Damaszener Stahl aus dem 3D-Drucker

10.09.2020 — Damaszener Stahl ist gleichzeitig hart und zäh, weil er aus Schichten unterschiedlicher Eisenlegierungen besteht. Das machte ihn im Altertum zum Material der Wahl, vor allem für Schwertklingen. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik in Aachen hat nun ein Verfahren entwickelt, mit dem man Stahl im 3D-Drucker schichtweise fertigen und dabei die Härte jeder einzelnen Lage gezielt einstellen kann. Solche Verbundwerkstoffe könnten für den 3D-Druck von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt oder von Werkzeugen interessant sein, wie das Max-Planck-Institut mitteilt.

Schon keltische Schmiede kombinierten verschiedene Eisenlegierungen und erhielten so den Stoff, der später als Damaszener Stahl bekannt wurde. Den Namen verdankt der Verbundwerkstoff orientalischer Herkunft dem syrischen Handelsplatz, über den er nach Europa kam.

Zwar gibt es heute Eisenlegierungen, die zugleich hart und zäh sind – sie lassen sich aber oft nicht gut mit 3D-Druckern verarbeiten. Deshalb haben die Wissenschaftler eine Technik entwickelt, mit der sich direkt beim 3D-Druck aus einem einzigen Ausgangsmaterial ein Stahl erzeugen lässt, der abwechselnd aus harten und duktilen, also weichen Schichten aufgebaut ist – eine Art Damaszener Stahl also.

Mikrostrukturen sorgen für besondere Härte

Dafür entwickelten sie eine Legierung aus Eisen, Nickel und Titan. Zunächst ist diese Legierung relativ weich. »Aber unter bestimmten Vorrausetzungen bilden sich kleine Nickel-Titan-Mikrostrukturen, die dann für eine besondere Härte sorgen«, erklärt Philipp Kürnsteiner, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Eisenforschung.

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 Max-Planck-Institut für Eisenforschung und seit Januar 2020 auch Professor an der Universität der Bundeswehr München.

In ihren Experimenten stellen die Forscher würfel- oder quaderförmige Stahlstücke mit Seitenlängen von wenigen Zentimetern her. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich dann auch auf Objekte mit komplexeren Geometrien übertragen, für die der computergesteuerte 3D-Druck interessant ist. Als mögliche weitere Anwendungen seien zum Beispiel Werkzeugbauteile denkbar, bei denen ein durchgehend weicher Kern von einer harten, abriebfesten äußeren Schicht umgeben ist.