de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) nutzt die Lichtbogen-Draht-Auftragschweißtechnologie (WAAM), um beschädigte Stahlbauteile zu reparieren und zu verstärken und so die Lebensdauer von Infrastrukturen wie Brücken zu verlängern. Bei dieser Technologie wird Metall Schicht für Schicht auf ein Substrat aufgetragen, indem ein Schweißdraht mit einem Roboterarm und einem Lichtbogen geschmolzen wird. So können „Flicken" auf gerissene oder beschädigte Stahlkonstruktionen aufgebracht werden.
Stahl wird in Baukonstruktionen weit verbreitet eingesetzt, kann jedoch durch Korrosion oder Spannungen beschädigt werden. Die Reparatur gerissener Stahlbauteile ist oft kostspielig und schwierig durchzuführen. Die Forschung der Empa zielt darauf ab, dieses Problem zu lösen, indem die Geometrie der 3D-gedruckten Verstärkungen optimiert wird, um Spannungen zu verteilen und die Rissausbreitung zu stoppen oder zu verlangsamen. Das Team betont, dass für die Wirksamkeit der Verstärkung die Form entscheidend ist, nicht die Materialmenge.
In Experimenten druckten die Forscher Stahlverstärkungen auf gerissene Stahlplatten unterschiedlicher Größe und führten wiederholte Belastungstests durch. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ermüdungslebensdauer der mit WAAM reparierten Stahlplatten um bis zu das Vierfache verlängert werden konnte. Am besten schnitten Platten mit zweistufigen, treppenartigen Verstärkungen ab.
Allerdings birgt die Methode auch Herausforderungen. Eine ungünstig gestaltete Geometrie des 3D-gedruckten Flickens kann zu neuen Spannungskonzentrationen führen; die Risikostelle liegt im Kontaktbereich zwischen dem aufgetragenen Metall und dem Stahlsubstrat. Zudem basieren die meisten WAAM-Systeme auf Industrierobotern, deren Transport zu Infrastrukturstandorten vor Ort schwierig ist. Derzeit müssen beschädigte Bauteile demontiert und zur Reparatur in die Werkstatt gebracht werden, was für in Konstruktionen eingebaute Teile unpraktisch ist. Die Entwicklung mobiler WAAM-3D-Drucker könnte diese Situation verbessern.
Neben Reparaturanwendungen erforscht das Empa-Team auch die Nutzung der metallischen additiven Fertigung und intelligenter Geometrien zur Herstellung von Strukturen, die unter extremen Lasten nachgeben und sich nach Lastabnahme wieder in ihre ursprüngliche Form zurückverformen. Solche Strukturen eignen sich für erdbebengefährdete Regionen sowie für Brücken und technische Anlagen, die vibrationsbeständig sein müssen. Das Forschungsteam befasst sich zudem mit der Herstellung von Maschinenbauteilen, die spannungsbeständig sein und ein minimales Gewicht aufweisen müssen.
Die metallische WAAM-Technologie zeigt ein großes Potenzial im Reparaturbereich. Beispielsweise wird sie in der maritimen Industrie für bedarfsgerechte Reparaturen eingesetzt. Das Team erklärt, dass durch den 3D-Druck Metallverstärkungen präzise an den Stellen aufgebracht werden können, wo die Struktur sie benötigt, wodurch Material, Energie und Kosten gespart werden.
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