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Montag, 05 Oktober 2020 11:00

Damaszener Stahl aus dem 3D-Drucker

von Dr. Richard Suchentrunk
Geschätzte Lesezeit: 2 - 3 Minuten
Damaszener Stahl wird heute oft wegen seiner typischen zierenden Musterung verwendet. 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. Damaszener Stahl wird heute oft wegen seiner typischen zierenden Musterung verwendet. 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.

Schmiede des Altertums konnten die Eigenschaften von Eisenlegierungen nur über deren Kohlenstoffgehalt beeinflussen. So erhielten sie entweder einen weichen und zähen oder einen harten, aber spröden Stahl. Vor allem für Schwerter war aber ein zähes und hartes Material gefragt. Um diesen Mangel zu beseitigen kombinierten schon keltische Schmiede verschiedene Eisenlegierungen und erhielten so den Stoff, der später als Damaszener Stahl oder Damast bekannt wurde. Den Namen verdankt er 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.

Heute gibt es Eisenlegierungen, die zugleich hart und zäh sind, sie lassen sich aber oft nicht gut mit 3D-Druckern verarbeiten. Jetzt hat ein Team des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik in Aachen ein Verfahren entwickelt, mit dem man Stahl im 3D-Drucker schichtweise fertigen und dabei die Härte jeder einzelnen Lage gezielt einstellen und so praktisch Damaszener Stahl herstellen kann. Bereits während des 3D-Drucks wird gezielt die Mikrostruktur der einzelnen Schichten verändert, sodass das finale Bauteil die gewünschten Eigenschaften erhält und dies ganz ohne nachträgliche Wärmebehandlung des Stahls. Die jeweilige Legierung wird in fein pulverisierter Form zugeführt, von einem Laserstrahl geschmolzen und dann Schicht für Schicht auf dem herzustellenden Werkstück aufgetragen. Der Laserstrahl ermöglicht es aber nicht nur, das jeweilige Material zu schmelzen. Mit ihm lässt sich auch die jeweils oberste Schicht des bereits wiedererstarrten Metalls erwärmen. Genau das nutzte das Team um in einzelnen Metallschichten gezielt die Kristallstruktur des Stahls zu verändern und so die mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen, ohne die chemische Zusammensetzung zu ändern.

 Detailaufnahme des typischen Damaszener-Musters. Dieses erinnert an die Maserung von Holz. Es wurde herkömmlich geschmiedet und stammt nicht aus einem 3D-DruckerDetailaufnahme des typischen Damaszener-Musters. Dieses erinnert an die Maserung von Holz. Es wurde herkömmlich geschmiedet und stammt nicht aus einem 3D-Drucker

 Messer mit Klingen aus verschiedenen Stählen.  In der Mitte die Damaszenerklinge, links und rechts herkömmliche Klingen Messer mit Klingen aus verschiedenen Stählen. In der Mitte die Damaszenerklinge, links und rechts herkömmliche Klingen

Dafür entwickelten sie eigens eine Legierung, die aus Eisen, Nickel und Titan besteht. Zunächst ist diese Legierung relativ weich, aber unter bestimmten Vorausetzungen bilden sich kleine Nickel-Titan-Mikrostrukturen, die dann die plastische Verformung behindern und für eine besondere Härte sorgen. Um diese 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, es entsteht die sogenannte Martensit-Phase, und nur in dieser können die Nickel-Titan-Mikrostrukturen gebildet werden. 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. Lagen, die ohne Pause direkt mit der nächsten Schicht überzogen wurden, bleiben hingegen weicher, weil sie zu diesem Zeitpunkt noch nicht als Martensit vorliegen. Versuche haben eine hervorragende Kombination von Festigkeit und Duktilität bestätigt. Solche Verbundwerkstoffe könnten unter anderem für den 3D-Druck von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt oder von Werkzeugen interessant sein.

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