Ein Damastrohling mit Regentropfen-Muster, wie er ua. bei Messermachern zum Einsatz kommt (Symbolbild)

© Whole Earth Supply

Science
07/23/2020

Damast-Stahl aus dem 3D-Drucker

Bisher konnten Objekte mit der Mischung aus hartem und weichem Stahl nicht in einem durchgehenden Prozess hergestellt werden.

Der seit rund zweitausend Jahren geschmiedete Damaszener Stahl kann nun mit dem 3D-Drucker hergestellt werden. Ein Forscherteam habe eine entsprechende Methode entwickelt, teilte die Bundeswehr Universität München am Donnerstag mit.

Zuvor habe man zwar bereits Metallgegenstände mit 3D-Druckern herstellen können, die Zusammensetzung dieser bestimmten Stahlsorte sei bisher aber noch nicht gelungen. Das Besondere an Damaszener Stahl ist seine Zusammensetzung. Er wurde früher gerne für Schwertklingen benutzt, da er aus mehreren Schichten besteht - dadurch ist der Stahl hart und zäh zugleich.

Diese unterschiedlich harten Metallschichten könne man mit dem neuen Verfahren in einem Schritt und aus einem Metallstoff im 3D-Drucker fertigen, erläuterten nun die Forscher. Das neue Verfahren könne auch in anderen Bereichen angewendet werden: "Solche Verbundwerkstoffe könnten für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt oder für Werkzeuge interessant sein."

Laserstrahl verändert Kristallstruktur

Für den 3D-Druck von Metall wird die jeweilige Legierung 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. Über ihn lässt sich auch Energie in die oberflächennahe Schicht des bereits wiedererstarrten Metalls eintragen. 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. Auf die Art gelang es ihnen Stahl mit abwechselnd weichen (duktilen) und harten Lagen zu erschaffen – eine Art Damaszener Stahl also.

Um die Mikrostrukturen während des 3D-Druckens zu beeinflussen, eignet sich eine Vielzahl an Prozessparametern. Zusätzlich oder statt der Pausenzeit, die in dieser Studie variiert wurde, kann man die Martensit-Bildung und anschließende Ausscheidungshärtung auch über die Laserenergie, den Laserfokus oder die Druckgeschwindigkeit variieren oder indem man externe Heiz- und Kühltechniken einsetzt.

Weicher Kern und harte Schale

In ihren Experimenten stellen die Forscher würfel- oder quaderförmige Stahlstücke mit Seitenlängen von wenigen Zentimetern her. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich dann auch auf Objekte mit komplexeren Geometrien übertragen, für die der computergesteuerte 3D-Druck interessant ist. Außerdem ist der Damaszener-artige Stahl mit den periodisch wechselnden Schichten nur ein Beispiel für die Möglichkeit, die Mikrostruktur einer Legierung bereits während des Herstellungsprozesses lokal zu beeinflussen.

Zum Beispiel sei es genauso gut möglich, Bauteile mit einem durchgehend weichen Kern zu erschaffen, die dann von einer harten, abriebfesten äußeren Schicht umgeben sind. So kombiniert man „das Beste aus beiden Welten“, erklärt Prof. Jägle, wie bei anderen Verbundwerkstoffen auch. Grundlegend neu ist aber, dass man mit diesem Verfahren alles in einem Schritt und aus einem Werkstoff erreichen kann, ganz ohne Nachbehandlung