3-D-Drucker ersetzt alten Orient

Forschern am Max-Planck-Institut ist es gelungen, mit Eisenpulver und Lasern Damaszenerstahl herzustellen

Eisen ist ein der Menschheit seit 5000 Jahren bekannter Werkstoff. Ganz zu Anfang seiner Nutzung entnahm man ihn Meteoriten. Dann kam man darauf, dass er sich aus einem oft rötlichen Gestein gewinnen lässt, wenn man es enorm erhitzt. Dieses Erhitzen geschah mit Schichten von Holzkohle zwischen den Erzschichten, was dazu führte, dass das Produkt einen sehr unterschiedlichen Kohlenstoffanteil und damit auch sehr unterschiedliche Eigenschaften aufwies: Ein Eisen war härter, das andere elastischer.

Weil ein Schwert im Idealfall sowohl hart als auch bruchsicher sein sollte kamen findige Schmiede noch in der Antike auf die Idee, unterschiedliche Stahlsorten in verschiedenen Schichten im Feuer zu verschweißen, um auch ihre unterschiedlichen Eigenschaften zu verbinden - wie bei den Kompositbögen aus verschiedenen Hölzern und Hörnern, die bereits seit der Jungsteinzeit bekannt waren.

Keltische Stämme handelten ihr Eisen deshalb als Spitzbarren, bei denen sich die Eigenschaften an den dünnen Enden relativ einfach feststellen ließen. Ihr Stahl war teilweise von so hoher Qualität, dass Ovids Leser sofort wussten, was der Dichter meinte, als er in seinem Metamorphosen schrieb, eine Person sei "hart wie Eisen und Stahl, in der norischen Esse geschmolzen".

Langwierigen Erfahrungsprozesse über viele Generationen hinweg

Germanische Stämme ließen die Verbundfertigung in ihren wurmbunten Klingen auch optisch erkennen, während sich japanische Schmiede mühten, ihre Schwerter trotz der blätterteiggleichen Faltung eher einheitlich erscheinen zu lassen. Für hochwertigen Stahl aus Indien und Persien, der über Damaskus nach Europa exportiert wurde, bürgerte sich im 17. Jahrhundert der Begriff Damaszenerstahl ein. An den Klingen, die bezeichnete, waren die verschiedenen Verbundschichten oft auffällig gut sichtbar gestaltet.

Die Schmiede, die diese Klingen damals herstellten, mussten sie in langwierigen Erfahrungsprozessen über viele Generationen hinweg lernen, wie das Feuer gestaltet werden muss, um eine Temperatur zu erreichen, bei der sich das Schwert schon schmieden lässt, aber der Kohlenstoff noch nicht verbrennt - und das war nur eine der zahlreichen Gefahren, auf die man bei der Fertigung achten musste.

Eisentoner mit Nickel und Titan

Heute lässt sich stabilerer und elastischerer Verbundstahl als der damals kunst- und mühevoll gefertigte mit einem 3-D-Drucker herstellen, wie ein Team um Philipp Kürnsteiner vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung in der aktuellen Ausgabe von Nature bekannt gemacht hat. Sie entwickelten ein Verfahren, mit dem sich Metallpulver mit Hilfe von Lasern so gezielt sintern kann, dass sich die Eigenschaften verschiedener Schichten gezielt festlegen lassen.

Harte, martensitreiche Zwischenschichten erzeugt man in diesem Verfahren dadurch, dass man dem "Eisentoner" entsprechende Anteile Nickel und Titan beimengt. Sie alleine reichen aber nicht aus, um das Martensit entstehen zu lassen. Erst dadurch, dass auf den Druck genau festgelegte Temperaturänderungen erfolgen, lassen sich die atomaren Strukturen und damit die Eigenschaften optimieren.

Auf den ersten Blick hat die Herstellung von Damaszenerstahl im 3-D-Drucker nur begrenzte wirtschaftliche Bedeutung - denn selbst Völker wie die Danakil, die noch Schwerter benutzen, fertigen sie heute meist aus den Federn der Lastwagen, die sie überfallen. Auf den zweiten Blick demonstriert die Methode jedoch, dass die 3-D-Druckverfahren gerade dabei sind, die außer für Betriebe nur für begrenzte Gruppen von Ersatzteilsuchern und Bastlern interessante Phase der Fertigung von Teilen aus nur einem Material zu verlassen und sich der Herstellung alltagstauglicher Güter anzunähern, welche meist aus einem Verbund von mehreren Stoffen mit verschiedenen Eigenschaften bestehen.

Aber auch im begrenzteren Bereich der Metallverarbeitung öffnete die Errungenschaft neue Perspektiven - etwa für Gleit- und Wälzlager im Maschinen- und Automobilbau.