Was sind eigentlich Dendrite?

Der Begriff Dendrit ist in verschiedenen Bereichen vorzufinden. Das wohl bekannteste Beispiel für Dendriten sind Schneeflocken (Abb. 1a) mit ihren unzähligen elegant ausgeformten Zweigen in hexagonaler Symmetrie. Sie entstehen bei der Kristallisation einer übersättigten Gasphase, wenn ist die Kristallisations-Umgebung für alle Seiten eines kleinen Kristallisationskeims nahezu identisch ist. Das Wachstum der sechs Fortsätze verläuft fast gleichartig.
Das Wort Dendrit ist griechischen Ursprungs (dendron steht für „ähnlich zu“, drys für „Baum“) und wird oft mit Tannenbaum übersetzt. Allgemein verstehen wir darunter ein räumliches Gebilde mit Armen und Zweigen (sekundäre Arme).
In der Biologie werden als Dendrite Zellfortsätze von Nervenzellen, die aus dem Zellkörper hervorgehen und vorwiegend der Reizaufnahme dienen bezeichnet. Dabei sollen sie nicht mit dendritischen Zellen des Immunsystems verwechselt werden.
Auch in Mineralien finden wir Dendrite, wie beispielsweise in einem Grossular aus der Granat-Gruppe in Abb. 1b. Sie bilden sich häufig auf Schichtflächen durch Abscheidung aus eindringenden Lösungen und werden fälschlicherweise oft „versteinertes Moos“ genannt.

                             Abb. 1 Verschiedene Dendrite a) Schneeflocke, b) Dendrite in einem Grossular, c) Zink-Dendrit
In der der Metallo- und Kristallographie spielen Dendrite eine wichtige Rolle. Diese baum- oder strauchartige Kristallstrukturen entstehen bei der Erstarrung einer Schmelze, wenn die Kristallstruktur bevorzugte Wachstumsrichtungen aufweist. Das Wachstum der Kristalle erfolgt niemals gleichmäßig, insbesondere wenn bei der Abkühlung ständig neue Keime gebildet werden und die Kristallisation in bestimmten Kristallrichtungen besonders rasch verläuft. Von Eigen- oder Fremdkeimen ausgehend wachsen einzelne Kristallnadeln in bevorzugte Richtungen, entsprechend der Wärmeabführung in der Schmelze. Nach kurzen Wachstumszeiten entstehen weitere Kristalle rechtwinklig an den vorhandenen Transkristalliten in allen Richtungen. Dies führt zu den tannenbaumartigen Strukturen. Ein schönes Beispiel von Dendriten aus Zink ist in Abb. 1c dargestellt. Langsame Abkühlgeschwindigkeiten (etwa 102 K/s) oder lange lokale Erstarrungszeiten führen zu groben Dendritstrukuren mit großem Dendritenarmabständen, was auch in Abb. 1c zu sehen ist.
Dendritsche Gussgefüge weißen gegenüber solchen mit kugeligen Körnern häufig schlechtere mechanische Eigenschaften auf. Außerdem sind die Zwischenräume der Dendritenarme bevorzugte Orte für die Anreicherung von Verunreinigungen oder die Bildung von Mikroporen aufgrund der Volumenkontraktion beim Erstarren der Schmelze. Daher werden oft Umformvorgänge (z.B. Schmieden, Warmwalzen) nachgeschaltet, um das dendritische Gefüge wenigstens teilweise in ein normales Korngefüge umzuwandeln.

                                               Abb. 2 Lunker mit Dendriten in einer Bagger-Schaufel (Quelle: IWS Hamburg)
In der Gießtechnik gehören Dendrite zu den unerwünschten Erscheinungen. Jede Gießerei ist bestrebt, den Gießvorgang so zu optimieren, dass fehlerhafte Gusserzeugnisse entstehen. Besonders kritisch ist der Zeitraum, in dem das heiße flüssige Metall noch langsam abkühlt und zu erstarren beginnt. Wenngleich Dendrite anfangs nur wenig kristallisiertes Metall bilden, sind sie von entscheidender Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften des späteren Werkstücks. Manchmal kann jedoch der Gießvorgang total schlecht ablaufen, was mithilfe der Abb. 2. veranschaulicht werden kann. In der Gabel einer Baggerschaufel aus einem unlegierten Stahlguss hat sich beim Gießen ein Riesenlunker mit vielen großen Dendriten gebildet, was unmittelbar zu einem Bruch der Schaufel führte. Diese Dendrite waren bereits mit bloßem Auge erkennbar. Somit war die Ursache des Schadenfalls sofort klar. In der Praxis stellen jedoch solche extremen Fälle eine Ausnahme dar. Und das ist gut so.<<