweils durch eine Längsseite und eine Breitseite des Kastens gebildet sind. An Stirnseiten des Kastens verbinden zwei schmale in Tiefenrichtung verlaufende Wände die beiden breiten
Seitenwände. Länglich bedeutet, dass eine Erstreckung des Filterelements in Längsrichtung deutlich größer ist als in Breitenrichtung. In jedem Fall ist eine Erstreckung des Kastens in Tiefenrichtung deutlich kleiner als in Längsrichtung und in Breitenrichtung. Durch eine solche Form entsteht an der Zuströmseite des Filterelements eine große Fläche, die zum Filtern des Fluids verfügbar ist.
Das Filterelement, insbesondere der Filterkörper, kann als Hohlkörper ausgebildet sein, wobei die Zuströmseite auf einer Außenseite des Hohlkörpers liegt und die Abströmseite auf einer Innenseite des Hohlkörpers liegt.
Das Filterelement kann in einem Querschnitt durch den Filterkörper zylindrisch, tannenbaumartig, lamellenförmig oder polygonartig ausgebildet sein. Derartige Querschnitte sind gut geeignet, um eine möglichst große Oberfläche auf der Zuströmseite des Filterkörpers zu bilden und dabei dennoch dem Filterelement genügend Eigenstabilität zu verleihen.
Das Filterelement kann ferner einen Filterkopf und/oder einen Filterfuß aufweisen, um den hohl ausgebildeten Filterkörper an einem offenen Ende zu verschließen. Insbesondere kann der Filterfuß und/oder der Filterkopf derart ausgebildet sein, dass er die Eigenstabilität des Filterelements verbessert. Das Filterelement kann beispielsweise an dem Filterkopf und/oder dem Filterfuß gehalten bzw. abgestützt sein.
Hierbei ist insbesondere eine Anordnung denkbar, bei der der Filterkopf an einem ersten Ende des Filterelements angeordnet ist und der Filterfuß an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Filterelements angeordnet ist.
Der Filterkopf und/oder der Filterfuß kann insbesondere integral bzw. einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet sein. Damit soll insbesondere ausgedrückt werden, dass der Filterkopf und/oder der Filterfuß in demselben additiven
Verfahren ausgebildet wird wie der Grundkörper. Eine derart integrale Bauweise kann die Stabilität des gesamten Filterelements erhöhen, indem
Verbindungsstellen, welche in der Regel die Schwachstellen darstellen, vermieden werden. Zusätzlich können Prozessschritte, ein eventuelles Umrüsten etc. bei der Herstellung vermieden werden. Der Filterkopf und/oder der Filterfuß kann aus demselben Polymermaterial gebildet sein wie der Filterkörper. Allerdings wird der Filterkopf und/oder der Filterfuß in der Regel nicht porös sein. Selbstverständlich kann auch der Filterkopf bzw. Filterfuß aus einem jeweils speziell angepassten Polymermaterial gebildet sein. Weitere mögliche Weiterbildungen des Filterelements können vorsehen, dass der Filterkörper an seiner Zuströmseite und/oder seiner Abströmseite eine strukturierte Oberfläche aufweist. Eine strukturierte Oberfläche kann etwa als eine mit einer vorbestimmten Rauigkeit versehene oder als eine mit Vorsprüngen und
Rücksprüngen ausgebildete Oberfläche ausgestaltet sein. Diese Vorsprünge und Rücksprünge können in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein oder aber unregelmäßig sein. Damit lässt sich die effektiv zur Filtration wirksame Oberfläche vergrößern.
Eine denkbare Ausführungsform des Filterelements ist, dass der Filterkörper eine wabenartige Struktur aufweist. Waben besitzen ein sehr gutes Verhältnis von Wandmaterial zu Volumen und eignen sich insbesondere dazu, Konstruktionen zu stabilisieren. Durch eine wabenartige Struktur kann bezogen auf die erreichte Festigkeit Gewicht reduziert werden. Zueinander benachbart angeordnete Waben können über Verbindungskanäle oder -Öffnungen so miteinander verbunden sein, dass ein Gas oder Fluid von einer Wabe zur benachbarten Wabe strömen kann.
Eine andere denkbare Ausführungsform des Filterelements ist, dass der
Filterkörper eine fachwerkartige Struktur mit Stäben und die Stäbe verbindenden Knoten aufweist. Fachwerkskonstruktionen besitzen bezogen auf ihre
Tragfähigkeit ein geringes Eigengewicht. Der zur Durchströmung von Fluid zur Verfügung stehende Raum kann besonders groß sein.
Ferner kann es insbesondere denkbar sein, dass der Filterkörper Kühlstrukturen, insbesondere Kühlkanäle, aufweist. Diese können bevorzugt beim Herstellen des Filterkörpers in der Struktur des den Filterkörper bildenden Kunststoffs ausgebildet werden. Eine Alternative ist, die Kühlkanäle nachträglich in den Filterkörper einzubringen.
Additive Herstellungsverfahren erlauben das Herstellen von fraktalen
Oberflächenstrukturen. Hierdurch kann bei gegebenen Abmessungen des
Filterelements die zur Filtration zur Verfügung stehende Oberfläche sehr effizient vergrößert werden. Es ist sogar möglich, die Oberfläche der
Oberflächenfiltrationsschicht so auszubilden, dass ein Lotuseffekt entsteht, der das Abreinigen der Oberflächenfiltrationsschicht erleichtert. io
Insbesondere kann das Filterelement einen Filterkörper aufweisen, der in einem auf Photopolymerisation beruhenden additiven Herstellungsverfahren hergestellt ist. Hierfür eignet sich ganz besonders ein Continuous Liquid Interface Production (CLIP)-Verfahren. Das CLIP-Verfahren hat den Vorteil einer schnelleren
Herstellungsgeschwindigkeit eines Bauteils gegenüber anderen 3D- Herstellungsverfahren, da das Bauteil kontinuierlich aus einer Polymerlösung gezogen wird, welche dabei an vorbestimmten Stellen ausgehärtet wird, im Gegensatz zu dem ausgeprägten schichtweisen Aufbau von anderen 3D- Herstellungsverfahren.
Auch andere additive Herstellungsverfahren eignen sich zur Herstellung der hier vorgeschlagenen Filterelemente. Beim selektiven Lasersintern (SLS) werden räumliche Strukturen aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt durch gezieltes Bestrahlen mit einem Laser, so dass im jeweils bestrahlten Volumen ein im Wesentlichen punktförmiges Sintern des pulverförmigen Ausgangsstoffs erfolgt. Der Laser wird dabei über eine Schicht des pulverförmigen Ausgangsmaterials geführt und nur gezielt an solchen Stellen aktiviert, wo in der Schicht ein Sintern des pulverförmigen Ausgangsmaterials erfolgen soll. Der Filterkörper und ggf. die Oberflächenfiltatrionsschicht wird so Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können beliebige dreidimensionale Geometrien, beispielsweise auch mit Hinterschneidungen, erzeugt werden, die sich in konventioneller Sinterfertigung nicht herstellen lassen. Auch die Porenstruktur lässt sich durch geeignete Einstellung des Laserstrahls gut steuern. Ein weiteres geeignetes additives Herstellungsverfahren ist das sogenannte Binder-Jetting, bei dem pulverförmiges Ausgangsmaterial an ausgewählten Stellen einer Schicht mit einem Binder verklebt wird, um so den Filterkörper und gegebenenfalls die
Oberflächenfiltrationsschicht zu erzeugen. Üblicherweise wird beim Binder-Jet Verfahren eine Pulver- oder Granulatschicht auf einen höhenverstellbaren Tisch aufgebracht und mittels Binder an den Stellen der Schicht verklebt, die die
Porenwände des Filterkörpers bzw. der Oberflächenfiltrationsschicht bilden sollen. Dazu wird ähnlich wie bei einem gewöhnlichen Tintenstrahldrucker ein Druckkopf verwendet, der statt Tinte den Binder aufbringt.
Bei Herstellung eines eigenstabilen, durchströmungsporösen Filterelements, insbesondere eines Filterelements wie vorstehend beschrieben, ist es denkbar, dass die Oberflächenfiltrationsschicht in demselben additiven Fertigungsverfahren wie der Filterkörper integral mit demselben ausgebildet wird. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Verfahrensschritt zum Aufbringen der
Oberflächenfiltrationsschicht verzichtet werden, wodurch das Verfahren, und somit die zur Herstellung des Filterelements benötigte Zeit verkürzt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sinterverfahren eignen sich additive Fertigungsverfahren gut zur Ausbildung unterschiedlicher Strukturen, insbesondere Porositäten von Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht.
Alternativ ist es möglich, dass die Oberflächenfiltrationsschicht an der
Zuströmseite am Filterkörper aufgetragen wird (etwa durch ein
Beschichtungsverfahren wie Sprühen, Tauchen oder Lackieren) oder angebracht wird (beispielsweise durch ein Kaschier- oder Laminierverfahren). Dies ermöglicht es, die Oberflächenfiltrationsschicht mittels eines separaten Verfahrens
herzustellen, und beispielsweise als Beschichtung auf der Zuströmseite aufzutragen. Dies bedingt zwar einen separaten Verfahrensschritt, jedoch kann die Gestaltung/Ausbildung der Oberflächenfiltrationsschicht so freier und somit besser an die individuellen Bedingungen anpassbar sein.
Insbesondere sind zur Herstellung erfindungsgemäßer Filterelemente Verfahren denkbar, bei denen der Filterkörper und ggf. die Oberflächenfiltrationsschicht in einem additiven Fertigungsprozess schichtweise aufgebaut wird. Ein schichtweiser Aufbau des Filterkörpers ermöglicht geometrische Formgebungen, wie
beispielsweise Hinterschnitte, die bei anderen Herstellungsverfahren, wie beispielsweise herkömmliches Sintern, Gießen, Spritzguss etc. nicht, bzw. nur mit erheblichem Aufwand realisierbar sind.
Dabei kann ein solches additives Fertigungsverfahren folgende wiederkehrende Schritte umfassen: Erzeugen einer Schicht mit vorbestimmter Dicke und vorbestimmter Geometrie zur Herstellung des Filterkörpers und ggf. der
Oberflächenfiltrationsschicht; Erzeugen einer nächsten Schicht mit vorbestimmter Dicke und vorbestimmter Geometrie zur Herstellung des Filterkörpers und ggf. der Oberflächenfiltrationsschicht, wobei diese Schicht mit der vorhergehenden Schicht stoffschlüssig verbunden wird. Hierbei kann jede Schicht durch dasselbe Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch Aufbringen einer Schicht aus unfixiertem Polymermaterial und selektives Verfestigen von Polymermaterial in der gerade aufgebrachten Schicht und/oder Verbinden von Polymermaterial in der gerade aufgebrachten Schicht mit der zuvor aufgebrachten Schicht. Dadurch kann der Filterkörper und ggf. die Oberflächenfiltrationsschicht schichtweise aufgebaut werden, wodurch eine vielseitige Formgestaltung des Filterkörpers möglich ist.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Verfahrens kann der Filterkörper und ggf. die Oberflächenfiltrationsschicht in einem additiven Fertigungsprozess aus einer fließfähigen Phase gezogen werden. Dies ist insbesondere mithilfe des CLIP-Verfahrens umsetzbar, bei dem der zu fertigende Körper durch UV-Strahlung vernetzt wird und kontinuierlich aus einer fließfähigen Phase gezogen wird, die einen noch nicht vernetzten Vorläufer des Polymermaterials enthält.
Hierbei kann das additive Fertigungsverfahren so konfiguriert sein, dass zum Ausbilden des Filterkörpers ein poröser Kunststoff mit einer ersten mittleren Porengröße erzeugt wird und zum Ausbilden der Oberflächenfiltrationsschicht ein poröser Kunststoff mit einer zweiten mittleren Porengröße erzeugt wird, wobei die erste mittlere Porengröße des Filterkörpers größer ist als die zweite mittlere Porengröße der Oberflächenfiltrationsschicht.
Zur Bestimmung der mittleren Porengröße kann, insbesondere für Filtermedien, der sogenannte "Bubble-Point" Test eingesetzt werden. Das Messverfahren basiert hierbei auf dem Prinzip, dass mit Flüssigkeit gefüllte Poren erst ab einem vorbestimmten Druck für Gas permeabel werden. Dieser Druck wird gemessen und kann dazu genutzt werden, auf die Porengröße zu schließen. Die hierbei zugrundeliegende Korrelation zwischen dem Druck und der Porengröße gilt jedoch lediglich für zylindrische Poren. Um anders geformte Poren erfassen zu können, müssen Korrekturfaktoren angewendet werden. Diese Korrekturfaktoren können geschätzt, empirisch oder mittels Simulationen bestimmt werden.
Eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass zum Ausbilden des Filterkörpers und der Oberflächenfiltrationsschicht Polymermaterial mit derselben Zusammensetzung verwendet wird. Das bedeutet, dass die
Oberflächenfiltrationsschicht aus demselben Polymermaterial hergestellt wird wie der Filterkörper. Lediglich die Porenstruktur des jeweils additiv erzeugten
Kunststoffs ist unterschiedlich, insbesondere die mittlere Porengröße und/oder die Porengrößenverteilung. Dies kann durch geeignete Prozessführung des additiven Fertigungsverfahrens erreicht werden, indem bei den digitalen 3D- Konstruktionsdaten für den Aufbau des Filterelements eine entsprechende
Porenverteilung und -große vorgesehen werden. Dadurch können der Filterkörper und die Oberflächenfiltrationsschicht ggf. in einem gemeinsamen Verfahrensschritt erzeugt werden. Man kann beispielsweise bei dem oben angesprochenen CLIP- Verfahren durch geeignete Konfiguration mehrerer Belichtungsmasken und/oder Fokussierung von mehreren Lichtquellen zu Flächen eine innerhalb einer Ebene unterschiedliche Mikrostruktur des porösen Materials des Filterelements herstellen, insbesondere einer unterschiedliche Porenkonfiguration in Bereichen, die zum Filterkörper gehören und Bereichen, die zur Oberflächenfiltrationsschicht gehören.
Zum Ausbilden von Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht kann jeweils Polymermaterial mit verschiedener Zusammensetzung verwendet werden.
Beispielsweise kann zum Ausbilden der Oberflächenfiltrationsschicht
Polymermaterial mit einer Zusammensetzung verwendet werden, die gegenüber dem Polymermaterial zum Ausbilden des Filterkörpers wenigstens eine zusätzliche Komponente aufweist. Dies kann etwa eine Antihaftkomponente wie PTFE sein, die das Abreinigen der gefilterten Fremdstoffe auf der Oberflächenfiltrationsschicht erleichtert.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens kann umfassen, dass zum
Ausbilden des Filterkörpers ein Polymermaterial verwendet wird, das als einen Hauptbestandteil ein thermoplastisches Polymer aufweist, insbesondere
Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS), Polyimid (PI), Polyamid (PA), oder ein thermoplastisches Mischpolymer auf Basis derselben.
Eine andere denkbare Ausführungsform des Verfahren kann umfassen, dass zum Ausbilden des Filterkörpers ein Polymermaterial verwendet wird, das als einen Hauptbestandteil ein duroplastisches Polymer aufweist, insbesondere Epoxidharz, Phenolharz, Polyesterharz, Melaminharz, Siliconharz, Urethanharz oder ein Mischpolymer auf Basis derselben.
Insbesondere ist eine Ausführungsform des Verfahrens denkbar, bei der zum Ausbilden des Filterkörpers ein Polymermaterial verwendet wird, das als einen Hauptbestandteil ein UV-vernetzendes duroplastisches Polymer, beispielsweise Epoxyacrylat, aufweist.
In möglichen Weiterbildungen des Verfahrens können zur Ausbildung des
Filterkörpers ferner ein oder mehrere von dem Hauptbestandteil verschiedene Zusatzbestandteile bei Durchführung des additiven Fertigungsverfahrens verwendet werden. Solche Zusatzbestandteile können sein (Stapel-)fasern, ein Material mit antistatischen Eigenschaften, ein Material mit leitfähigen
Eigenschaften, ein Material mit antibakteriellen Eigenschaften, ein Material mit fungiziden Eigenschaften, ein Material mit flammhemmenden Eigenschaften. Dadurch können die Eigenschaften des zu fertigenden Filterelements gezielt beeinflusst werden.
Ferner kann das additive Fertigungsverfahren zur Ausbildung des Filterelements wenigstens einen der folgenden Schritte umfassen: Ausbilden eines Filterkopfs an einem ersten Ende des Filterkörpers; und Ausbilden eines Filterfußes an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Filterkörpers. Damit können der Filterkopf und/oder der Filterfuß ebenfalls integral, also zusammen mit dem Filterkörper in einem Verfahren hergestellt werden.
Andere Weiterbildungen des additiven Fertigungsverfahrens können das Ausbilden einer strukturierten Oberfläche an der Zuströmseite und/oder der Abströmseite des Filterkörpers umfassen.
In einer denkbaren Ausführungsform kann das additive Fertigungsverfahren ferner das Ausbilden des Filterkörpers mit einer wabenartigen Struktur umfassen.
Darüber hinaus kann das additive Fertigungsverfahren ferner das Ausbilden des Filterkörpers als eine fachwerkartige Struktur mit Stäben und die Stäbe
verbindenden Knoten umfassen.
Weiter kann das additive Fertigungsverfahren ferner das Ausbilden von
Kühlstrukturen, insbesondere Kühlkanälen, im Filterkörper umfassen. Das
Einbringen von Kühlkanälen ermöglicht, den Filterkörper im Betrieb mithilfe eines Kühlmittels zu kühlen und so die Lebensdauer des Filterkörpers zu verlängern.
Das Filterelement kann insbesondere zur Reinigung von Fluiden mit höherer Temperatur eingesetzt werden als bisher möglich, bei Wahl desselben Materials für Filterkörper und/oder Oberflächenfiltrationsschicht.
Insbesondere ist ein additives Fertigungsverfahren denkbar, das auf dem Prinzip der Photopolymerisation beruht, weiter insbesondere nach dem Prinzip der Continuous Liquid Interface Production (CLIP) arbeitet. Solche Verfahren haben in der Regel deutlich kürzere Herstellungszeitspannen im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren, wie bspw. das Fused Layer Modeling (FLM)- Verfahren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben, die Zeichnungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Sie sind schematisch, nicht maßstabsgetreu, und zeigen jeweils nur die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlichen Merkmale. Es versteht sich, dass weitere Merkmale, wie sie einem Fachmann geläufig sind, vorliegen können. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugsziffern jeweils gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements mit einem Filterkopf und einem Filterfuß;
Fig. 2 einen zentralen Bereich eines Schnitts durch das Filterelement an der in Fig. 1 mit ll-ll bezeichneten Position;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des mit D bezeichneten Details in Fig. 2;
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des mit D bezeichneten Details in Fig. 2;
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des mit D bezeichneten Details in Fig. 2; Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des mit D bezeichneten Details in Fig. 2;
Fig. 6a ein alternatives Ausführungsbeispiel in einer Darstellung entsprechend Fig. 6;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Teilabschnitts des Filterelements aus Fig. 1 mit angedeuteten Kühlkanälen; Fig. 8 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels des Filterelements aus Fig. 1 mit schematisch dargestellter Oberflächenfiltrationsschicht;
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines möglichen Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Filterelement; und
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines anderen möglichen
Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Filterelement.
Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch in anderen
Ausführungsbeispielen realisiert werden, sofern diese technisch realisierbar sind. Sie sind also untereinander austauschbar, auch wenn darauf im Folgenden nicht jedes mal gesondert hingewiesen wird.
Fig. 1 zeigt ein Filterelement 1 mit einem Filterkörper 2 aus Kunststoff. Der Filterkörper ist mittels eines additiven Verfahrens aus einem Polymermaterial hergestellt. Das Filterelement 1 besitzt eine kastenartige Form, insbesondere die Form eines schmalen Kastens, dessen Erstreckung in Längsrichtung (in Fig. 1 , Richtung x) und Breitenrichtung (in Fig. 1 , Richtung y) deutlich größer ist als in einer Tiefenrichtung (in Fig. 1 , Richtung z). Insbesondere ist die Erstreckung des Filterelements in Längsrichtung und/oder in Breitenrichtung mindestens doppelt so groß oder sogar mindestens fünf mal so groß oder sogar mindestens zehnmal so groß wie in Tiefenrichtung. Das Filterelement kann in Längsrichtung x und in Breitenrichtung y in etwa gleiche Abmessungen haben. Gewünschtenfalls kann das Filterelement in der Breitenrichtung y auch etwas kleiner ausgebildet sein als in der Längsrichtung x, aber in jedem Fall ist die Erstreckung in Breitenrichtung y auch deutlich größer als die Erstreckung in Tiefenrichtung z.
Ferner weist das Filterelement 1 einen Filterkopf 3 sowie einen Filterfuß 4 auf, wobei der Filterkopf 3 an einem Ende auf einer ersten Seite 5 des Filterelements 1 angeordnet ist und der Filterfuß 4 an einem Ende auf einer der ersten Seite 5 gegenüberliegenden zweiten Seite 6 des Filterelements 1 angeordnet ist. Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des Filterelements 1 ist an einer hochkant angeordneten Trennwand 7 gehalten, welche Teil einer weiter nicht gezeigten Filtervorrichtung ist, und trennt eine Zuströmseite 8 der Filtervorrichtung von einer Abströmseite 9. Die Zuströmseite oder Rohfluidseite 8 entspricht hierbei der Seite, an der ein mit Fremdstoffen beladenes Fluid oder Fluidgemisch, das sogenannte Rohfluid, auf das Filterelement 1 trifft, und die Abströmseite oder Reinfluidseite 9 entspricht der Seite, auf der das von den Fremdstoffen gereinigte Fluid, das sogenannte Reinfluid, ausströmt. Dementsprechend besitzt auch das Filterelement 1 eine Zuströmseite und eine Abströmseite.
Das Filterelement 1 ist mit seinem Filterkopf 3 an der hochkant angeordneten Trennwand 7 "seitlich" befestigt, erstreckt sich also von der Trennwand 7 in Richtung x. Fig. 1 zeigt den sogenannten reinfluidseitigen Einbau des
Filterelements 1 , bei dem eine den Filterkörper 2 in y-Richtung beidseitig überragende Seitenfläche des Filterkopfes 3, die zum Filterfuß 4 hin weist, auf der Abströmseite 9 an der Trennwand 7 befestigt ist und der Filterkörper 2 des
Filterelements 1 durch eine Öffnung in der Trennwand 7 hindurch ragt. Zwischen dem Filterkopf 3 und der Trennwand 7 ist eine Dichtung 10 zu erkennen, die zur Abdichtung zwischen der Zuströmseite 8 und der Abströmseite 9 dient. Dies erlaubt einen Austausch des Filterelements 1 von der "sauberen" Abströmseite 9 her. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel verschließt der Filterfuß 4 das eine Ende des Filterkörpers 2, so dass das Reinfluid den Filterkörper 2 durch den Filterkopf 3 verlässt.
Alternativ ist auch der sogenannte rohfluidseitige Einbau des Filterelements 1 denkbar, bei dem der Filterkopf 3 mit seiner dem Filterfuß 4 abgewandten
Seitenfläche von der Zuströmseite 8 her an der Trennwand 7 befestigt ist. Der Ein- und Ausbau des Filterelements 1 erfolgt dann über die Zuströmseite 8.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, das Filterelement 1 hängend zu befestigen statt seitlich. Die Trennwand 7 ist dann quer, vorzugsweise horizontal, in der Art eines Zwischenbodens in der Filtervorrichtung zwischen beispielsweise einer unten liegenden Zuströmseite 8 und einer oben liegenden Abströmseite 9 vorgesehen. Auch in dieser hängenden Einbauposition des Filterelements 1 kann entweder ein reinfluidseitiger oder ein rohfluidseitiger Einbau des Filterelements 1 vorgesehen sein.
Der Filterkörper 2 besitzt ein poröses, insbesondere durchströmungsporöses Gefüge, welches auf unterschiedliche Weisen ausgebildet sein kann. Denkbare Ausführungbeispiele werden in den Fign. 3 bis 6 gezeigt. Unter einem
durchströmungsporösen Gefüge ist ein solches Gefüge zu verstehen, welches einen zusammenhängenden, jedoch von der Zuströmseite 8 des Filterkörpers 2 zu der Abströmseite 9 des Filterkörpers 2 durchströmungsporösen Körper, d.h., für Durchtritt von Fluid (Gas oder Flüssigkeit) durchlässigen Körper (hier den
Filterkörper 2), ausbildet.
Der Filterkörper 2 des erfindungsgemäßen Filterelements 1 ist ferner auch eigenstabil, das bedeutet, dass der Filterkörper 2 eine solche Festkörperstruktur ausbildet, dass er sein Eigengewicht selbst tragen kann, wenn er, beispielsweise wie in Fig. 1 gezeigt, lediglich an einem Ende (Filterkopf) in seiner Längsrichtung gehalten ist, oder aber durch eine weitere Stützstruktur am Filterfuß an seinen beiden in Längsrichtung entfernten Enden gehalten ist. Das Filterelement 2 weist über den Filterkörper 2 hinaus aber keine weitere Skelett- oder Tragstruktur auf.
Solche Filterelemente 1 werden beispielsweise in großen Industrieanlagen zum Reinigen der Abgase eingesetzt und besitzen eine Länge von 10 cm bis 5 m, insbesondere 20 cm bis 3 m und eine Breite von 5 cm bis 200 cm, insbesondere von 10 cm bis 100 cm und eine Tiefe von 3 cm bis 50 cm, insbesondere 5 cm bis 25 cm. Die Filterelemente können eine zum Filtern nutzbare Querschnittsfläche gegenüber der Fluidströmung von 0.5 m2 bis zu 25 m2 aufweisen. Die tatsächliche zur Oberflächenfiltration zur Verfügung stehende Fläche kann bei geeigneter Strukturierung der Oberflächensfiltrationsschicht mittels Vorsprüngen/Vertiefungen, Oberflächenrauigkeit, fraktalen Geometrien oder anders strukturierten Oberflächen noch sehr viel größer sein als diese Querschnittsfläche.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Querschnittsprofils des Filterkörpers 2 auf der Länge der Linie ll-ll in Fig.1 und an einem von den Rändern entfernten mittleren Bereich. Es ist zu erkennen, dass der Filterkörper 2 als ein Hohlkörper ausgebildet ist und in dem hier gezeigten Beispiel einen tannenbaumartigen Querschnitt 11 aufweist. Jedoch sind auch rund, zylindrisch oder polygonartig ausgebildete Querschnitte denkbar.
Die tannenbaumartige Gestaltung eignet sich insbesondere deshalb, da sie verglichen mit bspw. einem glatten quaderförmigen Querschnitt bei etwa vergleichbarem Volumen des Filterelements 1 , eine größere Oberfläche bildet, die auf der Zuströmseite 8 (Außenseite) liegt und somit zur Filtration des dort ankommenden Rohfluids wirksam ist. Im Innern des Hohlkörpers liegt die
Abströmseite 9. Das gereinigte Fluid strömt nach Durchtritt durch die Wände des Filterelements in etwa orthogonal zur Schnittebene zum Filterkopf. Es ist zu erkennen, dass der tannenbaumartige Querschnitt 11 in bestimmten Abständen durchgängige Zwischenwände 12 besitzt, die den innenliegenden Hohlraum in mehrere kleinere Hohlkammern 13 unterteilen. Die Zwischenwände 12 dienen der Stabilität des Filterkörpers 2 und ihre Anzahl kann entsprechend der gewünschten Stabilität gewählt werden. Bei ausreichender Eigenstabilität des Filterkörpers 2 kann auch auf die Vorsehung von Zwischenwänden 12 verzichtet werden.
Zur Filtration der Fremdstoffe aus dem Rohfluid, weist der Filterkörper 2 auf seiner Zuströmseite 8 eine Oberflächenfiltrationsschicht 14 auf (in Fig. 1 und Fig. 2 nicht dargestellt), wie sie beispielhaft und schematisch in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Oberflächenfiltrationsschicht 14 dient als die Hauptfilterkomponente.
Auszufilterndes Material (Partikel) bleibt wegen der geringen Porengröße der Oberfläche der Oberflächenfiltrationsschicht hängen. Solches Material dringt gar nicht oder nur noch in sehr geringem Maße in den Filterkörper 2 ein, der hauptsächlich als von dem Reinfluid passierbare Trennkomponente zwischen der Rohfluidseite (Zuströmseite 8) und der Reinfluidseite (Abströmseite 9) dient.
Die Oberflächenfiltrationsschicht 14 weist, wie auch schon der Filterkörper 2, eine poröse Struktur auf, und ist an der Zuströmseite 8 des Filterkörpers 2 angeordnet. Die mittlere Porengröße in der Oberflächenfiltrationsschicht 14 ist deutlich kleiner als die mittlere Porengröße des Filterkörpers 2. Die mittlere Porengröße in der Oberflächenfiltrationsschicht 14 ist so zu wählen, dass die aus dem Rohfluid zu filternden Fremdstoffe die Oberflächenfiltrationsschicht 14 nicht passieren können und sich an der zuströmseitig gelegenen Oberfläche derselben ablagern.
Der Filterkörper 2 kann eine mittlere Porengröße von etwa 20 bis 100 pm besitzen, wohingegen die Oberflächenfiltrationsschicht 14 eine geringere mittlere
Porengröße aufweist, in vielen Fällen in einem Bereich von 5 bis 25 pm, insbesondere 10 bis 20 pm.ln besonderen Fällen kann die
Oberflächenfiltrationsschicht sogar noch geringere mittlere Porengrößen bis hinab zu 2 pm aufweisen, etwa mittlere Porengrößen in einem Bereich von 2 bis 5 pmt.
Zumindest der Filterkörper 2 des erfindungsgemäßen Filterelements 1 ist additiv gefertigt. Es können aber auch weitere Bestandteile des Filterelements 1 , wie bspw. die Oberflächenfiltratiosnschicht 14, der Filterkopf 3 und/oder der Filterfuß 4 additiv gefertigt sein.
Unter additiven Fertigungsverfahren sind Prozesse zu verstehen, bei denen auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden die additiven Fertigungsverfahren auch als 3D-Druckverfahren bezeichnet.
Bekannte additive Fertigungsverfahren sind bspw. Stereolithographie, Selective Laser Sintering (SLS), Binder-Jet oder Fused Layer Modelling/Manufacturing (FLM).
Die additiven Fertigungsverfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung von komplexen Geometrien, wie bspw. mit Hinterschnitten oder integrierten
Kühlkanälen, welche mit den konventionellen Fertigungsverfahren nur sehr aufwändig oder gar nicht herzustellen sind.
Die Fig. 3 bis 6a zeigen anhand eines vergrößert dargestellten Teilbereichs D aus Fig. 2 verschiedene mögliche Ausführungsbeispiele, zur Ausbildung des Gefüges des Filterkörpers 2.
Fig. 3 zeigt als ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel eine unregelmäßige Porenstruktur. Hierfür ist der Filterkörper 2 aus unterschiedlich großen
Kunststoffpartikeln 16 aufgebaut. Die Kunststoffpartikel sind regelmäßig oder unregelmäßig geformt und an zufällig oder gezielt unregelmäßig angeordneten Kontaktflächen stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei kleine Hohlräume zwischen den Kunststoffpartikeln ausgebildet sind, welche als Poren 17 bezeichnet werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Poren 17 derart
dreidimensional ausgebildet sind, dass ein Reinfluid von der
Oberflächenfiltrationsschicht 14 den Filterkörper 2 durch die Poren 17 passieren kann, um von der Zuströmseite 8 zur Abströmseite 9 in die Hohlkammern 13 zu gelangen. Dies ist in einem zweidimensionalen Schnitt, wie in Fig. 3 bis 6 gezeigt, nicht darstellbar.
Bei additiver Fertigung des Filterkörpers 2 ist es möglich, Kanäle 18 bei der Herstellung des Filterkörpers 2 integral vorzusehen, so dass keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte notwendig sind. Solche Kanäle können sich beispielsweise entlang der Längsrichtung (Richtung x) des Filterkörpers 2 erstrecken, wie beispielhaft in Fig. 7 gezeigt. Im Betrieb können solche Kanäle 18 als Kühlkanäle vorgesehen sein, etwa indem die Kühlkanäle zu einem Kühlkreislauf verbunden werden. Mittels eines Kühlmittels, welches durch den Kühlkreislauf zirkuliert, werden somit die Filterkörper 2 gekühlt. Alternativ ist es auch denkbar, auf die Kühlkanäle 18 zu verzichten, wenn ein Kühlen des Filterkörpers 2 im Betrieb nicht notwendig ist.
Die Kanäle 18 können auch zur Bereitstellung weiterer oder anderer Funktionen vorgesehen sein. Beispielsweise können in den Kanälen 18 Zusatzbestandteile eingelagert sein, die flammhemmende Eigenschaften besitzen, beispielsweise weil sie bei höherer Temperatur unter Freisetzung von Wasser chemisch reagieren. Dadurch kann die Brennbarkeit des Filterkörpers reduziert werden. Dies ist insbesondere von Vorteil im Zusammenhang mit dem Filtern von brennbaren Stäuben. Beispiele für flammhemmende Zusatzbestandteile wurden bereits genannt. Diese sind grundsätzlich zur Einlagerung in Kanäle 18 geeignet und seien hier nochmals aufgezählt: Kunststoffe auf Basis von Polyoxymethylen (POM), Polysulfon (PSU) oder Polyphenylensulfid (PPS), Materialien auf Basis von AluminAluminiumtrihydrat (ATH), Magnesiumhydroxid, organischen bromierten Verbindungen oder Schichtsilikaten. Das additive Herstellungsverfahren kann so konfiguriert sein, dass die Einlagerung dieser Zusatzbestandteile bereits beim Aufbau von Filterkörper und Oberflächenfiltrationsschicht während der Herstellung erfolgt.
Fig. 4 und Fig. 5 zeigen zwei weitere mögliche Ausführungsbeispiele des durchströmungsporösen Gefüges des Filterkörpers 2, die sich sehr ähnlich sind. In diesen Ausführungsbeispielen ist es vorgesehen, dass das Gefüge als eine Wabenstruktur 19 ausgebildet ist, die im Querschnitt eine wabenverbundartige Struktur aufweist. Die Waben erstrecken sich als Wabenstäbe grundsätzlich in Längsrichtung (Richtung x) des Filterkörpers 2 stab- bzw. rohrartig. Die
Wabenstäbe sind zumindest überwiegend hohl und bilden Hohlwabenstäbe 20. Jedoch können zur Verbesserung der Stabilität des Filterkörpers 2 mehrere Wabenstäbe als Massivwabenstäbe 21 massiv, das bedeutet gefüllt und ohne innenliegenden Hohlraum, ausgebildet sein (Fig. 5).
Sofern die notwendige Stabilität des Filterkörpers 2 auch ohne solche
Massivwabenstäbe 21 sichergestellt ist, kann auf diese verzichtet werden (Fig. 4), wodurch insbesondere das Gewicht des Filterkörpers 2 reduziert werden kann. Um die Durchströmungsporosität des Filterkörpers 2 zu gewährleisten, sind die Wabenstäbe durch Queröffnungen oder Querverbindungen miteinander verbunden, so dass ein dreidimensionales "Kanalnetzwerk" entsteht, durch welches das an der Oberflächenfiltrationsschicht 14 gereinigte Fluid bis in den innenliegenden Hohlraum bzw. die Hohlkammern 13 strömen kann. In der in Fig. 4 und 5 dargestellten zweidimensionalen Schnittansicht sind lediglich solche
Abschnitte 22 des Kanalnetzwerkes zu erkennen, die in der dargestellten
Schnittebene angeordnet sind.
Bei dieser Wabenstruktur 19 ist es denkbar, einzelne Hohlwabenstäbe 20 als Kühlkanäle 18 vorzusehen. Diese sind in Fig. 4 und 5 schraffiert markiert.
Fig. 6 zeigt als ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel des Gefüges des Filterkörpers 2 ein mehrlagig, mehrschichtig oder mehrphasig, zusammengesetzt aufgebautes Gefüge. Das Gefüge des Filterkörpers 2 weist als eine erste Lage, Schicht oder Phase eine als Fachwerksstruktur ausgebildete Stützstruktur 23 auf, die dem Filterkörper 2 die notwendige Stabilität verleiht. Die Fachwerksstruktur ist lediglich beispielhaft zu sehen und es sind auch andere Strukturen denkbar, welche eine gute Eigenstabilität bei möglichst geringem Eigengewicht und/oder bei möglichst geringem Strömungswiderstand aufweisen, etwa eine bionische
Struktur. Beispielsweise ist es denkbar, mittels additiver Fertigung eine
Stützstruktur 23 vorzusehen, die relative große Freiräume zwischen den einzelnen Stützstrukturkomponenten lässt und dennoch genügend Stabilität bereitstellt, um ein eigenstabiles Filterelement zu erzeugen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine solche Stützstruktur 23 sehr dick ausgebildet ist und sich weit bis in die auf der Abströmseite 9 gebildete Hohlkammer 13 erstreckt. Im Extremfall kann die Stützstruktur 13 sogar so ausgebildet sein, dass sie diese Hohlkammer 13 praktisch vollständig ausfüllt, wie in Fig. 6a beispielhaft angedeutet ist. Natürlich muss in solchen Fällen die Stützstruktur 23 genügend durchlässig ausgebildet sein, um ein so weit ungehindertes Abströmen von gereinigtem Fluid zu ermöglichen, so dass der Druckverlust des Fluids beim Durchströmen des Filterelements in akzeptablem Rahmen bleibt. Weil mittels additiver Fertigung die Stützstruktur 23 je nach Anforderung in geeigneter
Geometrie und mit geeignetem Material hergestellt werden kann, ist es aber möglich, eine Stützstruktur 23 herzustellen, die bei Durchströmen mit Reinfluid einen ähnlich geringen Druckverlust erzeugt, wie das bei herkömmlichen eigenstabilen Filterelementen aus gesintertem Kunststoffmaterial der Fall ist.
Die aus einem (Kunststoff-)Material hergestellte fachwerkartige Stützstruktur 23 ist aus Stäben 24 ausgebildet, die an Knotenpunkten 25 miteinander verbunden sind. Die Stäbe 24 sind dabei so angeordnet, dass sie eine dreidimensionale Struktur ausbilden. Zwischen den Stäben 24 entstehen Hohlräume 26, die dreidimensional betrachtet, so miteinander verbunden sind, dass ein Fluid von der Zuströmseite 8 zur Abströmseite 9, also in die Hohlkammern 13 strömen kann. An der der Zuströmseite 8 zugewandten Außenfläche der Stützstruktur 23 ist eine zweite Lage, Schicht oder Phase angeordnet, welche als eine sogenannte Tragschicht 27 bezeichnet wird. Die Tragschicht 27 weist eine unregelmäßige Porenstruktur auf, wie sie schon in Fig. 3 gezeigt ist. Im Unterschied zu Fig. 3 ist in dem
Ausführungsbeispiel des zusammengesetzten Filterkörpers 2 (Fig. 6) lediglich die Tragschicht 27 aus unterschiedlich großen, regelmäßig oder unregelmäßig geformten Kunststoffpartikeln 16 aufgebaut, die an zufällig oder gezielt
unregelmäßig angeordneten Kontaktflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind, so dass sie zwischen sich Poren 17 ausbilden. Die Poren sind derart dreidimensional ausgebildet, dass ein Reinfluid von der Zuströmseite 8 zur Abströmseite 9 strömen kann. Die Tragschicht 27 braucht in dem
Ausführungsbeispiel des zusammengesetzten Filterkörpers 2 (Fig. 6) nicht besonders dick zu sein. Eine Dicke zwischen 0,5 umd 5 mm genügt in den meisten Fällen, insbesondere eine Dicke von ungefähr 1 mm. Auf der Tragschicht 27 ist die Oberflächenfiltrationsschicht 14 angeordnet, deren Porengröße deutlich kleiner ist als die der Tragschicht 27. Die zwischen den Stäben 24 ausgebiideten Hohlräume 26 sind deutlich größer als die Poren 17 der Tragschicht 27.
Auch in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein von der Zuströmseite 8 anströmendes Rohfluid ausschließlich an der Oberflächenfiltrationsschicht 14 gefiltert. Die Stützstruktur 23 weist einen "groben" Aufbau auf, d.h., die zwischen den an den Knotenpunkten 25 verbundenen Stäben 24 angeordneten Hohlräume 26 sind so groß, dass die Außenfläche der Stützstruktur 23 der
Oberflächenfiltrationsschicht 14 nicht genug Anhaftungsoberfläche bietet. Das bedeutet dass die Oberflächenfiltrationsschicht 14 nicht so regelmäßig
aufgetragen oder angebracht werden kann, als dass sie ihre Filterfunktion ausreichend gut erfüllt. Daher ist zwischen der Stützstruktur 23 und der Oberflächenfiltrationsschicht 14 die Tragschicht 27 angeordnet. Die Porengröße der Tragschicht 27 ist einerseits deutlich kleiner als die Hohlräume 26 der Stützstruktur 23 und deutlich größer als die der Oberflächenfiltrationsschicht 14. Das Gefüge der Tragschicht 27 ist dabei so ausgebildet, dass die Außenfläche der Tragschicht 27 der
Oberflächenfiltrationsschicht 14 eine ausreichende Anhaftungsoberfläche bietet. Das bedeutet, die Oberflächenfiltrationsschicht 17 kann auf der Tragschicht 27 so regelmäßig aufgetragen oder angebracht werden, dass sie eine funktionsfähige Filteroberfläche ausbildet. Somit dient die Tragschicht 27 als eine Art
"Verbindungsschicht" oder Zwischenschicht zwischen der Stützstruktur 23 und der Oberflächenfiltrationsschicht 14.
Im Vergleich zu der in Fig. 3 dargestellten Gefügestruktur des Filterkörpers 2 ermöglicht die in Fig. 6 dargestellte, zusammengesetzte Gefügestruktur das Erzielen eines geringeren Eigengewichts bei gleichbleibender Stabilität.
Die Menge der Fremdstoffe, die sich beim Filtern auf der
Oberflächenfiltrationsschicht 14 ablagert, nimmt mit der Zeit zu und verschließt dadurch nach und nach die Poren der Oberflächenfiltrationsschicht 14. Das verschlechtert die Filterfunktion des Filterelements 1. Daher ist es notwendig, die Oberflächenfiltrationsschicht 14 von Zeit zu Zeit zu reinigen. Herkömmlich geschieht dies mittels Druckluftimpulsen, mit denen das Filterelement 1 in der Regel von der Reinfluidseite her über entsprechende Düsen beaufschlagt wird.
Um dies während des Betriebs des Filterelements 1 vornehmen zu können, kann beispielsweise ein Druckstoß in die Hohlkammern 13 bzw. in den innenliegenden Hohlraum des Filterkörpers 2 eingebracht werden, welcher dazu führt, dass sich der Filterkörper 2 elastisch verformt, was eine Druckwelle bewirkt und dazu führt, dass die abgelagerten Fremdstoffe von der Oberflächenfiltrationsschicht 14 abfallen und somit die Poren gereinigt und wieder "frei" sind.
Da die Oberflächenfiltrationsschicht 14 zum Filtern des ankommenden Rohfluids dient, ist es insbesondere wünschenswert, diese Oberfläche möglichst groß zu gestalten. Dabei ist es denkbar, die Oberflächenfiltrationsschicht 14 strukturiert auszugestalten. Strukturiert kann bedeuten, dass die Oberflächenfiltrationsschicht 14 beispielsweise mit einer Rauigkeit versehen ist oder als eine Vorsprünge und Rücksprünge aufweisende Oberfläche ausgebildet ist. Fig. 8 zeigt beispielhaft und schematisch die Oberflächenfiltrationsschicht 14, welche mit Vorsprüngen 28 und Rücksprüngen 29 versehen ist, um die effektiv zur Filtration wirksame Oberfläche zu vergrößern.
Die Fig. 9 und 10 zeigen schematisch zwei mögliche additive Fertigungsverfahren zur Herstellung des Filterelements 1 , zumindest aber zur Herstellung des
Filterkörpers 2.
Fig. 9 zeigt ein beispielhaftes Verfahren nach dem "bottom-up"-Prinzip, das bedeutet, dass das zu fertigende Bauteil von "unten" nach "oben" aufgebaut wird. Das schematisch gezeigte Herstellungsverfahren läuft wie folgt ab: In einem Behälter 100 ist ein absenkbarer Boden 101 , der auch als Trägerplatte 101 bezeichnet werden kann, angeordnet. Auf dieser Trägerplatte 101 werden in einer vorbestimmten Dosierung, beispielsweise mittels einer Dosierungshilfe 102, Kunststoffpartikel 103, beispielsweise als Granulat oder Pulver, aufgebracht.
Anschließend bringt man gezielt an vorbestimmten Stellen eine Mischung 104 aus einem Klebstoff, Lösungsmittel(n) und/oder Wasser auf, beispielsweise mittels einer Dosierungshilfe 105, um die dortigen Kunststoffpartikel 103 miteinander zu verbinden, um so die erste Schicht des zu fertigenden Bauteils auszubilden. Die Dosierungshilfe 105 kann bspw. als ein Druckkopf (Inkjet) ausgebildet sein.
In einem nächsten Schritt senkt man die Trägerplatte 101 ab und wiederholt das Prozedere. Dies macht man so lange, bis das zu fertigende Bauteil vollständig hergestellt ist. Danach kann man die nicht verklebten Kunststoffpartikel 103 entfernen und das in der Mischung 104 enthaltene Wasser und/oder Lösungsmittel verdunsten lassen, wodurch ein poröser Körper entsteht.
Anstelle der Verwendung von Wasser und/oder Lösungsmittel ist es auch denkbar, leicht lösliche Harze zu verwenden, die zum Schluss aus dem Bauteil
herausgewaschen werden können, um die Porosität zu erzeugen.
Ein solches Verfahren kann auch als Binderjet-Verfahren bezeichnet werden.
Es ist auch denkbar, statt einer Klebstoff-Mischung einen reinen Klebstoff (d.h. einen Klebstoff ohne Zugabe von Lösungsmittel und/oder Wasser und ohne Zugabe leicht löslicher Harze) zu verwenden. Dieser Klebstoff wird mittels der Dosierungshilfe 105 gezielt auf einzelne Stellen des aufgebracht um diese mit einander zu verkleben.
Ein weiteres nach dem "bottom up" Prinzip arbeitendes Verfahren ist das oben beschriebene Selektive Lasersintern (SLS), bei dem ein Laser über eine Schicht aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial geführt wird, um selektiv an vorgesehenen Stellen der Schicht ein Sintern des pulverförmigen
Ausgangsmateriais zu erzielen.
Fig. 10 zeigt schematisch ein beispielhaftes Verfahren nach dem "top-down"- Prinzip, das bedeutet, dass das zu fertigende Bauteil von "oben" nach "unten" aufgebaut wird. In Fig. 10 ist hierfür beispielhaft das sogenannte CLIP-Verfahren dargestellt. CLIP steht für "Continuous Liquid Interface Production" und
unterscheidet sich von vielen anderen bekannten additiven Fertigungsverfahren insbesondere darin, dass das zu fertigende Bauteil kontinuierlich aufgebaut wird.
Herkömmliche additive Fertigungsverfahren arbeiten in der Regel mit sogenannten zweidimensionalen Druckprozessen. Unter einem zweidimensionalen
Druckprozess ist zu verstehen, dass eine (dünne) Schicht des zu fertigenden Bauteils erzeugt wird und dieser Vorgang so häufig wiederholt wird, dass so Schicht für Schicht das zu fertigende, dreidimensionale Bauteil erzeugt wird.
Das CLIP-Verfahren läuft prinzipiell wie folgt ab: Auf einer wannenähnlichen Plattform 106 befindet sich ein flüssiges Polymer 107, bspw. ein photosensitives Kunstharz. Ein Boden 108 der Plattform 106 ist zumindest teilweise transparent für ultraviolettes Licht (UV-Licht). Unterhalb der Plattform 106 ist eine Lichtquelle 109 für UV-Licht, bspw. ein Projektor, angeordnet, welcher einen oder mehrere UV- Lichtstrahlen 110 aussendet. Diese werden entweder direkt oder durch
Umlenkung, bspw. mittels eines Spiegels 111 durch den Boden 108 auf das flüssige Polymer gerichtet und präzise auf die Fläche fokussiert, an der das flüssige Polymer aushärten soll.
Ferner besitzt der Aufbau für das CLIP-Verfahren eine verfahrbare Trägerplatte 112, welche in einer Richtung senkrecht zur Plattform 106 bewegt werden kann. Durch eine kontinuierliche Bewegung der Trägerplatte 112 wird so das zu fertigende Bauteil von der Plattform 106 ausgehend langsam aus dem flüssigen Polymer 107 gezogen, sodass das flüssige Polymer 107 nachfließen kann. Die letzte gerade erzeugte Schicht des zu fertigenden Bauteils 113 sowie die Plattform 106 bleiben so immer mit dem flüssigen Polymer 107 bedeckt, das durch die UV- Strahlen 110 weiter gehärtet werden kann.
Unterhalb des flüssigen Polymers 107 ist eine sauerstoffdurchlässige Membran angebracht, die eine flüssig bleibende Übergangsphase, eine sogenannte "dead zone" 114, erzeugt, die das flüssige Polymer 107 daran hindert, sich am Boden 108 der Plattform 106 abzulagern und dort auszuhärten, bspw. zu polymerisieren. Statt einer sauerstoffdurchlässigen Membran sind auch andere semipermeable Membrane denkbar, welche für einen von Sauerstoff verschiedenen
Aushärthemmstoffe, bzw. Polymerisationshemmer, durchgängig sind.
Somit stellt das CLIP-Verfahren einen kontinuierlichen Druckprozess dar, wodurch der Herstellungsprozess gegenüber anderen, das Bauteil schichtweise
erzeugenden Verfahren deutlich kürzer ist.
Die Wahl sowie die Zusammensetzung des zur Herstellung des Kunststoffs verwendeten Polymermaterials steht in direktem Zusammenhang mit dem
Herstellungsverfahren und umgekehrt.
So kann der Filterkörper 2 als einen Hauptbestandteil ein thermoplastisches Polymermaterial aufweisen. Hierzu zählen unter anderem Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyphenylensulfid (PPS), die bisher auch schon als Filterkörpermaterial eingesetzt werden. Jedoch sind auch andere thermoplastische Polymere, wie bspw. Polyamid (PA) oder Polyetheretherketon (PEEK), oder auch thermoplastische Mischpolymere denkbar. Insbesondere sind thermoplastische Polymere denkbar, die als "technische Thermoplaste" oder als
"Hochleistungsthermoplaste" klassifiziert sind.
In Abhängigkeit von den Betriebszuständen und den daraus resultierenden erforderlichen Eigenschaften, die das Filterelement 1 besitzen muss, kann es möglich sein, dass ein duroplastisches Polymermaterial statt eines
thermoplastischen Polymermaterials verwendet wird. Zu den duroplastischen Polymermaterialien zählen insbesondere Epoxidharz, Phenolharz, Polyesterharz, Melaminharz, Siliconharz, und Urethanharz. Auch hier ist ein Mischpolymer auf Basis eines duroplastischen Polymermaterials denkbar. Der Hauptunterschied zu den thermoplastischen Polymermaterialien liegt darin, dass bei Duroplaste ein 995 Aushärten des Polymermaterials erfolgt und diese infolge dessen deutlich stärker vernetzt sind und daher nicht mehr aufgeschmolzen werden können. Daraus resultiert in der Regel auch eine höhere Rissbildungswahrscheinlichkeit.
Insbesondere für ein kontinuierliches, additives Fertigungsverfahren, wie bspw. iooo das CLIP-Verfahren, sind UV-vernetzende Polymermaterialen besonders geeignet.
Es ist ferner auch denkbar, die UV-Lichtstrahlung durch eine andere bestimmte Strahlung des Lichtspektrums, beispielseise Infrarot-Lichtstrahlung (IR- Lichtstrahlung), zu ersetzen. Hierbei sind dann Polymermaterialien zu wählen, die durch Einstrahlung von IR-Lichtstrahlung aushärten, d.h., sich vernetzen.

Claims

1005 Ansprüche
1. Eigenstabiles, durchströmungsporöses Filterelement (1), umfassend:
einen additiv gefertigten porösen Filterkörper (2) aus Kunststoff, welcher
1010 eigenstabil ist und welcher eine Zuströmseite (8) und eine Abströmseite (9)
aufweist, sowie
eine Oberflächenfiltrationsschicht (14) an der Zuströmseite (8) des Filterkörpers (2).
1015 2. Filterelement (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Oberflächenfiltrationsschicht (14) integral mit dem Filterkörper (2) ausgebildet ist.
3. Filterelement (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Oberflächenfiltrationsschicht (14) an der Zuströmseite (8) am Filterkörper (2) aufgetragen oder angebracht ist.
1020
4. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Oberflächenfiltrationsschicht (14) porös ist, wobei der Filterkörper (2) eine erste mittlere Porengröße aufweist und die Oberflächenfiltrationsschicht (14) eine zweite mittlere Porengröße aufweist, wobei die erste mittlere Porengröße des
1025 Filterkörpers (2) größer ist als die zweite mittlere Porengröße der
Oberflächenfiltrationsschicht (14).
5. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur des Filterkörpers (2) und ggf. der
1030 Oberflächenfiltrationsschicht (14) derart ausgebildet ist, dass sich ein Druckverlust über das Filterelement (1 ), gemessen gegenüber einem Luftstrom ohne
Fremdstoffbeladung bei einer Anströmgeschwindigkeit von 0,2 bis 2,5 m/min mit einer Dicke von 4 mm, von höchstens 2000 Pa einstellt, insbesondere von höchstens 1200 Pa, insbesondere zwischen 100 Pa und 2000 Pa.
1035
6. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Filterkörper (2) und die Oberflächenfiltrationsschicht (14) dieselbe Zusammensetzung aufweisen.
7. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Filterkörper (2)
1040 eine erste Zusammensetzung aufweist und die Oberflächenfiltrationsschicht (14) eine von der ersten Zusammensetzung verschiedene zweite Zusammensetzung aufweist.
8. Filterelement (1 ) nach Anspruch 7, wobei die zweite Zusammensetzung
1045 gegenüber der ersten Zusammensetzung wenigstens eine zusätzliche
Komponente aufweist.
9. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Filterkörper (2) als einen Hauptbestandteil ein thermoplastisches Polymermaterial aufweist,
1050 insbesondere Polyethylen, Polypropylen, Polyphenylensulfid, Polyimid, Polyamid oder ein thermoplastische Mischpolymer auf Basis derselben.
10. Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Filterkörper (2) als einen Hauptbestandteil ein duroplastisches Polymermaterial aufweist,
1055 insbesondere Epoxidharz, Phenolharz, Polyesterharz, Melaminharz, Siliconharz, Urethanharz oder ein Mischpolymer auf Basis derselben.
11. Filterelement (1 ) nach Anspruch 10, wobei der Filterkörper (2) als einen Hauptbestandteil ein UV-vernetzendes duroplastisches Polymermaterial,
1060 insbesondere Epoxyacrylat, aufweist.
12. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei der Filterkörper (2) ferner zumindest einen von dem Hauptbestandteil verschiedenen
Zusatzbestandteil aufweist.
1065
13. Filterelement (1 ) nach Anspruch 12, wobei der Zusatzbestandteil Fasern umfasst, insbesondere Stapelfasern oder ein gefüllter Kunststoff.
14. Filterelement (1 ) nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Zusatzbestandteil
1070 antistatische Eigenschaften besitzt.
15. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der
Zusatzbestandteil leitfähige Eigenschaften besitzt.
1075 16. Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der
Zusatzbestandteil antibakterielle Eigenschaften besitzt.
17. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Zusatzbestandteil fungizide Eigenschaften besitzt.
1080
18. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der
Zusatzbestandteil flammhemmende Eigenschaften, insbesondere Polysulfon oder Polyphenylensulfid, besitzt.
1085
19. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Filterelement (1 ) eine kastenartige Form aufweist, insbesondere eine längliche kastenartige Form.
1090 20. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das Filterelement (1 ) als Hohlkörper ausgebildet ist, wobei die Zuströmseite (8) des Filterkörpers (2) auf einer Außenseite des Hohlkörpers liegt und die Abströmseite (9) des
Filterkörpers (2) auf einer Innenseite des Hohlkörpers liegt.
1095 21. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Filterelement (1 ) in einem Querschnitt durch den Filterkörper (2) zylindrisch, tannenbaumartig oder polygonartig ausgebildet ist.
22. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , wobei das Filterelement
1100 (1 ) ferner einen Filterkopf (3) und/oder einen Filterfuß (4) aufweist.
23. Filterelement (1 ) nach Anspruch 22, wobei der Filterkopf (3) an einem ersten Ende des Filterelements (1) angeordnet ist und der Filterfuß (4) an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Filterelements (1 ) angeordnet
1105 ist.
24. Filterelement (1 ) nach Anspruch 22 oder 23, wobei der Filterkopf (3) und/oder der Filterfuß (4) integral mit dem Filterkörper (2) ausgebildet ist.
1110 25. Filterelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, dass der Filterkörper (2) an seiner Zuströmseite (8) und/oder seiner Abströmseite (9) eine strukturierte Oberfläche aufweist.
26. Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei der Filterkörper
1115 (2) eine wabenartige Struktur (19) aufweist.
27. Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei der Filterkörper (2) eine fachwerkartige Struktur (23) mit Stäben (24) und die Stäbe (24) verbindenden Knoten (25) aufweist.
1120
28. Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei der Filterkörper (2) Kühlstrukturen, insbesondere Kühlkanäle (18), aufweist.
29. Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei der Filterkörper
1125 (2) in einem auf Photopolymerisation beruhenden additiven Herstellungsverfahren hergestellt ist, insbesondere mittels eines Continuous Liquid Interface Production (CLIP)-Verfahrens.
30. Verfahren zur Herstellung eines eigenstabilen, durchströmungsporösen
1130 Filterelements (1 ), umfassend:
Herstellen eines porösen Filterkörpers (2) aus Kunststoff, welcher eigenstabil ist und welcher eine Zuströmseite (8) und eine Abströmseite (9) aufweist, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, und
Ausbilden einer Oberflächenfiltrationsschicht (14) an der Zuströmseite (8) des
1135 Filterkörpers (2).
31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Oberflächenfiltrationsschicht (14) in demselben additiven Fertigungsverfahren wie der Filterkörper (2) integral mit demselben ausgebildet wird.
1140
32. Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Oberflächenfiltrationsschicht (14) an der Zuströmseite (8) am Filterkörper (2) aufgetragen oder angebracht wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, wobei der Filterkörper (2) und
1145 ggf. die Oberflächenfiltrationsschicht (14) in dem additiven Fertigungsverfahren schichtweise aufgebaut wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das additive Fertigungsverfahren folgende wiederkehrende Schritte umfasst: 1150 Erzeugen einer Schicht mit vorbestimmter Dicke und vorbestimmter Geometrie zur Herstellung des Filterkörpers (2) und ggf. der Oberflächenfiltrationsschicht (14),
Erzeugen einer nächsten Schicht mit vorbestimmter Dicke und vorbestimmter Geometrie zur Herstellung des Filterkörpers (2) und ggf. der
1155 Oberflächenfiltrationsschicht (14), wobei diese Schicht mit der vorhergehenden Schicht stoffschlüssig verbunden wird.
35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Erzeugen einer Schicht mit vorbestimmter Dicke und vorbestimmter Geometrie zur Herstellung des
1160 Filterkörpers (2) und ggf. der Oberflächenfiltrationsschicht (14) folgende Teilschritte umfasst:
Aufbringen einer Schicht aus Kunststoffpartikeln (103) in einer vorbestimmten Dosierung auf einer absenkbaren Trägerplatte (101 );
Aufbringen einer Mischung (104) aus Klebstoff, zumindest einem Lösungsmittel
1165 und/oder Wasser an vorbestimmten Stellen auf die Schicht aus Kunststoffpartikeln (103), um die dortigen Kunststoffpartikel (103) miteinander zu verbinden.
36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei spätestens nach dem Aufbringen der letzten Schicht des zu fertigenden Filterkörpers (2) die verbleibenden losen
1170 Kunststoffpartikel (103) entfernt werden und das zumindest eine enthaltende
Lösungsmittel und/oder Wasser verdunstet wird.
37. Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Erzeugen einer Schicht mit vorbestimmter Dicke und vorbestimmter Geometrie zur Herstellung des
1175 Filterkörpers (2) und ggf. der Oberflächenfiltrationsschicht (14) folgende Teilschritte umfasst:
Aufbringen einer Schicht aus Kunststoffpartikeln (103) in einer vorbestimmten Dosierung auf einer absenkbaren Trägerplatte (101);
Aufbringen einer Mischung (104) aus Klebstoff und zumindest einem löslichen
1180 Harz an vorbestimmten Stellen auf die Schicht aus Kunststoffpartikeln (103), um die dortigen Kunststoffpartikel (103) miteinander zu verbinden.
38. Verfahren nach Anspruch 37, wobei spätestens nach dem Aufbringen der letzten Schicht des zu fertigenden Filterkörpers (2) die verbleibenden losen
1185 Kunststoffpartikel (103) entfernt werden und das zumindest eine lösliche Harz herausgewaschen wird.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, wobei der Filterkörper (2) und ggf. die Oberflächenfiltrationsschicht (14) in dem additiven Fertigungsverfahren
1190 aus einer fließfähigen Phase gezogen wird.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 39, wobei das additive
Fertigungsverfahren so konfiguriert ist, dass zum Ausbilden des Filterkörpers (2) ein poröser Kunststoff mit einer ersten mittleren Porengröße erzeugt wird und zum
1195 Ausbilden der Oberflächenfiltrationsschicht (14) ein poröser Kunststoff mit einer zweiten mittleren Porengröße erzeugt wird, wobei die erste mittlere Porengröße des Filterkörpers größer ist als die zweite mittlere Porengröße der
Oberflächenfiltrationsschicht.
1200 41. Verfahren nach Anspruch 40, wobei zum Ausbilden des Filterkörpers (2) und der Oberflächenfiltrationsschicht (14) Polymermaterial mit derselben
Zusammensetzung verwendet wird.
42. Verfahren nach Anspruch 40, wobei zum Ausbilden des Filterkörpers (2) und
1205 der Oberflächenfiltrationsschicht (2) jeweils Polymermaterial mit verschiedener Zusammensetzung verwendet wird, wobei insbesondere zum Ausbilden der Oberflächenfiltrationsschicht (14) Polymermaterial mit einer Zusammensetzung verwendet wird, die gegenüber dem Polymermaterial zum Ausbilden des
Filterkörpers (2) wenigstens eine zusätzliche Komponente aufweist.
1210
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 42, wobei zum Ausbilden des Filterkörpers (2) ein Polymermaterial verwendet wird, das als einen
Hauptbestandteil ein thermoplastisches Polymer aufweist, insbesondere
Polyethylen, Polypropylen, Polyphenylensulfid, Polyimid, Polyamid oder ein
1215 thermoplastisches Mischpolymer auf Basis derselben.
44. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 43, wobei zum Ausbilden des Filterkörpers (2) ein Polymermaterial verwendet wird, das als einen
Hauptbestandteil ein duroplastisches Polymer aufweist, insbesondere Epoxidharz,
1220 Phenolharz, Polyesterharz, Melaminharz, Siliconharz, Urethanharz oder ein
Mischpolymer auf Basis derselben.
45. Verfahren nach Anspruch 44, wobei zum Ausbilden des Filierkörpers (2) ein Polymermaterial verwendet wird, das als einen Hauptbestandteil ein UV-
1225 vernetzendes duroplastisches Polymer, insbesondere Epoxyacrylat, aufweist.
46. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 45, wobei ferner zur Ausbildung des Filterkörpers (2) zumindest ein von dem Hauptbestandteil verschiedener Zusatzbestandtei! bei Durchführung des additiven Fertigungsverfahren zugegeben
1230 wird, insbesondere wenigstens eines aus Stapelfasern, einem Material mit
antistatischen Eigenschaften, einem Material mit leitfähigen Eigenschaften, einem Material mit antibakteriellen Eigenschaften, einem Material mit fungiziden
Eigenschaften und/oder einem Material mit flammhemmenden Eigenschaften.
1235 47. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 46, wobei das additive
Fertigungsverfahren zur Ausbildung des Filterelements (1 ) umfasst:
Ausbilden eines Filterkopfs (3) an einem ersten Ende des Filterkörpers (2) und Ausbilden eines Filterfußes (4) an einem dem ersten Ende
gegenüberliegenden zweiten Ende des Filterkörpers (2).
1240
48. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 47, wobei das additive
Fertigungsverfahren umfasst:
Ausbilden einer strukturierten Oberfläche an der Zuströmseite (8) und/oder der Abströmseite (9) des Filterkörpers (2).
1245
49. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 48, wobei das additive
Fertigungsverfahren umfasst:
Ausbilden des Filterkörpers (2) mit einer wabenartigen Struktur (19).
1250 50. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 48, wobei das additive
Fertigungsverfahren ferner umfasst:
Ausbilden des Filterkörpers (2) als eine fachwerkartige Struktur (23) mit Stäben (24) und die Stäbe (24) verbindenden Knoten (25).
1255 51. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 50, wobei das additive
Fertigungsverfahren ferner umfasst:
Ausbilden von Kühlstrukturen, insbesondere Kühlkanäle (18), im Filterkörper
(2).
1260 52. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 51 , wobei das additive
Fertigungsverfahren auf dem Prinzip der Photopolymerisation beruht,
insbesondere nach dem Prinzip der Continuous Liquid Interface Production (CLIP) arbeitet.
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