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3D-Druck So hart wie Damaszener: Stahl aus dem 3D-Drucker

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Ein Schwert aus Damaszener Stahl ist hart und zäh gleichzeitig, denn es besteht aus unterschiedlichen Eisenschichten. Ein Team des Max-Planck-Instituts und des Fraunhofer ILT haben diese Eigenschaften auf den 3D-Druck übertragen. Damit ist es möglich die Härte des Stahls mit jeder Lage gezielt einzustellen.

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Auch beim Verbundmaterial der Max-Planck- und Fraunhofer-Forscher aus dem 3D-Drucker sind die abwechselnd harten (hellen) und duktilen (dunklen) Schichten deutlich zu erkennen.
Auch beim Verbundmaterial der Max-Planck- und Fraunhofer-Forscher aus dem 3D-Drucker sind die abwechselnd harten (hellen) und duktilen (dunklen) Schichten deutlich zu erkennen.
(Bild: Frank Vinken | dwb)

Schon keltische Schmiede kombinierten verschiedene Eisenlegierungen, anfangs vielleicht nur, um das wertvolle Eisen wiederzuverwerten, und erhielten so den Stoff, der später als Damaszener Stahl oder Damast bekannt wurde. Dieses zähe und harte Material war ideal für Schwerter. Die Klingen brachen in einer Schlacht nicht mehr. Und auch die Kämpfer mussten sich nicht mehr aus dem Getümmel zurückziehen, um ihre Klingen wieder geradezubiegen.

Den Namen verdankt Damast dem Handelsplatz, über den der Verbundwerkstoff orientalischer Herkunft nach Europa kam. Doch während indischer und arabischer Damast durch einen ausgeklügelten Verhüttungsprozess entstand, entwickelten europäische Schmiede die Kunst, zwei Legierungen zu vielen dünnen Schichten zu falten. Der schichtartige Aufbau von Damaszener Stahl verleiht ihm das charakteristische Streifenmuster.

Mikrostruktur der einzelnen Schichten gezielt im 3D-Druck verändern

Es gibt zwar heute Eisenlegierungen, die zugleich hart und zäh sind. Diese lassen sich aber oft nicht gut mit 3D-Druckern, dem Mittel der Wahl für viele komplexe oder individuell gestaltete Bauteile, verarbeiten.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik haben deshalb eine Technik entwickelt, mit der sich direkt beim 3D-Druck aus einem einzigen Ausgangsmaterial ein Stahl erzeugen lässt, der abwechselnd aus harten und duktilen, das heißt weichen Schichten aufgebaut ist, – eine Art Damaszener Stahl also. „Damit können wir bereits während des 3D-Drucks gezielt die Mikrostruktur der einzelnen Schichten verändern, sodass das finale Bauteil die gewünschten Eigenschaften erhält – und dies ganz ohne nachträgliche Wärmebehandlung des Stahls“, sagt Philipp Kürnsteiner, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Eisenforschung.

Mechanischen Eigenschaften mittels Laserstrahl beeinflussen

Um in einzelnen Metallschichten gezielt die Kristallstruktur des Stahls zu verändern, nutzte das Team die Kraft des Laserstrahls. Im 3D-Druck von Metallgegenständen wird die jeweilige Legierung in pulversierter Form vom Laserstahl aufgeschmolzen und dann Schicht für Schicht auf dem herzustellenden Werkstoff aufgetragen.

Zudem lässt sich mit dem Laserstrahl auch die oberste Schicht des bereits wiedererstarrten Metalls erwärmen. Damit können die Wissenschaftler die mechanischen Eigenschaften beeinflussen, ohne die chemische Zusammensetzung zu ändern.

Materialdesign mit dem Laser: Dank einer neuen Technik lassen sich beim 3D-Druck in einer speziellen Legierung Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen.
Materialdesign mit dem Laser: Dank einer neuen Technik lassen sich beim 3D-Druck in einer speziellen Legierung Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen.
(Bild: Max-Planck-Institut)

Nickel-Titan-Mikrostrukturen sorgen für besondere Härte

Dafür entwickelten sie eigens eine Legierung, die aus Eisen, Nickel und Titan besteht. Zunächst ist diese Legierung relativ weich. „Aber unter bestimmten Vorrausetzungen bilden sich jedoch kleine Nickel-Titan-Mikrostrukturen, die dann für eine besondere Härte sorgen“, erklärt Kürnsteiner. „Diese Ausscheidungen behindern bei einer mechanischen Belastung die für eine plastische Verformung charakteristischen Verschiebungen innerhalb des Kristallgitters – die sogenannten Versetzungen.“

Um die Nickel-Titan-Strukturen erzeugen zu können, unterbrachen die Forscher den Druckprozess nach jeder neu aufgetragenen Schicht für eine bestimmte Zeit. Dabei kühlte sich das Metall auf unter 195 Grad Celsius ab. „Unterhalb dieser Temperatur setzt im Stahl eine Umwandlung der Kristallstruktur ein“, erklärt Eric Jägle, Leiter der Gruppe „Legierungen für die Additive Fertigung“ am Max-Planck-Institut für Eisenforschung. „Es entsteht die sogenannte Martensit-Phase, und nur in dieser können die Nickel-Titan-Mikrostrukturen entstehen.“

Damit sich die Ausscheidungen auch wirklich bilden, ist aber eine erneute Erwärmung notwendig. Hierfür nutzen die Forscher die Laserenergie, mit der die nächste Schicht gedruckt wird.

Intrinsische Wärmebehandlung nennen die Wissenschaftlerinnern und Wissenschaftler diesen zusätzlichen Effekt durch den Laserstrahl des 3D-Druckers. Lagen, die ohne Pause direkt mit der nächsten Schicht überzogen wurden, bleiben hingegen weicher, weil sie zu diesem Zeitpunkt noch nicht als Martensit vorliegen.

Objekte mit weichem Kern und harter Oberfläche

Damit sich das Martensit bildet, variieren die Wissenschaftler, zusätzlich oder statt der Pausenzeit:

  • die Laserenergie
  • den Laserfokus oder
  • die Druckgeschwindigkeit
  • oder setzen externe Heiz- und Kühltechniken ein

In ihren Experimenten stellen die Forscher würfel- oder quaderförmige Stahlstücke mit Seitenlängen von wenigen Zentimetern her. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich dann auch auf Objekte mit komplexeren Geometrien übertragen, für die der computergesteuerte 3D-Druck interessant ist.

Korrosionsbeständigkeit lokal gezielt einstellen

Zudem ist der Damaszener-artige Stahl mit den periodisch wechselnden Schichten nur ein Beispiel, wie die Mikrostruktur einer Legierung bereits während des Herstellungsprozesses lokal beeinflusst werden kann. Zum Beispiel sei es genauso gut möglich, Werkzeug-Bauteile mit einem durchgehend weichen Kern zu erschaffen, die dann von einer harten, abriebfesten äußeren Schicht umgeben sind, erklärt Eric Jägle: „Dank unseres Konzepts der lokalen Kontrolle ließe sich das in einem einzigen Fertigungsschritt realisieren – ganz ohne die bisher für eine Oberflächenhärtung nötigen weiteren Verfahrensschritte.“

Denkbar, so die Forscher, sei es eventuell auch, mit der Technik nicht nur die Härte, sondern auch weitere Eigenschaften wie etwa Korrosionsbeständigkeit lokal gezielt einzustellen.

Philipp Kürnsteiner weist schließlich noch auf einen Paradigmenwechsel, der mit dem neuen Ansatz im Design von Legierungen verbunden ist: „Bisher ist es üblich, im 3D-Druck konventionelle Legierungen zu verwenden. Viele bekannte Stähle sind aber für die additive Fertigung nicht optimal geeignet. Unser Ansatz ist es nun, Legierungen gerade so zu entwickeln, dass sich mit ihnen das volle Potential des 3D-Drucks ausschöpfen lässt.“

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