Additive Fertigung (ADD)

In den letzten Jahren hat die additive Fertigung (engl. additive manufacturing, AM) die Möglichkeit der Fabrikation stark erweitert. Mit konventionellen Methoden schwer herstellbare Bauteile können nun innerhalb weniger Stunden gefertigt werden. Insbesondere in der Verfahrenstechnik werden so neue Apparate, die an die gewünschte Funktion optimal angepasst sind, möglich. Am IMVT wird AM für die folgenden Bereiche erforscht:

  • Trenntechnik
  • Reaktionstechnik
  • Wärmeübertragung

 

Die Vorteile von AM in der Verfahrenstechnik werden durch folgende Methoden erarbeitet:

  • Anpassung der AM-Prozesse
  • Konstruktionsmethoden „Design for AM“
  • Simulationsbasierte Optimierung

 

Für die Forschungsprojekte stehen uns folgende Drucker zur Verfügung:

 

In diesem Video stellt einer unserer Doktoranden die Grundprinzipien dieser Fertigungsverfahren vor:

[Hinweis: Sie werden weitergeleitet auf folgende Website: https://youtu.be/9NeYRdtLotE]

Kontakt: Christoph Klahn

 

Elektromagnetische Aktivierung (EEX)

Eine zunehmende Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom wird im Rahmen der Energiewende erwartet, deshalb ist die Aktivierung von thermodynamisch steigenden Umwandlungen zur Synthese von Materialien und Kraftstoffen eine vielversprechende Herangehensweis für den Gebrauch von fluktuierender Überschussenergie.


Unser Team fokussiert sich auf die Gewinnung und Integrierung von erneuerbarer Energie mit Katalyse für die Produktion und Umwandlung von Energieträgern. Mittels elektromagnetischer Energie als Schnittstelle zwischen Chemie, Katalyse, Thermodynamik und erneuerbaren Ressourcen entwickeln und zeigen wir neue Umwandlungswege. Wir ergänzen unsere Arbeit gerne mit numerischen Methoden, um Einsichten zu erhalten, die die Entwicklung und das Design von neuen Reaktionsmitteln und -prozessen ermöglichen.

 

Unsere Forschung umfasst:

  • Energiespeicherung. Wasserstoffspeicherung und -freisetzung. Unsere patentierte Technologie für die Freisetzung von gespeichertem Wasserstoff mit Mikrowellen ist ein Beispiel.

 

 

  • Gewinnung erneuerbarer Energie. Konzeptualisierung, Design und Entwicklung von Geräten, die grüne Elektrizität oder Solarenergie für katalytische Umwandlungen nutzen. Unser plasmonischer Mikroreaktor ist der erste kontinuierliche Photoreaktor, der unter überkritischem CO2-Druck (bis zu 120 Bar) arbeiten kann.

 

 

  • Plasmakatalyse. Als Teil des KIT-PlasmaLabs (Zusammenarbeit mit IHM) fokussieren wir uns auf die Umwandlung von zahlreichen und stabilen Molekülen wie Wasser, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Methan in nützliche Produkte.

 

 

 

 

  • Neue katalytische Strukturen. Die effiziente Nutzung der durch Elektromagnetismus aktivierte Elektronen benötigt Materialien mit stimmbaren Eigenschaften. Als ein Beispiel im Bereich der visuellen Wellenlängen waren wir die Ersten, die auf transparentem Silika-Aerogel basierende plasmonische Katalysatoren hergestellt haben.

Kontakt: Dr. Alexander Navarrete Munoz

 

Flüssige u. disperse Systeme (LIQ)

Die Gruppe Flüssige u. disperse Systeme (LIQ) befasst sich mit der chemischen Verfahrenstechnik von Flüssigphasenreaktionen.

 

Dazu werden hocheffektive, mikrostrukturierte Mischer ausgelegt und nach Fertigung experimentell charakterisiert. Die Interpretation der experimentellen Ergebnisse erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem CFD-Team, welches auf dem Gebiet der fluiddynamischen Simulation aktiv ist.

 

Mikrostrukturierte Apparate werden auch zur Herstellungen von Emulsionen eingesetzt und für diesen Zweck charakterisiert.

 

Schnelle stark exotherme Reaktionen in flüssiger Phase sind ein optimales Einsatzfeld für mikrostrukturierte Apparate. Bei diesen Reaktionen hängt oft die Selektivität von der Mischung der Ausgangsstoffe und der Wärmeabfuhr während des Mischungsvorgangs und der Reaktion ab. Durch die Kombination einer effektiven Mischung mit sehr guter Wärmeabfuhr ist es möglich, hohe Selektivitäten bei Reaktionen zu erzielen, bei denen konventionelle Techniken scheitern.

 

Es ist uns auch ein besonderes Anliegen, die untersuchten Prozesse und die entwickelten Apparate in den technischen Einsatz zu bringen.

 

Kontakt: Manfred Kraut

 

Katalytisch aktive Beschichtungen

Die Gruppe „Katalytisch aktive Beschichtungen“ (CAT) befasst sich mit Konzepten und Methoden für die Herstellung und Charakterisierung hierarchisch strukturierter Katalysatoren sowie deren Anwendung in zahlreichen Reaktor- und Reaktionssystemen. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der präzisen und gleichmäßigen Abscheidung von hochleistungsfähigen Katalysatorschichten beispielsweise in mikrostrukturierten Reaktoren. Die präparativen Arbeiten werden dabei durch theoretische Simulationen begleitet, wodurch ein rationales Design der Katalysatoren/Katalysatorschichten und Reaktoren ermöglicht wird. Im besonderen Fokus der Gruppe stehen neuartige Katalysatorsysteme und -konzepte wie etwa bifunktionelle Kern-Schale-Katalysatoren, intermetallische Verbindungen und integrierte Systeme mit in-situ Produktabtrennung durch Membranverfahren. Die Gruppe ordnet sich thematisch und organisatorisch ein zwischen dem Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) und dem Institut für Katalyseforschung und ‑technologie (IKFT).

 

Anwendungsgebiete

  • Einstufige Synthese von Dimethylether

  • Dampfreformierung von Methan mit integrierter Wasserstoffabtrennung

  • Selektive Hydrierung von Acetylen

  • Photokatalytischer Abbau von Mikroschadstoffen in wässrigen Medien

 

Präparative Methoden

  • Flammensprühpyrolyse zur Herstellung nanoskaliger Katalysatoren

  • Tintenstrahldruck

  • Sputtern (DC Magnetron)

  • PVD/CVD

  • Tauchbeschichtung und Siebdruckverfahren

 

Charakterisierungsmethoden

  • Optische Methoden zur Ermittlung von Oberflächenmorphologie und ‑zusammensetzung (REM, optische 3D-Profilometrie, Elektronenstrahl Mikrosonde mit WDX)

  • Chemiesorption (TPR/TPD) und TPO

  • Tieftemperatur Stickstoffsorption

  • Langatatkristall Mikrowaage (Physisorption unterschiedlicher Spezies bei erhöhtem Druck und Temperatur)

  • Kinetische Studien und reaktionstechnische Validierung (µ-Berty- und Mikrostrukturreaktoren)

Kontakt: Michael Rubin

 

Kontinuierliche Elektrosynthese (CES)

Elektrokatalytische Herstellung von nachhaltigen Energieträgern und Chemikalien

 

Die Gruppe „Kontinuierliche Elektrosynthese“ befasst sich mit der Elektrifizierung von chemischen Reaktionen für die Herstellung von hochwertigen Chemikalien, wie z.B Brennstoffe, Grundchemikalien für die Industrie und Pharmazie. Hierzu werden elektrochemische Verfahren wie z.B. die Elektrolyse und Elektrodialyse untersucht und weiterentwickelt um effiziente, resourcenschonende und nachhaltige Prozesse zu designen.

 

Die Arbeiten umfassen die Synthese und Untersuchung neuer Materialien u.a. durch hochautomatisierte Screeningmethoden, die Herstellung von Komponenten für elektrochemische Zellen und der Test dieser Zellen in elektrochemischen Reaktoren vom Labormaßstab  (einige Quadratzentimeter) bis zur Technikumsgrösse (bis zu Quadratmetern).


Unsere Projekte tragen damit zur Prozessentwicklung und -intensivierung für Power2X Technologien bei und legen die Grundlagen für die Entwicklung von Pilot- und Demonstrationsanlagen.


Kontakt: Peter Holtappels

 

 

Nachhaltige Photochemie und Photokatalyse für die Umwandlung von Solarenergie


Die photokatalytische Reformierung zur Wasserstoffentwicklung ist ein nachhaltiger Prozess zur Umwandlung von Sonnenenergie in kohlenstofffreien, sauberen Kraftstoff. Wir konzentrieren uns auf die Entwicklung und Erforschung hocheffizienter photokatalytischer (photoelektrokatalytischer) Plattformen für die Herstellung von Kraftstoffen und erneuerbaren Rohstoffen.

 

 

  • PhotokatalytischeCO2-Reduktion in einem Mikroströmungsreaktor
  • Verbesserte Wasserstoffentwicklung durch photokatalytische Wasserspaltung (BMBF-Projekt FPortSolH2 steht im Zusammenhang mit „Solarer Wasserstoff“)

 

Kontakt: Jinju Zhang

 

Mikroapparatebau (FAB)

Die Gruppe Mikroapparatebau (FAB) befasst sich mit dem Entwurf, der Auslegung, Konstruktion, Fertigung und Validierung von komplexen Mikrostrukturapparaten vom Labormaßstab bis hin zu Prototypen für den industriellen Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen. Weiterhin werden Mikrostrukturierungsverfahren optimiert und neu entwickelt. Die Gruppe besteht zurzeit aus 12 Mitarbeitern und beinhaltet die Arbeitsbereiche Konstruktion, Mikrofertigung, 3D-Druck und Qualitätskontrolle. Die Dienstleistungseinheit Berufliche Ausbildung (BEA) wird bei der Ausbildung in den Bereichen Produktdesigner/in und Technische/r Industriemechaniker/in unterstützt.

Der Bereich Konstruktion ist für die Auslegung und Konstruktion von Mikrostrukturapparaten nach Druckgeräterichtlinie und AD 2000 Regelwerk verantwortlich.

Im Technikum Mikrofertigung werden Mikrostrukturapparate vom Labormodul bis hin zum Produktionsmaßstab gefertigt. Weiterhin können mit Hilfe von 3D-Druckverfahren (additive Fertigung) kleine Bauteile sowie Musterteile und Prototypen hergestellt werden.

Zur Qualitätskontrolle der Mikrostrukturapparate stehen verschiedene Teststände zur Verfügung.

 

Abb. 1: Produktionsreaktor mit integrierten, gekühlten Mikromischern für industriellen Durchsatz von >1 t/h, seit 2004 im Einsatz

Abb. 2: Additiv gefertigtes Strömungsleitelement

Power-to-X-Pilotanlagen

... in Bearbeitung

Werkstofftechnologie (MAT)

Die Gruppe Werkstofftechnologie (MAT) leistet Querschnittsaufgaben zur Herstellung mikroverfahrenstechnischer Apparate. Es erfolgen werkstofftechnische und anwendungsspezifische Beratung zu Werkstoffeinsatz und Fertigungsaspekten für andere Arbeitsgruppen.

Je nach spezifischem Anwendungsfall werden neue geeignete Werkstoffe ausgewählt.

Für verschiedene Werkstoffe werden die Fügeparameter für das Diffusionsschweißen, angepasst an das Design, optimiert. Durch spezielle Prozessführung wird ein verformungsarmes bzw. verformungskontrolliertes Fügen mikroverfahrenstechnischer Bauteile sichergestellt.

Mittels Laserschneiden können komplex geformte Blechzuschnitte oder Redesigns in verschiedensten Metallen und Legierungen in kürzester Zeit in-house realisiert werden.

Ein komplett ausgestattetes Metallografielabor erlaubt eine schnelle Präparation von Proben für lichtmikroskopische und Mikrosonden-Untersuchungen. Neben zwei Trennmaschinen für verschieden große Proben stehen eine Schleif- und Poliermaschine sowie Möglichkeiten zum chemischen Ätzen bereit.
Mikroskopische Untersuchungen erfolgen mit verschiedenen Lichtmikroskopen und einem Rasterelektronenmikroskop JEOL JSM 6300.
Eine Feldemissions-Mikrosonde JEOL JXA 8530F mit EDX und fünf Spektrometern erlaubt die hochgenaue Bestimmung der chemischen Zusammensetzungen im Mikrobereich sowie von Elementverteilungen auch für leichte Elemente.


Ausstattung

 

Kontakt:

Kontaktdaten zu weiteren Mitarbeitenden der genannten Gruppen

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