Stahlbrücken und Tragwerke altern unter Last. Ermüdungsrisse sind keine Seltenheit – aber der Ersatz fest verbauter Bauteile ist teuer, aufwändig und häufig kaum möglich. Empa-Forschende untersuchen deshalb, wie sich beschädigte Stahlbauteile mithilfe von metallischem 3D-Druck reparieren lassen: gezielt, materialeffizient und ohne den Einbau auszubauen.
Das Verfahren: Schicht für Schicht über den Riss
Beim «Wire Arc Additive Manufacturing» (WAAM) wird ein Schweissdraht mithilfe eines Lichtbogens Lage für Lage auf defekte Stellen aufgetragen. Anders als beim klassischen Schweissen, das zwei Teile verbindet, entsteht dabei eine dreidimensionale Metallverstärkung mit massgeschneiderter Geometrie. Ein Roboterarm fährt über die schadhafte Stelle – und «druckt» ihr eine neue Tragstruktur direkt auf.
Geometrie schlägt Materialmenge
Entscheidend ist nicht, wie viel Material aufgetragen wird, sondern wie. «Eine optimierte Geometrie verteilt die Spannungen so, dass die Ausbreitung bestehender Risse gestoppt oder deutlich verlangsamt wird», erklärt Hossein Heydarinouri von der Empa-Abteilung Ingenieur-Strukturen. In Versuchen an gerissenen Stahlplatten konnten Forschende der Empa und ETH Zürich die Ermüdungslebensdauer um bis zu das Vierfache verlängern. Besonders wirksam erwiesen sich zweilagige, abgestufte Verstärkungsgeometrien. Wichtig: Eine ungünstig gewählte Form kann neue Spannungskonzentrationen erzeugen – das Design der Verstärkungsstruktur muss sorgfältig optimiert werden.
Die Lücke zwischen Labor und Baustelle
So überzeugend die Laborresultate sind – der Weg in die Praxis hat noch seine Tücken. Die industriellen Robotersysteme, mit denen WAAM heute umgesetzt wird, lassen sich nur begrenzt transportieren. «Beschädigte Bauteile sind meist im Bauwerk verbaut», sagt Heydarinouri. «Heute müssten sie für eine Reparatur in die Werkstatt gebracht werden, was in der Praxis nicht immer realistisch ist.» Mobile Robotersysteme existieren als erste Ansätze, für den Breiteneinsatz braucht es aber noch weitere Entwicklungen.
Vom Riss zur intelligenten Struktur
Die Empa-Forschung geht indes über die reine Schadensreparatur hinaus. Materialwissenschaftlerin Maryam Mohri untersucht, wie sich Formgedächtnislegierungen («Shape Memory Alloys», SMA) in WAAM-Strukturen integrieren lassen. Diese Materialien kehren nach einer Verformung in ihre ursprüngliche Form zurück – ein Ansatz, der für Dämpfungselemente bei Erdbeben oder Schwingungen relevant werden könnte. Das Ziel: Bauteile, die nicht nur repariert, sondern von Anfang an geometrisch optimiert und adaptiv konzipiert werden.