Stahlmarkt 11/2020

Special
Additive Fertigung / 3-D-Druck
Damaszenerstahl aus dem
3-D-Drucker
Verbundwerkstoff mit unterschiedlich harten Metallschichten durch
Temperaturvariation
Düsseldorf. Damaszenerstahl ist gleichzeitig hart und zäh, weil er aus Schichten unterschiedlicher
Eisenlegierungen besteht. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf
und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik in Aachen hat ein Verfahren entwickelt, mit
dem man Stahl im 3-D-Drucker schichtweise fertigen und dabei die Härte jeder einzelnen Lage
gezielt einstellen kann. Solche Verbundwerkstoffe könnten für den 3-D-Druck von Bauteilen in
der Luft- und Raumfahrt oder von Werkzeugen interessant sein, teilt das MPIE mit.
Foto: Philipp Kürnsteiner, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Aus der Not geboren und zur Legende geworden:
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, damit die Klingen in einer Schlacht nicht
brachen oder sich die Kämpfer nicht aus dem Getümmel
zurückziehen mussten, um ihre Klingen wieder geradezubiegen.
Schon keltische Schmiede kombinierten daher verschiedene
Eisenlegierungen, anfangs vielleicht nur, um das
wertvolle Eisen wiederzuverwerten, und erhielten so den
Stoff, der später als Damaszenerstahl 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,
Materialdesign mit dem Laser: Dank einer neuen Technik lassen
sich beim 3-D-Druck in einer speziellen Legierung Schichten
mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen.
zwei Legierungen zu vielen dünnen Schichten zu falten.
Der schichtartige Aufbau von Damaszenerstahl ist dabei
in der Regel auch optisch an einem charakteristischen
Streifenmuster zu erkennen.
Durch den Laserstrahl lässt sich die
Kristallstruktur verändern
Zwar gibt es heute Eisenlegierungen, die zugleich hart
und zäh sind, sie lassen sich aber oft nicht gut mit 3-D-Druckern,
dem Mittel der Wahl für viele komplexe oder individuell
gestaltete Bauteile, verarbeiten. Deshalb haben
Wissenschaftler des MPIE und des Fraunhofer-Instituts für
Lasertechnik eine Technik entwickelt, mit der sich eigenen
Angaben zufolge direkt beim 3-D-Druck aus einem einzigen
Ausgangsmaterial ein Stahl erzeugen lässt, der abwechselnd
aus harten und duktilen, das heißt weichen
Schichten aufgebaut ist – eine Art Damaszenerstahl also.
»Damit können wir bereits während des 3-D-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 MPIE.
3-D-Drucker für die additive Fertigung, wie die Technik
im Fachjargon heißt, haben innerhalb weniger Jahre Einzug
in viele industrielle Bereiche gehalten. Neben Kunststoffteilen
lassen sich damit längst auch Metallgegenstände
herstellen. Dabei wird die jeweilige Legierung in fein
pulverisierter Form zugeführt, von einem Laserstrahl geschmolzen
und dann Schicht für Schicht auf dem herzustellenden
Werkstück aufgetragen. Seit einigen Jahren
entstehen unter anderem Einspritzdüsen für Flugzeugtriebwerke
mit dieser Methode der additiven Fertigung,
die auch Laserauftragsschweißen heißt.
»Der Laserstrahl ermöglicht es aber nicht nur, das jeweilige
Material zu schmelzen. Mit ihm lässt sich, ganz neben-
26 11 | 2020