Skip to main content
main-content
Top

25-06-2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Article

Damaszener-Stahl aus dem 3D-Drucker

Author:
Dieter Beste
4 min reading time

Damaszener-Stahl ist gleichzeitig hart und zäh, denn er besteht aus Schichten unterschiedlicher Eisenlegierungen. Forscher können den Stahl jetzt additiv fertigen und die Härte jeder einzelnen Lage gezielt einstellen.

Das Material hat einen legendären Ruf. Bezeichnet nach der Stadt Damaskus, war es im Altertum ein heiß begehrter Werkstoff, vor allem für Klingen. Mit daraus gefertigten Schwertern lehrten orientalische Krieger im Mittelalter die Kreuzritter das Fürchten. Damaszener-Stahl: "Wenn man seine Oberfläche polierte, wurde diese Struktur sichtbar: das berühmte Damaszener-Muster", schwärmt Springer-Autor Klaus Urban in "Materialwissenschaft und Werkstofftechnik"

Editor's recommendation

2019 | OriginalPaper | Chapter

Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe stellt man her, indem man verschiedene Werkstoffe (wie Glasfasern und Kunststoff oder Aluminiumlegierungen mit Aluminiumoxidfasern) kombiniert. Man kann maßgeschneiderte Eigenschaften einstellen, die die Werkstoffe, aus denen der …

Der geheimnisumwitterte Werkstoff entstand im indisch-arabischen Raum durch einen ausgeklügelten Verhüttungsprozess. Aber bald gelang auch europäischen Schmieden die Damaszener-Kunst – sie falteten zwei Legierungen zu vielen dünnen Schichten. Es sei im Hinblick auf die Herstellung von Damaszener-Stahl durchaus von Vorteil gewesen, so Urban, dass man im Mittelalter Rennöfen zur Stahlherstellung nutzte. "Die so gewonnenen Eisenklumpen waren nicht von gleichmäßiger Qualität: So standen den Schmieden Stahlsorten mit verschiedenem Kohlenstoffgehalt und unterschiedlichen Restmengen von Begleitelementen, wie Nickel, Mangan, Silicium und Phosphor zur Verfügung. Und irgendwann müssen sie bemerkt haben, dass Klingen, die sie aus unterschiedlichen Stählen zusammenschmiedeten, zäher, bruchfester und schärfer waren als jene, die sie aus nur einer Sorte herstellten" (Seite 26).

Zwar gibt es heute Eisenlegierungen, die zugleich hart und zäh sind, sie lassen sich aber oft nicht gut mit 3D-Druckern verarbeiten. Um hier Abhilfe für die additive Fertigung zu schaffen, haben jetzt Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) in Aachen 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 vom MPIE. Die Forscher berichten über Ihre Entwicklung in der Zeitschrift Nature.

Mit dem Laserstrahl lässt sich die Kristallstruktur verändern

Für den Metalldruck wird in additiven Fertigungsverfahren die jeweilige Legierung in fein pulverisierter Form zugeführt, von einem Laserstrahl geschmolzen und dann Schicht für Schicht auf dem herzustellenden Werkstück aufgetragen. Dabei ermöglicht der Laserstrahl nicht nur, das jeweilige Material zu schmelzen. Mit ihm lässt sich, ganz nebenbei, auch die oberste Schicht des bereits erstarrten Metalls wieder erwärmen. Genau hier setzte das Team an, 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 Vorrausetzungen bilden sich jedoch kleine Nickel-Titan-Mikrostrukturen, die dann für eine besondere Härte sorgen", sagt Kürnsteiner. "Diese Ausscheidungen behindern bei einer mechanischen Belastung die für eine plastische Verformung charakteristischen Verschiebungen innerhalb des Kristallgitters – die sogenannten Versetzungen."

Pausen im Druckprozess ermöglichen Bildung härtender Ausscheidungen

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 MPIE und Professor an der Universität der Bundeswehr München. "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.

Objekte mit weichem Kern und harter Oberfläche

Um die Mikrostrukturen während des 3D-Druckens zu beeinflussen, eigneten sich verschiedene Stellschrauben des Prozesses, so die Wissenschaftler. Zusätzlich oder statt der Pausenzeit, die das Team in der aktuellen Studie variiert hat, lasse sich die Bildung des Martensits und die anschließende Härtung durch die Ausscheidungen auch steuern, indem man die Laserenergie, den Laserfokus oder die Druckgeschwindigkeit variiere oder externe Heiz- und Kühltechniken einsetze, so Jägle. Zudem sei der damaszenerartige Stahl mit den periodisch wechselnden Schichten nur ein Beispiel für die Möglichkeit, die Mikrostruktur einer Legierung bereits während des Herstellungsprozesses lokal zu beeinflussen. Genauso gut sei es möglich, etwa Werkzeugbauteile mit einem durchgehend weichen Kern zu erschaffen, die dann von einer harten, abriebfesten äußeren Schicht umgeben sind: "Dank unseres Konzepts der lokalen Kontrolle ließe sich das in einem einzigen Fertigungsschritt realisieren – ganz ohne die bisher für eine Oberflächenhärtung nötigen weiteren Verfahrensschritte." 


 

Related topics

Background information for this content

Premium Partner

    Image Credits