Forscher des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE – Eisenforschung) in Düsseldorf und des Fraunhofer Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen haben eine Methode für den 3D-Druck von Stahl vom Typ „Damaskus“ entwickelt. Der Stahl ist so hart wie Damaszener Stahl, der in der Antike zum Beispiel für äußerst harte und zähe Schwertklingen verwendet wurde. Wir stellen das Verfahren vor.

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Um Stahl vom Typ „Damaskus“ mit dem Laser-3D-Drucker zu verarbeiten, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE – Eisenforschung) in Düsseldorf und des Fraunhofer Instituts für Lasertechnologie (ILT) in Aachen ein Verfahren entwickelt. Ihre Arbeit wurde im Fachmagazin Nature unter dem Titel „High-strength Damascus steel by additive manufacturing“ veröffentlicht.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, die Härte jeder einzelnen Schicht spezifisch einzustellen. Für 3D-gedruckte Luft-– und Raumfahrtkomponenten aber auch Werkzeuge könnte das Verfahren entscheidende Vorteile bieten, wie das MPIE auf seiner Website über die Forschungsergebnisse zusammengefasst berichtet. Amerikanische Forscher haben im April eine Methode vorgestellt, mit der sie den weltweit stärksten Stahl mit einem 3D-Drucker verarbeiten können.

Hart aber zäh – Damaszener Stahl

In der Antike wurde Damaszener Stahl oft für Schwertklingen verwendet, weil das Material hart, aber zäh war und aus Schichten verschiedener Eisenlegierungen besteht. Harte und zähe Eisenlegierungen gibt es auch heute, sie eignen sich aber nicht unbedingt für den 3D-Druck. Das Forscherteam hat darum die Mikrostrukturen der einzelnen Schichten beim 3D-Druck so verändert, dass die Endkomponenten die gewünschten Eigenschaften aufweisen, ohne anschließende Wärmebehandlung des Stahls.

Der Laserstrahl schmilzt die jeweiligen Materialien und erwärmt die oberste Schicht des verfestigten Metalls. So wurde die Kristallstruktur des Stahls in einzelnen Metallschichten verändert und die mechanischen Eigenschaften beeinflusst. Die chemische Zusammensetzung blieb unverändert.

Objekt aus Damaszener Stahl
Beim Material der Max-Planck- und Fraunhofer-Forscher aus dem 3D-Drucker sind die abwechselnd harten (hellen) und duktilen (dunklen) Schichten zu erkennen (Bild © Frank Vinken).

Nickel-Titan-Mikrostrukturen

Eine entwickelte Legierung aus Eisen, Nickel und Titan ist zunächst weich. Wird das Material mechanischer Beanspruchung ausgesetzt, entstehen kleine Nickel-Titan-Mikrostrukturen, wodurch das Material aushärtet. Für die Erzeugung von Nickel-Titan-Strukturen, unterbrechen die Forscher den Druckprozess nach jeder neu abgeschiedenen Schicht für eine bestimmte Zeit. Das Metall kühlt auf unter 195 Grad Celsius ab.

„Unterhalb dieser Temperatur findet im Stahl eine Umwandlung der Kristallstruktur statt“, sagte Eric Jägle, Leiter der Gruppe „Legierungen für die additive Fertigung“ am MPIE. „Die Martensitphase wird gebildet, und nur in dieser Phase können die Nickel-Titan-Mikrostrukturen erzeugt werden.“

Mit Laserenergie, mit der die nachfolgende Schicht abgeschieden wird, wird das Material wieder erhitzt („intrinsische Wärmebehandlung“).
Schichten, die ohne Unterbrechung direkt mit der nächsten Schicht bedeckt werden, bleiben weicher. Den Forschern ist somit ein Verbundmaterial gelungen, das aus Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften aus einem einzigen Ausgangsmaterial direkt während des Produktionsprozesses besteht.

„Dank unseres Konzepts der lokalen Steuerung wurde dies in einem einzigen Fertigungsschritt erreicht – ohne die zusätzlichen Prozessschritte, die zuvor für die Oberflächenhärtung wie das Nitrieren erforderlich waren“, sagte Jägle. Laut den Forschern könnte es auch möglich sein, die Technologie zu verwenden, um andere Eigenschaften wie die Korrosionsbeständigkeit lokal anzupassen.

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