Additiv gefertigte keramische Membranen und komplexe Trägerstrukturennach dem Vorbild der Natur

Im Lauf der Evolution ist es lebenden Organismen gelungen, energieeffiziente und ressourcenschonende Stoffwechselfunktionen zu entwickeln, die parallelisiert, hochgradig präzise und auf engstem Raum angeordnet ablaufen. Membranen sind dabei ein wesentliches Element und steuern (häufig selbstlernend) als mikroskopische Zellwand oder makroskopisches Organ den Stofftransport im Körper. 

Die adressierte Forschung zielt darauf ab existierende Membranen und Membranmodule hinsichtlich des Durchflusses, der Selektivität, des Energieverbrauches und der volumenspezifischen Membranfläche zu verbessern. 

In der Herstellung der neuartigen und innovativen Membranen ist die Additive Fertigung ein zentraler Bestandteil. Die Nutzung etablierter sowie modifizierter 3D-Druckverfahren ermöglicht die Fertigung von komplexen Strukturen der Membranen bzw. ihrer Träger. Dies bietet Möglichkeiten zur Optimierung der Stoffströmungen im Membranmodul und vergrößert die volumenspezifische Membranfläche aktuell um ca. 300 %. Adressiert wird die badbasierte Photopolymerisation (VPP) in Form des Digital-Light-Processing und die Materialextrusion (MEX) bzw. das Fused-Layer-Modeling. Beim erstgenannten Fertigungsprozess wurden hochgradig gefüllte Suspensionen mit Al2O3 Pulvern entwickelt sowie untersucht und die komplexen Strukturen gedruckt. Im FLM-Prozess werden die bionisch strukturierten Bauteile aus einem gefüllten Filament aufgebaut. Das Material ist genauer als RBAO (reaction bonded aluminium oxide) zu bezeichnen. Dieses führt in anschließenden Entbinder- sowie Sinterprozessen zu erheblichen Vorteilen. Im Allgemeinen werden die additiv gefertigten Strukturen entbindert und gesintert, sodass ein poröser keramischer Formkörper entsteht. Diese Träger können für einzelne Anwendungen bei entsprechender Porengröße und Porosität bereits als Membran verwendet werden. Hauptsächlich dienen sie aber der Beschichtung mit keramischen Schlickern, sodass Poren im Nanometerbereich entstehen. Der aktuelle Stand unserer Forschung erreicht keramische Membranen mit 0,07 µm Porengröße. 

Ein weiteres Themenfeld ist die Nachbearbeitung der additiv gefertigten Grünkörper. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt werden Methoden untersucht die Oberfläche der Träger zu glätten. Die im 3D-Druck entstehende Layerstruktur, übereinander abgelegter Schichten, muss bearbeitet werden, um funktionale Beschichtungen für eine Membran aufzubringen. 

Im Vortrag wird die gesamte Prozesskette aus CAD-Konstruktion, Slicing, additiver Fertigung, Entbinder- und Sinterprozessen sowie weiterer Nachbearbeitung und Beschichtung dargestellt und auf die realisierte Porenstruktur sowie Membranbeschaffenheit eingegangen.

Hans Georg Pensel ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Sci-Tec der Ernst-Abbe-Hochschule Jena und arbeitet im Thüringer Wasser-Innovationscluster im Projekt Technische Niere. Mehr Informationen finden Sie hierExterner Link.