Häufig gestellte Fragen (FAQ) von Stickstoff

Ein Stickstoffgenerator ist ein Gerät, das vor Ort Stickstoffgas produziert, typischerweise für industrielle oder kommerzielle Anwendungen. Er trennt Stickstoff von anderen Gasen in der Luft, hauptsächlich durch Methoden wie Druckwechseladsorption (PSA) oder Membrantechnologie. 

Beim Druckwechseladsorptionsverfahren wird komprimierte Luft durch ein Gefäß geleitet, das ein Adsorptionsmaterial enthält. Dieses Material adsorbiert selektiv Sauerstoff und Wasserdampf, wodurch Stickstoff als gereinigtes Produkt durchgelassen wird. Bei der Membrantechnologie lässt eine semipermeable Membran selektiv Sauerstoff, Wasserdampf und andere Gase durch, sodass Stickstoff als Hauptgas auf der anderen Seite verbleibt.

Diese Generatoren bieten eine zuverlässige, kosteneffektive und bequeme Alternative zu traditionellen Methoden der Stickstoffversorgung, wie Zylinder- oder Flüssigstickstofflieferungen.

Sie werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Lebensmittel- und Getränkeindustrie, Pharmazie, Elektronik und Metallverarbeitung.

Die Hauptvorteile umfassen konstante Reinheitsgrade, reduzierte Betriebskosten und die Bequemlichkeit, Stickstoff nach Bedarf zu erzeugen, wodurch die Notwendigkeit der Lagerung oder des Transports von Stickstoff in anderen Formen entfällt. Stickstoffgeneratoren sind darauf ausgelegt, effizient und umweltfreundlich zu sein, indem sie den CO2-Fußabdruck verringern, der mit dem Transport von Stickstoff in Tanks verbunden ist.

Sie können an spezifische Reinheits- und Durchflussanforderungen angepasst werden, um sicherzustellen, dass jede Anwendung Stickstoffgas erhält, das ihren speziellen Bedürfnissen entspricht.

1. Luftkomprimierung:

Zunächst wird atmosphärische Luft in das System eingesaugt und verdichtet. Diese Verdichtung ist notwendig, um den Druck der Luft zu erhöhen und ihre Bestandteile zu konzentrieren.

2. Luftreinigung:

Vor der Trennung muss die komprimierte Luft gereinigt werden, um Verunreinigungen wie Wasserdampf, Öl und Staub zu entfernen. Dies geschieht in der Regel durch eine Reihe von Filtern und Trocknern innerhalb des Stickstoffgenerators.

Druckwechseladsorption (PSA):

Bei PSA-Systemen wird die komprimierte und gereinigte Luft durch einen mit Kohlenstoffmolekularsieben (CMS) gefüllten Behälter geleitet. Das CMS adsorbiert Sauerstoff und andere Gase leichter als Stickstoff. Das Ergebnis ist, dass Stickstoff als Produktgas gesammelt wird.

Das PSA-Verfahren besteht aus zwei Behältern: Während ein Behälter adsorbiert, regeneriert sich der andere, indem er die eingeschlossenen Gase bei niedrigerem Druck freisetzt.

Membranabscheidung:

In Membran-Stickstoffgeneratoren strömt die Druckluft durch ein Bündel von Hohlfasermembranen. Diese Membranen sind selektiv durchlässig, sodass Sauerstoff und andere Gase leichter durchgelassen werden als Stickstoff. Das Stickstoffgas wird auf der anderen Seite der Membran gesammelt.

4. Lagerung und Verwendung:

Das erzeugte Stickstoffgas wird entweder in einem Tank zur späteren Verwendung gelagert oder direkt an den Ort geleitet, an dem es benötigt wird.

5. Reinheit und Durchflussrate:

Stickstoffgeneratoren können so eingestellt werden, dass sie Stickstoff mit verschiedenen Reinheitsgraden und Durchflussraten erzeugen, je nach den Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Der Reinheitsgrad kann bei einigen PSA-Systemen bis zu 99,999 % betragen.

1. Sauerstoffausschluss:

Ähnlich wie beim SLS-Druck ist einer der Hauptgründe für die Verwendung von Stickstoff im 3D-Metalldruck der Ausschluss von Sauerstoff aus der Druckkammer. Metallpulver, die in LPBF- und SLM-Prozessen verwendet werden, sind bei hohen Temperaturen sehr reaktiv mit Sauerstoff. Sauerstoff kann zur Oxidation des Metallpulvers führen, was die Bildung unerwünschter Oxide in den gedruckten Teilen zur Folge hat. Diese Oxide können die mechanischen Eigenschaften und die Gesamtqualität der endgültigen 3D-gedruckten Komponenten beeinträchtigen. Stickstoff bietet eine sauerstofffreie Umgebung, verhindert Oxidation und gewährleistet die Reinheit der Metallteile.

2. Verbesserte Materialeigenschaften:

Die inertierenden Eigenschaften von Stickstoff helfen, die chemische Zusammensetzung des Metallpulvers während des Druckens zu erhalten. Dies führt zu 3D-gedruckten Metallteilen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie erhöhter Festigkeit, Duktilität und Ermüdungsbeständigkeit. Stickstoffatmosphären ermöglichen die Herstellung von Teilen, die die Industriestandards für Materialleistung erfüllen oder übertreffen.

3. Reduzierte Defekte:

Das Fehlen von Sauerstoff verringert die Wahrscheinlichkeit von Defekten in 3D-gedruckten Metallteilen. Häufige Defekte wie Porosität, Rissbildung und unvollständige Fusion zwischen den Schichten treten in einer stickstoffreichen Umgebung weniger wahrscheinlich auf. Dies führt zu zuverlässigeren und konsistenteren Teilen mit geringeren Nachbearbeitungsanforderungen.

4. Verbesserte Oberflächenqualität:

Stickstoffumgebungen tragen dazu bei, 3D-gedruckte Metallteile mit glatteren Oberflächen zu produzieren. Dies ist besonders wichtig in Anwendungen, bei denen die Oberflächenqualität und Ästhetik entscheidend sind, wie in der Luft- und Raumfahrt oder bei der Herstellung von Medizinprodukten.

5. Stabilere Druckbett-Temperatur:

Stickstoff kann auch dazu beitragen, eine stabile und gleichmäßige Druckbett-Temperatur aufrechtzuerhalten, was im 3D-Metalldruck entscheidend ist. Temperaturschwankungen können zu Verformungen und Verzerrungen der gedruckten Teile führen. Die thermische Stabilität von Stickstoff sorgt dafür, dass die gedruckten Schichten korrekt auf der Bauplatte haften, was zu maßhaltigen und hochwertigen Komponenten führt.

6. Sicherheit:

Stickstoff ist nicht brennbar und ungiftig, was ihn zu einer sicheren Wahl für den Einsatz im 3D-Metalldruck macht. Er reduziert das Risiko von Bränden oder Explosionen, die mit bestimmten reaktiven Metallpulvern verbunden sind.

PSA-Stickstoffgeneratoren

Betrieb:

PSA-Stickstoffgeneratoren nutzen Kohlenstoffmolekularsiebe (CMS) zur Adsorption von Sauerstoff und anderen Verunreinigungen aus komprimierter Luft, sodass Stickstoff als gereinigtes Produkt durchgelassen wird. Dieser Prozess erfolgt in zwei Stufen: Adsorption und Regeneration in separaten Gefäßen.

Reinheit:

PSA-Systeme können sehr hohe Reinheitsgrade bis zu 99,999 % erreichen. Dies macht sie ideal für Anwendungen, die ultrareinen Stickstoff erfordern, wie die Elektronikfertigung, Pharmazie und Laboratorien.

Kapazität:

Generell besser geeignet für höhere Durchflussanforderungen.

Kosten:

PSA-Systeme können anfänglich teurer sein, sind jedoch kosteneffektiv für die großflächige Stickstoffproduktion.

Membran-Stickstoffgeneratoren

Betrieb:

Diese Generatoren verwenden eine selektiv durchlässige Membran, um Stickstoff von anderen Gasen in der Luft zu trennen. Sauerstoff, Wasserdampf und andere Gase durchdringen die Membran schneller als Stickstoff, was zu einem Stickstoffgasstrom führt.

Reinheit:

Membransysteme erreichen typischerweise Stickstoffreinheitsgrade von 95 % bis 99,5 %, geeignet für Anwendungen, bei denen ultrahohe Reinheit nicht entscheidend ist, wie Reifenfüllung, Lebensmittelverpackung und allgemeine Fertigung.

Kapazität:

Besser geeignet für Anwendungen mit niedrigeren Durchflussanforderungen.

Kosten:

Oft günstiger und kompakter als PSA-Systeme, was sie ideal für kleinere Betriebe oder bei Platzmangel macht.

Die Wahl zwischen PSA- und Membran-Stickstoffgeneratoren hängt von spezifischen Bedürfnissen wie dem gewünschten Reinheitsgrad, der Durchflussrate, den Betriebskosten und dem verfügbaren Platz ab.

PSA wird bevorzugt für Anwendungen, die sehr hohe Reinheitsgrade und größere Stickstoffmengen erfordern.

Membrantechnologie wird oft aufgrund ihrer kompakten Größe, geringeren Anfangsinvestition und wenn moderate Reinheitsgrade ausreichen, gewählt.

1. Sauerstoffausschluss:

Obwohl Nylon 11 ein thermoplastisches Material ist und nicht so empfindlich auf Oxidation reagiert wie Metalle, kann eine sauerstofffreie Umgebung während des Druckprozesses dennoch vorteilhaft sein. Sauerstoffexposition kann zur Bildung von Oberflächenfehlern und leichten Verfärbungen in den gedruckten Teilen führen. Stickstoff hilft, diese kosmetischen Probleme zu minimieren, indem er Sauerstoff verdrängt, was zu saubereren und ästhetisch ansprechenderen Drucken führt.

2. Reduzierte Verfärbung der Teile:

Nylonmaterialien können beim SLS-Druckprozess durch Sauerstoff und hohe Temperaturen anfällig für Vergilbung oder Bräunung werden. Stickstoff hilft, diese Verfärbung zu verhindern und sorgt dafür, dass Ihre Nylon 11-Drucke ihre ursprüngliche weiße oder natürliche Farbe behalten, was für Anwendungen, die bestimmte ästhetische Anforderungen haben, wichtig sein kann.

3. Verbesserte Oberflächenqualität:

Stickstoff kann zur Verbesserung der Oberflächenqualität bei SLS-Drucken mit Nylon 11 beitragen. Durch die Reduzierung des Sauerstoffgehalts wird das Risiko von Oberflächenunregelmäßigkeiten minimiert und eine glattere und gleichmäßigere Schichtfusion gefördert. Dies kann besonders wertvoll sein, wenn Teile mit einer hohen Oberflächenqualität erforderlich sind, wie z. B. funktionale Prototypen oder Endbauteile.

4. Konsistenz:

Stickstoff kann dazu beitragen, eine gleichmäßige Druckumgebung aufrechtzuerhalten und die Variabilität der Druckergebnisse zu reduzieren. Konsistenz ist entscheidend, wenn mehrere Teile produziert werden oder strenge Toleranzen und Spezifikationen erfüllt werden müssen..

5. Minimiertes Verziehen:

Obwohl Nylon 11 im Vergleich zu einigen anderen 3D-Druckmaterialien für seine geringe Verzugsneigung bekannt ist, kann die Aufrechterhaltung einer stabilen und kontrollierten Druckumgebung mit Stickstoff das Risiko von Verziehen oder Verzerrung bei größeren oder komplexeren Drucken weiter verringern.

6. Verbesserte Materialeigenschaften:

In einigen Fällen kann die Verwendung von Stickstoff zu leicht verbesserten mechanischen Eigenschaften der gedruckten Nylon 11-Teile führen, wie z. B. erhöhte Zugfestigkeit oder Schlagzähigkeit. Diese Verbesserungen können subtil sein, aber für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein.

1. Schutzgasreaktion:

Stickstoff verhindert die Oxidation und Kontamination der Schweißnaht, indem er den geschmolzenen Werkstoff vor Sauerstoff und Feuchtigkeit aus der Umgebung schützt.

2. Vermeidung von Porenbildung:

esonders bei Edelstahl und Aluminium reduziert Stickstoff die Bildung von Poren und verbessert die Nahtqualität.

3. Beeinflussung der Schweißnahtmechanik:

Stickstoff kann bei bestimmten Materialien, wie austenitischen Stählen, die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht verbessern, indem er die Stickstoffaufnahme im Gefüge unterstützt.

4. Reduktion der Spritzerbildung:

Beim Laserschweißen kann Stickstoff helfen, Spritzer zu minimieren, was zu einer saubereren Schweißnaht führt.

5. Kostengünstige Alternative zu Argon:

In manchen Fällen ist Stickstoff eine wirtschaftlichere Alternative zu Argon oder Helium, insbesondere wenn eine reaktive Schutzgasatmosphäre nicht erforderlich ist

Ob Stickstoff die beste Wahl ist, hängt vom Material und der gewünschten Schweißnahtqualität ab. Für einige Werkstoffe, wie hochlegierte Stähle oder Titan, werden oft Argon oder spezielle Gasgemische bevorzugt.

1. Luftzufuhr:

Umgebungsluft (bestehend aus ca. 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und anderen Gasen) wird durch einen Kompressor angesaugt und auf einen bestimmten Druck verdichtet.

2. Luftaufbereitung:

Die verdichtete Luft wird getrocknet und von Verunreinigungen wie Öl und Staubpartikeln befreit. Dies geschieht durch Vorfilter und Trocknersysteme.

3. Adsorptionsprozess:

- Die gereinigte Druckluft wird in zwei parallele Adsorptionsbehälter geleitet, die mit einem Kohlenstoff-Molekularsieb (CMS, Carbon Molecular Sieve) gefüllt sind.

- Das CMS hat die Eigenschaft, Sauerstoffmoleküle und andere kleinere Moleküle (z. B. CO₂, Wasserdampf) stärker zu adsorbieren als Stickstoff. 

- Dadurch reichert sich Stickstoff in der Gasphase an und kann am Ausgang des Behälters entnommen werden.

4. Druckwechselprozess (PSA-Prinzip):

- Ein Behälter adsorbiert Sauerstoff und lässt Stickstoff durch. 

- Währenddessen wird der andere Behälter regeneriert, indem der Druck reduziert wird, wodurch die adsorbierten Sauerstoffmoleküle freigesetzt und aus dem System geleitet werden. 

- Die Behälter wechseln sich im Betrieb ab, sodass kontinuierlich Stickstoff produziert wird.

5. Stickstoffausgabe:

Der erzeugte Stickstoff wird in einem Tank gesammelt und kann je nach Anwendung weiter aufbereitet oder gespeichert werden.