Το θρυλικό δαμασκηνό ατσάλι στον 21ο αιώνα, μέσω 3D εκτύπωσης
«Σαΐτες μου αλεξαντρινές, καμιά να μη λυγίσει, κι εσύ σπαθί μου διμισκί, να μην αποστομώσεις»: Στον συγκεκριμένο στίχο του ακριτικού τραγουδιού «Του Μικρού Βλαχόπουλου», ο ήρωας απευθύνεται στο άλογο και στα όπλα του- και μεταξύ αυτών είναι το δαμασκηνό του σπαθί- μια λεπίδα- έργο θαυμαστής τεχνικής. Το «δαμασκηνό ατσάλι» ήταν φημισμένο κατά τον μεσαίωνα, ως ένα κράμα αρκετά σκληρό και ανθεκτικό, αλλά και ευλύγιστο, άρα ιδανικό για σπαθιά- οπότε οι λεπίδες που φτιάχνονταν από αυτό ήταν ξακουστές, και τα μυστικά των οπλουργών και σιδηρουργών που το έφτιαχναν παρέμειναν μυστικά για αιώνες. Το δαμασκηνό ατσάλι (πήρε το όνομά του από τη Δαμασκό της Συρίας) αποτελείται από στρώματα διαφορετικών κραμάτων σιδήρου- και σύγχρονοι ερευνητές του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ για Μελέτες Σιδήρου (MPIE) και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας Λέιζερ Fraunhofer στο Άαχεν ανέπτυξαν μια τεχνική που επιτρέπει την παραγωγή αυτού του είδους ατσαλιού στρώμα με στρώμα, σε 3D εκτυπωτή. Η σκληρότητα του κάθε μεμονωμένου στρώματος μπορεί να τροποποιηθεί κατά βούληση, και τέτοιου είδους κράματα θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμα για εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική βιομηχανία, ή εργαλεία που παράγονται από 3D εκτυπωτές.
Οι σιδηρουργοί του παρελθόντος επηρέαζαν τις ιδιότητες των κραμάτων σιδήρου μόνο «πειράζοντας» την περιεκτικότητα σε άνθρακα, επιδιώκοντας να πετύχουν τον ιδανικό συνδυασμό σκληρότητας, αντοχής και ευλυγισίας ώστε τα σπαθιά να μην σπάνε αλλά ούτε και να λυγίζουν μέσα στη μάχη. Όπως αναφέρεται σε ανάρτηση στην ιστοσελίδα της Εταιρείας Μαξ Πλανκ για την Προαγωγή της Επιστήμης (Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften) Κέλτες τεχνίτες συνδύαζαν διάφορα κράματα σιδήρου, φτάνοντας στο υλικό που αργότερα θα γινόταν γνωστό ως δαμασκηνό ατσάλι ή damask. Το όνομά του, όπως προαναφέρθηκε, προήλθε από τη Δαμασκό, από όπου έγινε ευρύτερα γνωστό στην Ευρώπη. Αν και το ινδικό και το αραβικό damask παραγόταν μέσω μιας πολύπλοκης σιδηρουργικής διαδικασίας, οι Ευρωπαίοι σιδηρουργοί ανέπτυξαν την τεχνική του διπλώματος δύο κραμάτων σε πολλά λεπτά στρώματα. Η δομή αυτή του δαμασκηνού ατσαλιού συνήθως αναγνωρίζεται χάρη στο χαρακτηριστικό του μοτίβο με τις λωρίδες.
Αν και υπάρχουν κράματα τα οποία είναι ταυτόχρονα σκληρά και ανθεκτικά, συχνά δεν ενδείκνυνται για τη διαδικασία της 3D εκτύπωσης, οπότε και δεν εκμεταλλεύονται πλήρως τα πλεονεκτήματα της διαδικασία αυτής. Επιστήμονες του MPIE και του Ινστιτούτου Fraunhofer ανέπτυξαν ένα ατσάλι που αποτελείται από μόνο ένα αρχικό υλικό, μα είναι φτιαγμένο από εναλλασσόμενα σκληρά και ελατά στρώματα- ένα είδος δαμασκηνού ατσαλιού μέσω 3D εκτύπωσης.
«Καταφέραμε να τροποποιήσουμε τη μικροδομή των μεμονωμένων στρωμάτων κατά το 3D printing έτσι ώστε το τελικό προϊόν να έχει τις επιθυμητές ιδιότητες- και όλο αυτό χωρίς τη θερμική επεξεργασία του ατσαλιού» είπε ο Φιλίπ Κερνστάινερ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο MPIE.
Οι 3D εκτυπωτές για additive manufacturing (ο τεχνικός όρος για τη συγκεκριμένη διαδικασία) έχουν καθιερωθεί σε πολλούς τομείς της βιομηχανίας μέσα σε λίγα μόλις χρόνια. Επιτρέπουν την παραγωγή πλαστικών μα και μεταλλικών εξαρτημάτων. Το εκάστοτε κράμα εισάγεται ως σκόνη, λιώνει με λέιζερ και εφαρμόζεται στρώμα- στρώμα για τον σχηματισμό του επιθυμητού προϊόντος. Τα τελευταία χρόνια έχουν παραχθεί, μεταξύ άλλων, ακροφύσια για καύσιμα σε κινητήρες αεροσκαφών, μέσω αυτής της μεθόδου, που είναι επίσης γνωστή ως laser cladding. H ακτίνα λέιζερ δεν επιτρέπει μόνο το λιώσιμο του υλικού, μα και τη θέρμανση του ανώτατου στρώματος του ήδη επαναστερεοποιημένου μετάλλου- και αυτό ακριβώς χρησιμοποίησαν οι ερευνητές στο Ντίσελντορφ για να αλλάξουν την κρυσταλλική δομή του ατσαλιού σε ξεχωριστά μεταλλικά στρώματα, και ως εκ τούτου να επηρεάσουν τις μηχανικές ιδιότητες χωρίς να αλλάξουν τη χημική σύνθεση.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα ατσάλι αποτελούμενο από σίδηρο, νικέλιο και τιτάνιο. Στην αρχή το κράμα αυτό ήταν σχετικά μαλακό. «Υπό συγκεκριμένες συνθήκες, δημιουργούνται μικρο-δομές νικελίου- τιτανίου...που σκληραίνουν το υλικό» εξηγεί ο Κερνστάινερ. «Όταν υποβάλλονται σε μηχανική πίεση, παρεμποδίζουν την κίνηση των εξαρθρώσεων εντός του κρυσταλλικού πλέγματος που είναι χαρακτηριστική της πλαστικής παραμόρφωσης».
Για να μπορέσουν να δημιουργήσουν τις δομές νικελίου- τιτανίου, οι ερευνητές διέκοπταν τη διαδικασία εκτύπωσης για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα μετά από κάθε νέα εναπόθεση στρώματος. Το μέταλλο στη συνέχεια ψύχεται, κατεβαίνοντας κάτω από τους 195 βαθμούς Κελσίου. «Κάτω από αυτήν τη θερμοκρασία, λαμβάνει χώρα μια μεταμόρφωση της κρυσταλλικής δομής στο ατσάλι» εξηγεί ο Έρικ Γιέγκλε, επικεφαλής ομάδας που ασχολείται με κράματα για additive manufacturing στο ινστιτούτο. « Σχηματίζεται η αποκαλούμενη φάση μαρτενσίτη, και μόνο σε αυτή τη φάση μπορούν να δημιουργηθούν μικροδομές νικελίου- τιτανίου», πρόσθεσε. Ωστόσο για μπορέσουν να σχηματιστούν τα σχετικά ιζήματα απαιτείται επαναθέρμανση, και για τον σκοπό αυτό αξιοποιείται η ενέργεια του λέιζερ που χρησιμοποιείται για την εναπόθεση των στρωμάτων. Το επιπρόσθετο αυτό φαινόμενο αποκαλείται intrinsic heat treatment και στρώματα τα οποία έχουν καλυφθεί ευθέως με το επόμενο στρώμα χωρίς διακοπή παραμένουν πιο μαλακά.
Σύμφωνα με την ανάρτηση, οι ερευνητές είναι για πρώτη φορά σε θέση να δημιουργήσουν ένα σύνθετο υλικό που αποτελείται από στρώματα με διαφορετικές ιδιότητες από ένα και μόνο αρχικό υλικό, απευθείας κατά τη διαδικασί παραγωγής. Ο Κερνστάινερ δήλωσε εντυπωσιασμένος από τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού που παρήχθη με αυτόν τον τρόπο: «Τα τεστ επιβεβαιώνουν ένα εξαιρετικό συνδυασμό δύναμης κι ευλυγισίας» είπε σχετικά.
