Stahlkonstruktionen wie Brücken, Tragwerke oder industrielle Anlagen sind über Jahrzehnte hohen Belastungen ausgesetzt. Mit der Zeit können sich Ermüdungsrisse bilden, die die Sicherheit der Bauteile gefährden. Da fest installierte Elemente sich häufig nur schwer oder mit hohem Aufwand austauschen lassen, suchen Empa-Forschende nach Alternativen: Metallischer 3D-Druck soll künftig nicht nur zur Reparatur beschädigter Stahlbauteile dienen, sondern auch neue Möglichkeiten für deren Konzeption eröffnen.
Ein feiner Riss zieht sich durch die Stahlplatte. Fährt der Roboterarm über die beschädigte Stelle, entsteht keine gewöhnliche Schweißnaht, sondern eine dreidimensionale Verstärkung aus Metall. Grundlage dafür ist ein Verfahren mit der Bezeichnung „Wire Arc Additive Manufacturing” (WAAM), bei dem ein Schweißdraht mithilfe eines Lichtbogens Schicht um Schicht auf die schadhafte Stelle aufgetragen wird.
Im Unterschied zum herkömmlichen Schweißen dient der metallische 3D-Druck hier nicht dem Verbinden von Bauteilen, sondern der gezielten Verstärkung mit individuell gestalteter Geometrie. Beschädigte Bereiche lassen sich so lokal ausbessern, ohne das gesamte Bauteil austauschen zu müssen. Empa-Forschende wollen dieses Verfahren nutzen, um gerissene Elemente von Brücken und Tragwerken instand zu setzen – denn fest verbaute Stahlteile sind oft nur mit erheblichem Aufwand oder gar nicht ersetzbar.
Form vor Materialmenge
„Entscheidend ist nicht, möglichst viel Material aufzutragen”, erklärt Hossein Heydarinouri von der Empa-Abteilung Ingenieur-Strukturen. „Viel wichtiger ist die Form: Eine optimierte Geometrie verteilt die Spannungen so, dass die Ausbreitung bestehender Risse gestoppt oder deutlich verlangsamt wird.”
Im Rahmen einer Masterarbeit gelang es Forschenden von Empa und ETH Zürich, die Lebensdauer beschädigter Stahlplatten um das bis zu Vierfache zu verlängern.
In umfangreichen Tests in der Bauhalle der Empa wurden gerissene Stahlplatten mit unterschiedlich geformten Metallverstärkungen versehen und danach wiederholten Belastungen ausgesetzt. Das Ergebnis war eindeutig: Sämtliche verstärkten Proben wiesen eine deutlich höhere Ermüdungslebensdauer auf als unreparierte Vergleichsplatten. Als besonders wirksam erwiesen sich zweilagige, abgestufte Verstärkungsgeometrien.
Die Studie zeigt jedoch auch Grenzen des Verfahrens auf: Bei ungünstig gewählter Geometrie können neue Spannungskonzentrationen entstehen, etwa an den Übergängen zwischen Grundmaterial und aufgedrucktem Metall.
„Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig ein gezieltes Design der Verstärkungsstruktur ist“, so Heydarinouri.
Hürden beim Praxiseinsatz
Ermüdungsrisse zählen zu den häufigsten Schäden im Stahlbau. Eine gezielte Verstärkung ist dabei deutlich effizienter als der vollständige Austausch eines beschädigten Bauteils.
„Mittels 3D-Druck können wir Metallverstärkungen genau dort anbringen, wo sie strukturell benötigt werden”, sagt Heydarinouri. „Reparaturen sparen Material, Energie und Kosten.”
Trotz dieses Potenzials ist der Weg in die praktische Anwendung noch mit Hürden verbunden. Derzeit erfolgt der metallische 3D-Druck mit industriellen Robotersystemen, die sich nur eingeschränkt transportieren lassen.
„Beschädigte Bauteile sind meist im Bauwerk verbaut”, so Heydarinouri. „Heute müssten sie für eine Reparatur in die Werkstatt gebracht werden, was in der Praxis nicht immer realistisch ist.”
Erste Ansätze für mobile oder portable Robotersysteme existieren zwar bereits, für einen breiten Einsatz direkt vor Ort sind jedoch weitere Entwicklungsschritte notwendig. Das Forschungsteam sieht dennoch Vorteile bei Anwendungen, bei denen Bauteile gut zugänglich sind oder im Rahmen von Instandhaltungsarbeiten ausgebaut werden können.
Von der Reparatur zum intelligenten Strukturdesign
Neben der Reparatur beschädigter Bauteile arbeitet das Team um Heydarinouri auch an weiterführenden Konzepten. Die Verbindung aus intelligenten Geometrien, metallischem 3D-Druck und neuen Materialien soll künftig Metallstrukturen ermöglichen, die unter extremer Belastung gezielt nachgeben, dabei Energie aufnehmen und anschließend in ihre ursprüngliche Form zurückkehren oder zumindest bleibende Schäden vermeiden. Denkbar wäre ein Einsatz als metallische Dämpfungselemente gegen Erdbeben oder Schwingungen, etwa in Brücken, Gebäuden oder technischen Anlagen. Der Empa-Forscher sieht zudem Potenzial im Maschinenbau, etwa für leichte, aber stark belastete Bauteile in Produktionsmaschinen. Gerade dort, wo nur wenige, geometrisch optimierte Komponenten gebraucht werden, kann WAAM seine Vorteile ausspielen.
„Der 3D Druck gibt uns eine enorme geometrische Freiheit”, sagt Heydarinouri. „Wir können Strukturen gezielt optimieren – etwa um Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Tragfähigkeit zu erhalten oder sogar zu optimieren.”
Parallel dazu untersucht die Empa-Materialwissenschaftlerin Maryam Mohri, wie sich mit Formgedächtnislegierungen („Shape Memory Alloys”, SMA) die Materialeigenschaften gezielt weiterentwickeln lassen. Diese Materialien besitzen die Fähigkeit, nach einer Verformung – etwa durch Erwärmung – wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. So lassen sich verbesserte Materialeigenschaften mit maßgeschneiderten Geometrien kombinieren, was neue Möglichkeiten für materialeffiziente und adaptive Metallbauteile eröffnet. Die entsprechenden Geometrien entwickelt die Empa mithilfe numerischer Simulationen und testet sie anschließend experimentell – um sicherzustellen, dass die gedruckten Bauteile realistischen Bedingungen standhalten und für industrielle Anwendungen geeignet sind.
Quelle: Empa
