Damaszener Stahl aus dem 3D-Drucker

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.

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.