Additive Fertigung als die Zukunft der grünen chemischen Ingenieurwissenschaften

Die chemischen Wissenschaften und das Ingenieurwesen haben herausragende Beiträge zur Erfüllung der Bedürfnisse unserer technologischen Gesellschaft und zur Verbesserung der Lebensqualität des Menschen geleistet, indem sie entscheidende Technologien für die Verarbeitung und Herstellung von hochvolumigen Grundgütern wie Reinigungsmitteln, Cremes, Desinfektionsmitteln, Pharmazeutika, Textilien, Kunststoffen, Kautschuken usw. ermöglicht haben. Die globalen Modelle der chemischen Herstellung haben sich seit der Kolonialzeit kontinuierlich weiterentwickelt, um sich an das sozioökonomische und politische Klima anzupassen. Angesichts des 21. Jahrhunderts sieht sich die chemische Herstellung globalen Herausforderungen verschiedenster Art gegenüber, die von der Erschöpfung natürlicher Ressourcen, dem Klimawandel und der wachsenden Bevölkerung bis hin zu nachhaltigem Leben, Umweltkonformität und personalisierter Gesundheitsversorgung reichen. Daher ist ein großer Bedarf an einer Wiederbelebung der chemischen Verarbeitungs- und Herstellungsindustrie, und als Reaktion darauf haben die Konzepte von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung weltweit Akzeptanz und Anerkennung gefunden. Diese Transformation vom bestehenden Zustand der chemischen Herstellung zur intelligenten Fertigung hängt jedoch stark von der Verfügbarkeit und Entwicklung fortschrittlicher Fertigungstechnologien und hochentwickelter Ausrüstung, Prozessintensivierung und effizienten Mikroreaktionstechnologien ab. Das Studium, die Gestaltung und das Engineering von Geräten zur Manipulation chemischer und physikalischer Phänomene steht im Mittelpunkt des chemischen Ingenieurwesens, da Geräte- und Reaktordesign direkt die Prozess- und Energieeffizienz, Leistung und Prozessökonomie bestimmen. Herkömmliche subtraktive und gießbasierte Fertigungstechnologien erweisen sich oft als unzureichend, um den Bedürfnissen des modernen chemischen Ingenieurwesens gerecht zu werden, das Fähigkeiten zur Herstellung komplexer Geräte mit komplexen internen Geometrien, Rapid Prototyping und schnelle Leistungstests erfordert. Diese fertigungsbezogenen Probleme können effektiv durch die Einführung und Integration von additiver Fertigung in die chemische Verarbeitungs- und Herstellungsindustrie gelöst werden. Während die Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Ingenieur- und Biomedizinindustrie sehr schnell AM-Technologien und die damit verbundenen Vorteile übernommen haben, hinkt die chemische Industrie aufgrund mangelnder Agilität und Anpassungsfähigkeit in industriellen chemischen Prozessen hinterher. Die Integration von AM in die chemische Industrie wird voraussichtlich zu weit verbreiteter Prozessautomatisierung, verbesserten Rohstoff- und Produktbeständen, digitaler Prozesssteuerung und Prozessintensivierung führen. Zukünftige chemische Reaktoren werden komplexe maßgeschneiderte Geräte sein, deren Design für Fluid- und Partikelströmung, Wärme- und Massentransport und Reaktionsthermodynamik optimiert ist. Wenn Reaktionen katalytisch sind, hängt die Leistung des Reaktors kritisch von mehreren Eigenschaften des Katalysators ab, sowohl physischen als auch chemischen. Während die intrinsischen chemischen Eigenschaften in Bezug auf Selektivität und Aktivität von der Wahl des Katalysators abhängen, sind andere wichtige Überlegungen, die mit der Effizienz und dem Design des Reaktors zusammenhängen, mit den strukturellen Eigenschaften des Katalysators verbunden, d. h. wie die aktive Phase des Katalysators in der Trägersubstanz verteilt ist, was die verfügbare Oberfläche, Porosität, Wärme- und Massentransfercharakteristika sowie die hydrodynamischen Druckdissipationen beeinflusst. Dieser Aspekt des strukturierten katalytischen Reaktordesigns, der auf einer funktionalen Integration der katalytischen und Reaktordesignschritte basiert, erhält auch aus Sicht der fortschrittlichen Fertigung zunehmend Aufmerksamkeit, um höhere Effizienzen und einen geringeren Energieverbrauch zu erreichen. In diesem Kapitel wird die Rolle der additiven Fertigung im Design von chemischen Reaktoren und Geräten von der Simulation und Reaktormodellierung bis hin zu demonstrierten Beispielen von additiv hergestellten Mikromischern, Mikrowärmetauschern und Mikroreaktoren erläutert, die die additive Fertigung eindeutig als die Zukunft des grünen chemischen Ingenieurwesens darstellen.