Rapid prototyping of membranes and membrane devices

Femmer, Tim; Steinseifer, Ulrich; Wessling, Matthias

doi:HT018797463

Rapid prototyping of membranes and membrane devices = Rapid Prototyping von Membranen und Membran Devices

Femmer, Tim

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tim Femmer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor) ; Steinseifer, Ulrich (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-09-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-060809
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540792/files/540792.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540792/files/540792.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; additive manufacturing (frei) ; rapid prototyping (frei) ; 3D-printing (frei) ; 3D-Druck (frei) ; Membrane (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Rapid Prototyping ist ein generatives Fertigungsverfahren, welches Bauteile in einem schnellen Verfahren Schicht für Schicht fertigt. Eine drei-dimensionale Bauteildatei wird virtuell in Scheiben geschnitten und anschließend in einem Rapid Prototyper produziert. Dabei werden die einzelnen Scheiben nacheinander zu einem fertigen Bauteil verbunden. Hierdurch können Bauteile mit Geometrien realisiert werden, die mit klassischen Verfahren nicht gefertigt werden können. Ein spezielles Verfahren ist Digital Light Processing, welches einen flüssigen, photosensitiven Kunststoff durch Lichteinwirkung polymerisiert und so feste Bauteile mit freien Hohlräumen entstehen lassen kann. In der Membrantechnik findet Rapid Prototyping bisher kaum Anwendung. Diese Arbeit zeigt wie Rapid Prototyping, insbesondere Digital Light Processing, in der Membrantechnik genutzt werden kann. Im Fokus ist zum einen die Herstellung von Membranen durch Rapid Prototyping und zum anderen die Herstellung von Membranmodulen. Nach einem Literaturüberblick über Rapid Prototyping und seiner Anwendung in der Verfahrenstechnik werden neuartige Membrangeometrien erforscht und deren Einflüsse auf Stofftransport und Druckverlust analysiert. Danach zeigt diese Arbeit die ersten beiden Möglichkeiten Membranen mit Hilfe von Rapid Prototyping drei-dimensional herzustellen. In beiden Methoden bestehen die Membranen aus einem silikonbasierten Kunststoff der exzellente Gastransporteigenschaften besitzt. In Anschluss wird die Designfreiheit des Rapid Prototyping genutzt um ein neuartiges Membranmodul zur in-situ Produktgewinnung in Bioreaktoren zu fertigen. Das entwickelte Membranrührermodul ist einzigartig in Funktion und Design und darüber hinaus mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht zu herstellbar. Zum Abschluss werden Chancen und Möglichkeiten für Rapid Prototyping von dichten und porösen Membranen analysiert sowie das Potenzial zum Bau von verbesserten Membranmodulen aufgezeigt.

Rapid prototyping, additive manufacturing and solid free-form fabrication describe technologies that translate virtual computer added design data into physical models in a fast process. The model data is divided into multiple two-dimensional cross sections of a certain thickness. The cross sections are processed by the prototyping device in order to combine and join them together in a layer-by- layer fashion into a physical part. Rapid prototyping offers freedom of design which gives access to novel shapes and geometries. Digital light processing is a rapid prototyping technique employing photopolymerization processes to additively assemble parts. It involves a liquid photopolymer in a vat that is cured throughout light activation.This thesis describes how rapid prototyping, especially digital light processing, can be applied in the field of membrane technology. The aim of this thesis is to establish a bridge between both fields and show new opportunities by focusing on the fabrication of membranes via rapid prototyping first and pursuing the design of novel membrane devices next. A literature review on rapid prototying and it’s application in process engineering is followed by the development and analysis of new membrane ge- ometries regarding mass transport and pressure drop. Furthermore, the two unprecedented methods of membrane fabrication via rapid prototyping are described. Both methods fabricate membranes are based on silicon polymers with excellent gas transport properties. Moreover, a novel membrane module is manufactured using the freedom of design of rapid prototyping. The developed membrane stirrer device for in-situ product recovery in a bioreactor is unique in function and design and remains inaccessible with conventional manufacturing techniques.Finally, additional applications in the field of rapid prototyping of dense and porous membranes are analyzed and the potential of rapid prototyping for advanced membrane modules are technology are revealed.

OpenAccess:
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