Damaszener Stahl aus dem 3D-Drucker

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Additive Manufacturing
Das Max-Planck-Institut für Eisenforschung und das Fraunhofer Institut für Lasertechnik haben ein Verfahren entwickelt, mit dem man Stahl schichtweise fertigen und für die Lagen verschiedene Härtegrade einstellen kann.

Damaszener Stahl besteht aus Schichten unterschiedlicher Eisenlegierungen, er ist gleichzeitig hart und zäh. Aufgrund dieser Eigenschaften wurden daraus im Altertum für Schwertklingen gefertigt. Er ist an dem charakteristischen Streifenmuster zu erkennen.

Mit der Technik, die das Max-Planck-Institut für Eisenforschung und das Fraunhofer Institut für Lasertechnik entwickelt haben, können aus einem Ausgangsmaterial Schichten aufgebaut werden, die abwechselnd hart und duktil sind. „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.

Die Legierung wird in Pulverform hinzugefügt, von einem Laser geschmolzen und Schicht für Schicht aufgetragen. Dabei kann der Laser auch die bereits erstarrte oberste Schicht wieder erwärmen. Dann konnten die Forscher in den Metallschichten die Kristallstruktur verändern – damit verändern sie die mechanischen Eigenschaften während die chemischen Eigenschaften bestehen bleiben.

Um dies zu erzielen haben die Wissenschaftler eine Legierung aus Eisen, Nickel und Titan hergestellt. Diese Legierung ist erst einmal 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.“

Die Forscher unterbrechen den Druckprozess nach jeder aufgetragenen Schicht bis das Material auf 195 °C abgekühlt ist. „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 und Professor an der Universität der Bundeswehr München. „Es entsteht die sogenannte Martensit-Phase, und nur in dieser können die Nickel-Titan-Mikrostrukturen entstehen.“ Dafür ist es auch notwendig, das Material erneut zu erwärmen. Dies bewerkstelligen die Forscher mittels des Lasers des 3D-Druckers.

Die Lagen, die ohne diese Pause gefertigt und gleich mit einer neuen Schicht überzogen werden, bleiben weicher, weil sie nicht in die Martensit-Phase übergegangen sind. „Die Versuche haben eine hervorragende Kombination von Festigkeit und Duktilität bestätigt“, sagt Kürnsteiner.

Aus dem Erkenntnissen ergeben sich viele neue Möglichkeiten für den 3D-Druck. Zum Beispiel können Werkzeugbauteile mit einem durgehend weichen Kern mit einer harten, abriebfesten äußeren Schicht hergestellt werden, erklärt 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.“ Auch andere Eigenschaften wie die Korrosionsbeständigkeit könnten mittels der neuen Technik lokal gezielt eingestellt werden.

Kürnsteiner erläutert den Hintergrund dieser Experimente: „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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