Kennzahlen zur Maßstabsvergrößerung der Hochdurchsatzproduktion von kristallinen Submikrometersphären beim gepulsten Laserschmelzen in Flüssigkeiten unter Nutzung eines kontinuierlich betriebenen Flachstrahl-Durchflussreaktors

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555646461

Kristalline Submikrometersphären (SMS) sind für optische, thermische und medizinische Anwendungen von Bedeutung. Das Laserschmelzen in Flüssigkeiten (LML), bei welchem kolloidale Nanopartikel mit gepulsten Lasern bei moderaten Fluenzen bestrahlt werden, ist eine exklusive Methode zur Synthese von kristallinen SMS. Obwohl der Mechanismus des LML gut erforscht ist, fehlen systematische Studien zur Maßstabsvergrößerung. Hierzu werden Prozessvariablen entwickelt, die auf Produktivitäten von mehreren 10 g/h zielen. Borcarbid (B4C) wird als Modellmaterial ausgewählt und ein Flachstrahl-Durchflussreaktor wird zum Erreichen einer homogenen Bestrahlung eingesetzt. Der B4C-Durchsatz wird dabei als wichtigste Messgröße verwendet. Es wird untersucht inwiefern optische Prozessvariablen I) Laserfluenz (bestimmt den SMS-Durchmesser) und II) Pulsenergie (bestimmt das bestrahlte Volumen) den SMS-Durchsatz beeinflussen. Anschließend werden Energie-Variablen, insbesondere die Pulse pro Volumenelement (PPV) ermittelt, die zu einer SMS-Bildung führen und wie der Durchsatz über eine Kombination aus Durchflussrate und Laser-Repetitionsrate maximiert werden kann. Anschließend wird der Einfluss der B4C-Massenkonzentration auf den Durchsatz bestimmt. Abschließend werden die experimentellen Daten verwendet um dimensionslose Kennzahlen für I) optische, II) energetische und III) massenbezogene Prozesse zu definieren, und zu einer generellen Reaktor-Designgleichung zusammenzuführen, die den energiespezifischen SMS-Durchsatz mit den Prozessvariablen verknüpft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen