Additive-FertigungExentis: Bester Wirkungsgrad mit 3D-Siebdruck
Die Exentis Technology GmbH in Jena, eine Tochter der Exentis Group AG, überzeugt mit der Herstellung eines volumetrischen Receivers mittels 3D-Siebdruck im Förderprojekt „HiTRec3D -Entwicklung und Qualifizierung dreidimensional profilierter Absorber für den offenen volumetrischen HiTRec-Receiver (HiTRec: High Temperatur Receiver)“. Das Projekt wird vom Forschungsinstitut des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR), Köln, geleitet und es geht um die Entwicklung eines Solarturm-Receivers als Energiequelle zur Herstellung solaren Stroms.
Extrudierter SiSiC-Monolith (HiTRec) als Stand der Technik.
Volumetrische Receiver werden bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt, um Solarenergie an die Luft zu übertragen und bestehen gemäß heutigem Stand der Technik aus einer Gitterstruktur. Ziel ist es einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der austretenden Luft zu erreichen, unabhängig von der Einstrahlrichtung. Dabei spielen die Struktur und das Material des Receivers eine entscheidende Rolle.
Waben aus profilierten Metallfolien (EmiRec).
Die Wahl der Technologie
Die Exentis lieferte mit einer mittels 3D-Siebdruck-Verfahrens hergestellten Struktur das überzeugendste Ergebnis unter drei Mitbewerbern. Der filigrane Teil aus siliziuminfiltriertem Siliciumcarbid (SiSiC) weist eine optimierte Struktur auf, besitzt praktisch keine Restporosität und zeigt im Versuch unter Laborbedingungen den besten Wirkungsgrad-Vorteil in einem Temperaturbereich von 100 bis 700 °C (Luftaustrittstemperatur), unabhängig von der Einstrahlrichtung.
Das Institut für Solarforschung entwarf ein Design mit Pins (kleinen Nadeln) mit einer möglichst dünnen Reflexionsfläche. Das Design wurde bei Exentis auf Machbarkeit überprüft und die Nadeln wurden durch kreuzförmige Stifte ersetzt. Die Stifte stehen auf einem gitterartigen Körper mit zwei versetzten Strukturen. Die Spitze ist dünner als ihre Basis, damit die Sonnenstrahlen tief in den Absorber geleitet werden.
Die Exentis-Lösung (StepRec): Optimierte Struktur durch Simulation.
Das Verfahren an sich
Das Verfahren baut auf dem Siebdruck auf. Dabei wird eine Paste mit einer Rakel durch das Sieb gedrückt, auf einen Werkstückträger aufgedruckt und getrocknet. Bei der Additiven Fertigung mit Siebdruck wird dieser Schritt wiederholt bis zur Erreichung der vordefinierten Höhe. Die Struktur im Bauteil kann dabei durch Siebwechsel variiert werden. Dieses Verfahren erfordert dabei ein hohes Mass an Prozessstabilität. Das wird durch die Präzision der Exentis-Produktionseinheiten, die Flexibilität bei der Pastenformulierung, die intern gefertigten und geeigneten Siebe sowie die ermittelten Druckparameter ermöglicht. Im Fall der volumetrischen Receiver wurde eine Paste mit Siliziumcarbid (SiC) und Kohlenstoffpulver für eine gute Infiltration und Stabilität der Grünlinge entwickelt.
Die Geometrie wurde durch den Einsatz von fünf verschiedenen Sieben ermöglicht: a) Exentis-Lösung (StepRec) im Detail mit Bereich. b) Struktur vom ersten Sieb: Quadratische Kanäle mit Breite 2,29 mm/Wandstärke 0,44 mm. c) Struktur vom zweiten Sieb: Versetzte quadratische Kanäle. d-f) Struktur vom dritten bis fünften Sieb: Kreuzförmige Stifte, die mit jeder Stufe kleiner werden, um die reflektierende Oberfläche senkrecht zu den auftreffenden Sonnenstrahlen zu minimieren.
Die Sinterung
Gesintert wurden die Grünlinge von der FCT Systeme GmbH, einem innovativen Hersteller von Hochtemperaturöfen zum Sintern von vorwiegend nicht-oxidischem Material. FCT entwickelte eine effiziente Sintermethode, welche das Entfernen der Binder und die Silizium-Infiltrierung im gleichen Schritt erlaubt.
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