Keramischer Minireaktor aus dem 3D-Drucker Liebling, ich habe den Reaktor geschrumpft: Keramischer Minireaktor aus dem Drucker

Von Dominik Stephan

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Mikroreaktoren sind im Kommen – doch bleiben die Chemieanlagen im Kleinen bisher auf vergleichsweise einfache Geometrien und Materialien beschränkt. Dabei ginge doch so viel mehr – etwa komplexe Mikro-Komponenten aus keramischen Werkstoffen. Mit dabei: Know-how aus der Automobilindustrie und ganz viel Prozessverständnis.

Chemie-Fabrik im Ameisen-Maßstab: der gedruckte Mikro-Reaktor im Schnitt
Chemie-Fabrik im Ameisen-Maßstab: der gedruckte Mikro-Reaktor im Schnitt
(Bild: © Anatolii; phive2015; Klaus Eppele - stock.adobe.com; [M]VCG )

Mikroreaktoren sind im Trend. Dass eine chemische Reaktion nicht immer meterhohe Kolonnen, gewaltige Rührkessel und riesige Mischaggregate benötigt, zeigt nicht zuletzt die Natur. Auf dem kompakten „Footprint“ einer Zelle im Organismus finden komplexe Reaktionen mit einer Vielzahl von Edukten und Produkten, in Gang gebracht durch hochspezialisierte Katalysatoren, statt.

Das Mischen, Dispergieren, Begasen und Fällen in derartig kleinen Strukturen (bei Mikroreaktoren spricht man von inneren Abmessungen kleiner als ein Millimeter) nachzubauen, ist jedoch nicht einfach. Immerhin müssen die Mini-Anlagen großen Belastungen standhalten und zum Teil komplexe Geometrien vorweisen.

Komplexe Geometrien – das klingt nach einem Einsatz für die additive Fertigung. Aber was ist mit dem geeigneten Material? Ein einfaches Granulat vom Internethändler wird den hohen Anforderungen der Chemie-Experten kaum gerecht.

Schon eher interessant: Technische Keramiken. Diese sind elektrisch isolierend, hoch temperaturbeständig und chemisch inert und können sowohl komplexe wie filigrane Strukturen bilden. Und: Das Material lässt sich „drucken“ – wenn auch nicht mit den typischen „Haushaltsmodellen“ der Maker-Szene.

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Alternative Materialien
Es muss nicht immer Aluminium sein

Aluminiumoxid ist zwar der am weitesten verbreitete oxidkeramische Werkstoff, aber es gibt natürlich auch Alternativen: So sind Zirkonoxide einfach zu verarbeiten und haben eine hohe Bruchzähigkeit, wodurch sie sich für die Herstellung etwa langlebiger Sensoren eignen. Auch Mischoxidmaterialien aus Aluminium- und Zirkonoxid sind denkbar, wobei durch das Mischverhältnis die Eigenschaften in die eine oder andere Richtung hin beeinflusst werden können – je nachdem, wie es die konkrete Applikation erfordert.

3D-Druck: Haben wir eine Alternative zu Metallen gefunden?

Dementsprechend brauchten das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die BASF die Schützenhilfe eines ausgewiesenen Keramikspezialisten, als es um einen Mikro-Reaktor für Hochtemperaturreaktionen ging: Denn nur durch die Kombination der additiven Fertigungsmethode (sprich dem 3D-Druck) sowie durch die besonderen Materialeigenschaften der technischen Keramik konnten die diversen technischen Anforderungen letztlich abgebildet werden.

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Nachdem sich die Entwicklerinnen und Entwickler beim KIT wie auch der BASF von den einzigartigen Eigenschaften, wie Festigkeit, Temperatur-, Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit, von Aluminiumoxid überzeugt hatten, brauchte es nur noch einen passenden Partner für die Fertigung des Mikroreaktors.

Expertise aus der Automotive-Welt für den Mikroreaktor

Auftritt für Bosch Advanced Ceramics. Die Keramikexperten wollen die Expertise des Bosch-Konzerns mit keramischen Wertstoffen aus der Automobilbranche in andere Sektoren bringen und können daher nicht nur Komponenten fertigen. Als Engineeringpartner unterstützen sie auch Planung und Konzeption, wobei besonderer Wert auf ein druckfähiges Design gelegt wird.

Natürlich erfordert bei derartig anspruchsvollen Aufgaben auch die Auswahl des Material-Binder-Systems Sorgfalt und Prozesskenntnisse. Erst der Einsatz additiver Fertigungstechnologien ermöglicht die Konstruktion sehr kleiner innenliegender Strömungskanäle (0,5 mm Kanalbreite) für die chemischen Reaktionen im Inneren des Reaktors.

Dazu kommt die Hitzebeständigkeit und hohe Festigkeit des Aluminiumoxids, die ein sicheres Arbeiten bei extremen Prozessbedingungen erlaubt. Die Wärmeleitfähigkeit von 37 W/mK ermöglicht eine gute Temperaturkontrolle sowie die geringe thermische Ausdehnung des Werkstoffs und sorgt dafür, dass sich der Apparat auch bei großen Temperaturunterschieden kaum verzieht. Ein Faktor, der besonders im Hinblick auf die Kühlung an Bedeutung gewinnt – war doch ein äußerer Kühlmantel vorgesehen, bei dem es im Betrieb zu einem Temperaturabfall von mehreren 100 K pro Millimeter kommt.

Außerdem bleibt die Keramik transluzent, also durchscheinend, was zusammen mit der geringen Leitfähigkeit des Materials Mess- und Sensorapplikationen ermöglicht, die es bei Metallen nicht geben könnte.

So werden komplexe Geometrien möglich

Und was kostet der Spaß? Bosch Ceramics gibt unumwunden zu, dass die additive Fertigung teurer ist als etwa Spritzguss, Drehen oder Fräsen. Die aufwändigen inneren Strukturen des Reaktors ließen sich jedoch ohne 3D-Druck nicht mit vertretbarem Aufwand herstellen. Für den Mikroreaktor von KIT und BASF bedeutet dies konkret, dass mit dem gewählten Aufbau die Temperaturen und Stoffströme im Reaktor besonders genau kontrolliert werden können und somit neue Möglichkeiten zur Optimierung von Reaktionen eröffnet werden.

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Ob der Reaktor aus dem Drucker Schule macht? Gut möglich, schließlich ist die Mikroreaktionstechnik eines der heißesten Eisen in der Prozessentwicklung derzeit. Ihr Einsatz muss auch keines Falls auf Forschung und Entwicklung beschränkt bleiben, haben die Mini-Anlagen doch auch in Sachen Selektivität, Ausbeute und Sicherheit nicht unerhebliche Vorteile. Bisher waren allerdings komplexe Geometrien im geforderten Mini-Maßstab kaum darstellbar – das könnte sich, additive Fertigung sei Dank, jetzt ändern. n

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