Additiv gefertigte Keramikkatalysatoren für chemische Prozesse

Katalysatoren kommen in zahlreichen chemischen Prozessen zum Einsatz, um Reaktionen zwischen Gasen oder Flüssigkeiten zu beschleunigen und Abläufe effizienter, wirtschaftlicher sowie nachhaltiger zu gestalten. Die Leistungsfähigkeit hängt dabei maßgeblich von der Geometrie der Trägerstruktur ab. Genau an dieser Schnittstelle eröffnet die additive Fertigung neue Möglichkeiten.

Die Herausforderung: Oberfläche, Durchströmung und Stabilität vereinen

Katalysatorträger müssen eine möglichst große Oberfläche für die katalytisch aktive Beschichtung mit günstigen Strömungseigenschaften kombinieren, um Medien gleichmäßig durch den Reaktor zu führen. Hinzu kommen hohe Prozesstemperaturen, chemisch anspruchsvolle Umgebungen und mechanische Belastungen.

Während etablierte Trägergeometrien jeweils spezifische verfahrenstechnische Vorteile für bestimmte Anwendungen bieten, stießen Entwickler bei der simultanen Optimierung von Durchmischung, definiertem Strömungsverhalten und mechanischer Festigkeit bisher an fertigungstechnische Grenzen. Die additive Fertigung bietet hier einen neuen Ansatz, um diese Parameter gezielt miteinander zu kombinieren.

Geometrie als Leistungsfaktor

Für den vorliegenden Anwendungsfall wurde eine periodische Diamantstruktur (Periodic Open Cell Structure, POCS) verwendet. Die filigranen Stege orientieren sich an den Bindungsstrukturen eines Diamantgitters und bilden ein hochporöses Netzwerk. Gase oder Flüssigkeiten strömen durch die Struktur und kommen dabei mit der aufgebrachten katalytisch aktiven Schicht in Kontakt.

Die Geometrie ermöglicht eine kontrollierte, turbulente Durchmischung der Reaktionsmedien, da das Medium an den Stegkreuzungen permanent im 145°-Winkel umgelenkt wird. Oberfläche, Porosität und Strömungsverhalten können exakt ausgelegt und per numerischer Strömungsmechanik (CFD) simuliert werden. Das Design lässt sich somit präzise an die Anforderungen des jeweiligen Prozesses anpassen.

Warum technische Keramik?

Für Anwendungen in der chemischen Verfahrenstechnik werden seit vielen Jahren keramische Trägerstrukturen eingesetzt. Das hier verwendete Aluminiumoxid Alumina zeichnet sich nach dem Sinterprozess durch eine Reinheit von 99,99 % sowie eine relative Dichte von 98,6 % aus. Der Werkstoff besitzt eine hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Stabilität gegenüber sauren oder alkalischen Medien sowie eine ausgeprägte Verschleißfestigkeit. Er eignet sich daher hervorragend als Trägermaterial für katalytisch aktive Beschichtungen unter anspruchsvollen thermischen und mechanischen Betriebsbedingungen. Die direkte additive Fertigung des gesamten Bauteils aus technischer Keramik gewährleistet robuste Strukturen, die auch unter anspruchsvollen Bedingungen langzeitstabil eingesetzt werden können.

Additive Fertigung ermöglicht neue Katalysatorstrukturen

Die Herstellung erfolgt mittels LCD-basierter Stereolithografie auf Basis der Low Force Display™ (LFD) Technologie. Das Verfahren nutzt eine hochauflösende LCD-Maske zur flächigen Schichtbelichtung, kombiniert mit minimierten Abzugskräften während des Trennvorgangs. Dies ermöglicht die präzise und wiederholgenaue Umsetzung filigraner, periodischer Gitterstrukturen. Die additive Fertigung bietet dabei Gestaltungsfreiheit und die reproduzierbare Einhaltung enger Toleranzen. Bei diesem Bauteil werden Maßhaltigkeiten von unter 200 µm erreicht, wodurch die Spezifikationsvorgaben des Kunden von maximal 0,5 % Abweichung vom Nennmaß prozesssicher eingehalten werden.

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Die prozesssichere thermische Nachbehandlung

Die verfahrenstechnische Herausforderung bei der additiven Serienfertigung großformatiger und hochporöser Geometrien liegt in der Beherrschung der nachgelagerten thermischen Prozesse. Keramische Bauteile werden nach dem Druck entbindert und gesintert. Dabei treten temperaturbedingte Spannungen und signifikante Schwindungsprozesse auf, die insbesondere bei großen und gleichzeitig filigranen Strukturen ohne präzise Prozesskontrolle zu Verzug oder Rissbildung führen können.

Als industrieller Auftragsfertiger stimmt Sinto Advanced Ceramics das Bauteildesign, die eingesetzte Suspension und die thermische Prozessführung standardmäßig exakt aufeinander ab. Nur durch diese lückenlose Kontrolle der gesamten Prozesskette lässt sich die komplexe Gitterstruktur reproduzierbar und rissfrei in Serie herstellen. Insbesondere die Kombination aus Bauteilgröße, filigraner Diamantstruktur und rissfreier keramischer Ausführung wird in der Fachwelt häufig als bemerkenswert wahrgenommen.

Wirtschaftlichkeit und Skalierbarkeit in der Serienproduktion

Die eingesetzte LFD-Technologie ermöglicht einen kosteneffizienten Zugang zur additiven Fertigung technischer Keramik. Zusätzliche Produktionskapazitäten lassen sich bei Bedarf flexibel durch die Integration weiterer modularer Systeme im Werk aufbauen.

Bei Bauteilen dieser Größe beeinflusst der Materialeinsatz die Wirtschaftlichkeit maßgeblich. Die verwendete Struktur kombiniert eine hohe funktionale Oberfläche mit einer effizienten Materialnutzung. Da das gewählte Fertigungskonzept direkt für die Produktion industrieller Stückzahlen ausgelegt ist, bleiben Materialeigenschaften und Fertigungsparameter konstant, was Skalierungskosten minimiert.

Technische Projektdaten im Überblick

• Anwendung: Katalysatorträger für chemische Prozesse
• Material: Aluminiumoxid (Alumina, 99,99 % Al2O3)
• Fertigungsverfahren: Low Force Display™ (LFD) Technologie
• Abmessungen: Durchmesser 80 mm, Höhe 101 mm
• Masse: 313 g (einschließlich geschlossener Außenwand)
• Strukturabmessungen: Stegstärke 2 mm / Nennweite der Öffnungen 5 mm
• Besonderheiten: Periodische Diamantstruktur, turbulente Durchmischung (145°-Winkel)

Vom Katalysatordesign zur industriellen Fertigung

Der Katalysatorträger zeigt exemplarisch, welches Potenzial in der Kombination aus technischer Keramik und additiver Fertigung steckt. Die Geometrie wurde konsequent aus den Anforderungen des chemischen Prozesses heraus abgeleitet. Das Projekt verdeutlicht jedoch, dass die fehlerfreie Überführung der Struktur in den keramischen Zustand die eigentliche industrielle Kernkompetenz darstellt. Erst die reproduzierbare und rissfreie Fertigung macht aus einer vielversprechenden Konstruktion ein einsatzbereites Bauteil. Für Anlagenbauer eröffnet dies neue Freiheitsgrade, da Oberfläche, Strömung und Materialeigenschaften gemeinsam optimiert werden können.