Forschen an neuen Produktionsanlagen, zu denen es bislang wenig Erfahrungswerte gibt: Dr. Klas Meyer, Dr. Michael Maiwald und Martin Bornemann-Pfeiffer (v.l.n.r.) aus der Prozessanalytik wollen die Sicherheit von Prozessen und Anlagen auf Herz und Nieren prüfen.
Quelle: BAM
Die chemische Prozessindustrie liefert Substanzen für Produkte aller Art – für Autositze, Bekleidungsmaterialen, Arzneien, Lacke, Farben und vieles mehr. Bislang werden diese Stoffe in fest installierten Produktionsanlagen hergestellt. Die BAM forscht an neuen smarten Produktionsmodulen, mit denen chemische Spezialanfertigungen flexibel und schnell produziert werden könnten.
Um die internationale Spitzenposition der deutschen Prozessindustrie zu sichern, müssen Unternehmen ihre Produktionsabläufe digitalisieren. Dafür sind neue Methoden, Anlagen, Sensoren und Automatisierungstechniken gefragt.
Tatsächlich erproben einzelne Firmen bereits den Einsatz der modularen Produktion. „Für die Herstellung kleinerer Mengen von Spezialchemikalien oder pharmazeutischen Grundstoffen können zukünftig Standardbauteile zu optimalen Produktionseinheiten kombiniert werden“, sagt Martin Bornemann-Pfeiffer vom Fachbereich Prozessanalytik der BAM. Werden einzelne Prozessschritte als standardisierte Module ausgelegt, ermöglicht dies eine größere Flexibilität der Anlagen. „Produktmengen können etwa durch Zu- oder Abschalten einzelner Module der aktuellen Nachfrage angepasst werden und neue Produktionsprozesse schneller etabliert werden.“
3D-gedruckter Mischer aus Keramik
Für eines dieser Module haben die BAM-Wissenschaftler mit Hilfe eines speziellen Simulationsverfahrens zunächst einen Mischer für chemische Reaktionen aus Keramik am Computer modelliert und anschließend im 3D-Verfahren ausgedruckt. Bestückt mit „geschickt ineinander geschachtelten Täfelchen“, wie Bornemann-Pfeiffer erklärt, homogenisiert der Mischer die Ausgangsprodukte, so dass am Ende ein Produkt in bester Qualität entsteht.
Martin Bornemann-Pfeiffer zeigt ein Modell zur Veranschaulichung: das Team hat einen Mischer für chemische Reaktionen aus Keramik am Computer modelliert und anschließend im 3D-Verfahren ausgedruckt.
Quelle: BAM
Die virtuelle Abbildung einer chemischen Reaktion
Das Besondere: Mit seinem Durchmesser von nur fünf Millimetern passt der Mischer in ein Kernresonanz-Spektrometer (NMR-Spektrometer). Damit können chemische Reaktionen in Echtzeit präzise und zuverlässig analysiert werden. „So verstehen wir die Prozesse besser“, sagt der Verfahrenstechniker, „und können sie gegebenenfalls optimieren.“ Parallel dazu messen die Wissenschaftler mittels Strömungssimulation, ob die Vermischung reibungslos abläuft. Sie modellieren den zeitlichen Ablauf der Reaktion. Aus den Daten der Simulation und den NMR-Analysen entwickeln sie am Rechner einen digitalen Zwilling des gesamten Reaktionssystems. Dieser digitale Zwilling bildet den Mischer und NMR samt aller Prozesse – auf Basis mathematischer Modelle – virtuell ab.
Mehr Sicherheit durch Qualitätskontrolle online
„Mit dem Zwilling können wir kontrollieren, ob die NMR-Messungen mit den Modellen übereinstimmen und nach Problemen im System suchen“, betont Dr. Klas Meyer, ebenfalls vom Fachbereich Prozessanalytik der BAM. „Zum Beispiel, ob sich im Mischer etwas zugesetzt hat.“. Zugleich werden die Modelle durch die kontinuierlichen Messwerte im Laufe der Zeit verbessert. Daraus ergeben sich umgekehrt Optimierungen für den Aufbau des realen Moduls. Man spricht auch von „cyber-physischen Produktionssystemen“. Die Entwicklungszeiten für neue Produkte reduzieren sich so enorm.
„Das sind völlig neue Produktionsanlagen, zu denen es bislang wenig Erfahrungswerte gibt“, sagt Dr. Michael Maiwald, Leiter der Prozessanalytik. „Wir an der BAM haben die Expertise, um die Sicherheit solcher Prozesse und Anlagen auf Herz und Nieren zu prüfen.“ Diese Kompetenz ist entscheidend, damit sich die chemische Industrie für die neuen Technologien öffnet.