Damaststaal uit de 3D printer

Het Fraunhofer Institut für Lasertechnologie (ILT) in Aken en het Max Planck Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf hebben met succes zogenaamd Damaststaal 3D geprint met lasercladden (DED-technologie). De warmtebehandeling vindt al plaats tijdens het lasercladden. Zo kun je verschillende hardheidsprofielen in één werkstuk integreren.

---

Experts herkennen het Damaststaal in één oogopslag aan de lichte en donkere lagen, waardoor het zowel taai als hard is. Het is een vuurgelast gelamineerd staal; een typisch materiaal voor het smeden van zwaarden, zoals het Excalibur zwaard.

Relatief korte temperatuurpieken

Onderzoekers van het Fraunhofer ILT en het Max Planck Instituut produceren nu direct onderdelen met lasercladden (DED-technologie). Ze gebruiken hiervoor als basis een precipitatiehardende legering op ijzerbasis, in een andere samenstelling bekend als maragingstaal. Andreas Weisheit, groepsleider Materials for Additive Manufacturing bij het Fraunhofer ILT. “Het reageert op relatief korte temperatuurpieken met neerslagvorming, wat de hardheid en sterkte verhoogt. Dit gegeven kan specifiek worden gebruikt wanneer het laag voor laag wordt opgebouwd”.

Microstructuur veranderen

Dergelijke composietmaterialen bestaan uit dunne lagen waarvan de microstructuur kan worden veranderd door specifieke temperatuursinvloeden in het proces, de zogenaamde intrinsieke warmtebehandeling. De onderzoekers uit Aken en Düsseldorf gebruikten hiervoor de lasercladding technologie. Lasercladden biedt het voordeel dat de temperatuur heel precies te beïnvloeden is dankzij de nauwkeurige procesbeheersing. Met andere woorden, de warmtebehandeling wordt al tijdens het 3D printproces uitgevoerd.

• 

• 

• 

Eliminatie van het uitharden in de ovens

Het klassieke productieproces van damaststaal (oftewel Damascusstaal) wordt afgerond met gloeien in een oven. Hierbij wordt het materiaal vaak enkele uren op hoge temperatuur gehouden, zodat het langzaam verhardt. Markus Benjamin Wilms, onderzoekmedewerker bij het Fraunhofer ILT: “Bij ons gebeurt dit tijdens het 3D printproces. Dit betekent dat we geheel of gedeeltelijk kunnen afzien van de laatste warmtebehandeling”. De cyclische verwarming van reeds aangebrachte lagen wordt gebruikt om volgende lagen aan te brengen. De daaropvolgende warmtebehandeling in een oven is altijd nodig als de vorming van precipitaten in legeringen te traag verloopt. Bij het 3D printen van de ijzer-nikkel-titanium structuren werd het proces na elke nieuw aangebrachte laag kort onderbroken, zodat het metaal kon afkoelen tot onder 195 °C. “We hebben de transformatie nodig van de austeniet naar de martensietstructuur,” zegt Andreas Weisheit. “Alleen met kleine, gedoseerde temperatuurpieken slagen we erin.”

Lasercladden is niet alleen geschikt voor staalcomposieten

De grenzen van het lasercladden zitten dus in het materiaal. “Natuurlijk moet je een materiaal hebben dat reageert op deze korte tijd-temperatuurcycli,” zegt Andreas Weisheit. “Maar lasercladden is niet alleen geschikt voor composieten op basis van ijzer, het werkt ook met aluminiumlegeringen, zoals tests hebben aangetoond.” Het principe van de intrinsieke warmtebehandeling door middel van lasercladding kan dus op andere legeringssystemen worden toegepast. Voorwaarden zijn wel dat de legering ‘printbaar’ is en dat het precipitatie harden relatief snel verloopt.

Van kubus naar piramidevorm

De beperking is tot nog toe de geometrie. Tot nog toe lukt het alleen bij eenvoudige geometrieën, zoals kubussen. “Als we het proces verder ontwikkelen, kunnen er nog complexere structuren worden gebouwd. We hebben al zeer complexe vormen in het materiaal geprint, bijvoorbeeld piramidevormige en driehoekige hardheidsprofielen”, zegt Markus Benjamins Wilms. De Fraunhofer onderzoekers denken dat het principe ook gebruikt kan worden in combinatie met laser poederbed smeltprocessen (LPBF). Dat heeft met name de voorkeur voor het produceren van complexe componenten met een zeer hoge detaillering én verschillende hardheidsprofielen in het werkstuk.

Derde toestand mogelijk?

Andreas Weisheit ziet beide processen niet concurreren met elkaar, maar eerder elkaar aanvullen. Afhankelijk van de toepassing kiest men dan voor de ene of andere technologie. Een ander idee dat de onderzoekers hebben is het creëren van een derde toestand van het materiaal, bijvoorbeeld naast de volledig en niet uitgeharde laag een gedeeltelijk uitgeharde zone. Andreas Weisheit: “Tot nu toe hebben we altijd gewerkt met de pauzetijden. Maar de temperatuurregeling kan ook worden beïnvloed door andere procesparameters zoals het laservermogen.

De twee onderzoekers hebben in het tijdschrift Nature een wetenschappelijk artikel High strength damascus steel by additive manufacturing gepubliceerd. Dat vind je hier. Ze zoeken nu industriepartners om de technologie verder te ontwikkelen.