Veröffentlicht am 16. September 2025
Reaktordesign per Express: Von der Software in den 3D-Druck
Die chemische Industrie steht vor einem Paradigmenwechsel: Während traditionell gefertigte Reaktoren oft monatelange Planungs- und Fertigungsprozesse durchlaufen, ermöglicht die additive Fertigung völlig neue Designansätze für verfahrenstechnische Apparaturen. Doch genau hier gibt es noch Hürden zu überwinden. Als Reaktorentwickler berichtet Mertcan Kaya vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT aus eigener Erfahrung: „In der additiven Fertigung können wir Geometrien umsetzen, die konventionell nicht herstellbar sind. Gleichzeitig müssen die neuartigen Reaktoren aber mechanisch stabil und verfahrenstechnisch effizient gestaltet sein. Das ist komplex – und darauf sind branchenübliche Konstruktionsprogramme noch nicht ausgerichtet.“ Mit seiner neuentwickelten Automatisierungslösung will Kaya diese Lücke schließen.
Additive Fertigung trifft Automatisierung
Was für ihn als Doktorarbeit im Rahmen des Verbund-Forschungsprojekts „3D-PROCESS“ mit Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (FKZ 03EN2065E) begann, reifte zur vielversprechenden Entwicklungsplattform „ReacTUNE“. Von 2021 bis 2024 arbeitete Kaya am IMVT in der Gruppe von Prof. Christoph Klahn mit Partnern wie Siemens, Evonik, INERATEC und dem Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) des KIT an der Ausgestaltung. „Im Projekt ging es insgesamt darum, die Vorteile der additiven Fertigung in die Chemieindustrie zu bringen und dafür auch die digitalen Prozesse zu entwickeln – und zwar so, dass Reaktoren effizienter, kompakter und passgenauer auf die Anwendung zugeschnitten sind. „Meine Motivation war von Anfang an, dass die Ergebnisse meiner Doktorarbeit konkrete Probleme der Industrie lösen“, sagt Kaya.
Vom Einzelfall zur Systemlösung
In einem Teilprojekt widmete er sich dem Reaktordesign für die chemische Verfahrenstechnik. Schon bald erkannte Kaya das Potenzial, dass sich dieser Prozess weitgehend automatisieren lässt und entwickelte eine Systemlösung. Die Validierung erfolgte am Fallbeispiel der Methanolsynthese – einem wichtigen Baustein für Power-to-X-Technologien. Bei diesem Prozess werden hohe Drücke (bis 50 bar) und Temperaturen (zwischen 220 und 280 Grad Celsius) benötigt, was besondere Anforderungen an das Reaktordesign stellt. „Ziel war es, die Methanolsynthese-Reaktoren zu optimieren und für die additive Fertigung fit zu machen. Alle waren zufrieden, weil wir zeigen konnten, dass die Designautomation in der Verfahrenstechnik funktioniert. Der Vorteil von additiver Fertigung ist, dass sich maßgeschneiderte Geometrien aufbauen lassen. Mit ReacTUNE gelingt das ohne jahrelange Konstruktionserfahrung. Die automatisiert designten Reaktoren unterscheiden sich deutlich von klassisch gefertigten Exemplaren“, so Kaya. Die Automatisierung verkürzt nicht nur die Entwicklungszeit drastisch, sondern kann auch die Qualität der Entwürfe erhöhen.
Automatisierung als Turbo
Normalerweise erfordert die Konstruktion eines Reaktors zahlreiche manuelle Arbeitsschritte in unterschiedlichen Software-Tools – von CAD (Computer-Aided Design, also Konstruktionssoftware) über CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics, Strömungssimulation) bis hin zur FEM (Finite-Elemente-Analyse, eine Methode zur Berechnung der mechanischen Stabilität). „Zuerst wird ein CAD-Modell erstellt, anschließend separate Simulationsläufe für Strömung und Festigkeit durchgeführt, die Ergebnisse interpretiert und Änderungen von Hand im Modell einpflegt“, erklärt Kaya den gängigen Ablauf. Dieser Zyklus wiederholt sich oft dutzende Male und dauert nicht selten mehrere Wochen. Jeder Iterationsschritt bindet hochqualifizierte Fachkräfte und verursacht Kosten. Kayas aufgebaute Plattform verkürzt diesen Prozess auf ein Minimum und verspricht eine grundlegende Veränderung in der Verfahrenstechnik. Statt monatelanger Entwicklungszyklen ermöglicht ReacTUNE die schnelle Iteration verschiedener Reaktorkonzepte und die direkte Umsetzung mithilfe der additiven Fertigung. Zum einen sinkt die Entwicklungszeit, zum anderen auch das Risiko, in späten Projektphasen auf grundlegende Konstruktionsprobleme zu stoßen. „Besonders wertvoll ist dabei die Möglichkeit, bei der additiven Fertigung Sensoren direkt in den Reaktor zu integrieren. So lassen sich chemische Reaktionen auch im Inneren des Bauteils überwachen – ein Vorteil, den konventionell gefertigte Reaktoren nicht bieten“, betont Kaya.
Reaktoren digital tunen
ReacTUNE, abgeleitet von Reaktor und Tuning, ist eine IT-Plattform, die den gesamten Konstruktionsprozess automatisiert – vom ersten Entwurf bis zur fertigen Datei für den 3D-Druck im STL-Format. Es wird nicht nur ein individualisiertes Design generiert, sondern dank integrierter sequenzieller Optimierungsprozesse der Bestfall ermittelt. Derzeit ist ReacTUNE auf das additive Metallverfahren Laserstrahlschmelzen ausgelegt, in Fachkreisen bekannt als Powder Bed Fusion Laser-Based Metal (PBF-LB/M). Fertigungstechnische Grenzen wie Bauraumgröße oder bestimmte Konstruktionsregeln sind in die Automatisierungsplattform bereits integriert. „Basierend auf den individuellen verfahrenstechnischen Parametern, wie beispielsweise Volumenstrom, Material und Zielgröße, generiert ReacTUNE die optimale Geometrie und verbessert sowohl das Reaktordesign als auch die Prozessparameter, um das definierte Ziel bestmöglich zu erreichen. In unserem Fallbeispiel entstand innerhalb von 45 Minuten ein druckbares Reaktordesign für die Methanolsynthese“, berichtet Kaya stolz. „Damit können Unternehmen nicht nur schneller reagieren, sondern auch mehr Varianten in kürzerer Zeit testen – ein entscheidender Wettbewerbsvorteil in innovationsgetriebenen Märkten“, betont der Entwickler. Die Innovation liegt in der intelligenten Verknüpfung verschiedener Simulationswerkzeuge zu einem vollautomatisierten Designprozess.
Technik im Hintergrund, Mehrwert im Vordergrund
Die Software arbeitet nach dem Prinzip des Knowledge Based Engineering, bei dem verfahrenstechnisches Wissen digitalisiert und automatisiert angewendet wird. Mithilfe dieser Wissensbasis erstellt die Plattform eigenständig Geometriemodelle, koppelt sie mit Simulationen und bewertet die Ergebnisse vollautomatisch. Anwendende geben ihre Prozessparameter ein – etwa Katalysatorgröße, Porosität oder gewünschte Produktionsmenge – und die Plattform erledigt den Rest. Nutzende haben dennoch Mitspracherecht und können favorisierte Entwürfe auswählen. Änderungen werden sofort integriert, bis ein optimiertes Enddesign vorliegt. „Statt jede Geometrie manuell zu entwerfen, in verschiedenen Softwaretools zu simulieren und iterativ zu verbessern, geschieht dieser Prozess vollautomatisch und datenbasiert – reproduzierbar und jederzeit anpassbar“, macht Kaya klar. Prof. Klahn ergänzt, dass sich damit die Rolle der Ingenieure verändert: „Statt jedes einzelne geometrische Element zu konstruieren, definieren sie jetzt die Regeln, nach denen die Elemente erzeugt werden.“ Die Arbeit wird damit deutlich konzeptioneller und kreativer.
Partner für die Zukunft gesucht
Zwar wurde ReacTUNE zunächst für die Methanolsynthese entwickelt, doch die Plattform ist flexibel. „Unsere Lösung ist kein starres Werkzeug, sondern eine Entwicklungsumgebung, die sich an unterschiedliche Reaktionen und Anforderungen anpassen lässt. Technische Parameter, wie Steifigkeit und Festigkeit, sind häufig ähnlich. Wichtig ist aber die chemische Reaktion zu verstehen und entsprechend in der Software zu berücksichtigen“, sagt Kaya. Für den nächsten Schritt sucht das das Team von Prof. Klahn Anwendungspartner, die eigene Reaktoren mithilfe der Plattform optimieren möchten. Interessant sind vor allem Branchen mit hohem Potenzial für die additive Fertigung, wie Direct Air Capture, Gassynthese oder pharmazeutische Verfahren. Wer also Prozesseffizienz steigern und Fertigungsinnovationen nutzen möchte, könnte in ReacTUNE den passenden Hebel finden: „Wir suchen Unternehmen, die Reaktoren oder Apparate optimieren wollen und dafür bereit sind, neue digitale Wege der Produktentwicklung zu gehen. Am Ende wird nicht nur Metall gedruckt, sondern auch ein Stück Zukunft“, so Kaya. In der nächsten Entwicklungsstufe soll die Plattform so weiterentwickelt werden, dass sie für Kunden einfacher zugänglich und nutzbar wird. Kaya möchte als Gründer mit ReacTUNE durchstarten. Dafür sucht der Entwickler noch einen Co-Founder aus dem Fachbereich Strömungsmechanik mit Spezialisierung auf CFD-Simulation.
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