Additive Fertigung Wie metallischer 3D-Druck das Leben von Stahlbauteilen verlängert

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Brücken, Tragwerke und industrielle Konstruktionen aus Stahl werden oft über Jahrzehnte hinweg belastet. Mit zunehmendem Alter können Ermüdungsrisse die Sicherheit beeinträchtigen. Empa-Forschende untersuchen deshalb, wie sich Stahlbauteile reparieren oder neu konzipieren lassen – mithilfe von metallischem 3D-Druck.

Ein dünner Riss durchzieht die Stahlplatte. Als der Roboterarm über die Schwachstelle fährt, entsteht nicht nur eine einzelne Schweißnaht, sondern eine dreidimensionale Metallverstärkung. Möglich macht dies ein Verfahren namens „Wire Arc Additive Manufacturing“ (WAAM). Dabei wird ein Schweißdraht mithilfe eines Lichtbogens Schicht für Schicht auf defekte Stellen förmlich „aufgedruckt“.
Anders als beim klassischen Schweißen verbindet der metallische 3D-Druck nicht nur Bauteile miteinander, sondern ermöglicht Verstärkungen mit einer maßgefertigten Geometrie und optimierter Produktion. So lassen sich geschädigte Bereiche lokal und wirksam verstärken, ohne die gesamte schadhafte Komponente ersetzen zu müssen. Forschende der Empa wollen das Verfahren anwenden, um gerissene Teile von Brücken und Tragwerken zu reparieren. Denn die fest eingebauten Stahlbauteile lassen sich häufig kaum oder nur mit einem großen Aufwand ersetzen.

Eine optimierte Geometrie verteilt die Spannungen so, dass die Ausbreitung bestehender Risse gestoppt oder deutlich verlangsamt wird.

Hossein Heydarinouri

Geometrie ist entscheidend, nicht die 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.“ So konnten Forschende der Empa und ETH Zürich etwa im Rahmen einer Masterarbeit die Lebensdauer der untersuchten beschädigten Stahlplatten um bis zu viermal verlängern.
In umfangreichen Versuchen wurden in der Bauhalle der Empa gerissene Stahlplatten mit unterschiedlich geformten Metallverstärkungen versehen und anschließend wiederholt belastet. Dabei zeigten alle verstärkten Proben eine deutlich höhere Ermüdungslebensdauer als nicht reparierte Vergleichsplatten. Besonders wirkungsvoll erwiesen sich dabei zweilagige, abgestufte Verstärkungsgeometrien.
Gleichzeitig zeigt die Studie auch die Grenzen des Ansatzes auf. Wird die Geometrie ungünstig gewählt, 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.

Reparaturen sparen Material, Energie und Kosten

Ermüdungsrisse gehören zu den häufigsten Schäden im Stahlbau, und eine gezielte Verstärkung ist deutlich effizienter als das schadhafte Bauteil vollständig zu ersetzen. „Mittels 3D-Druck können wir Metallverstärkungen genau dort anbringen, wo sie strukturell benötigt werden“, sagt Heydarinouri. „Reparaturen sparen Material, Energie und Kosten.“
Trotz des großen Potenzials ist der Weg in die Praxis noch mit Herausforderungen verbunden. Der metallische 3D-Druck wird derzeit mit industriellen Robotersystemen umgesetzt, die sich nur begrenzt 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.“ Zwar gibt es erste Ansätze für mobile oder portable Robotersysteme, doch für einen breiten Einsatz direkt vor Ort sind weitere Entwicklungen nötig. Dennoch sieht das Forschungsteam Vorteile für Anwendungen, bei denen Bauteile gut zugänglich sind oder bei Instandhaltungsarbeiten ausgebaut werden können.

Der 3D-Druck gibt uns eine enorme geometrische Freiheit. Wir können Strukturen gezielt optimieren – etwa um Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Tragfähigkeit zu erhalten oder sogar zu optimieren. 

Hossein Heydarinouri

Neben der Reparatur beschädigter Bauteile arbeitet das Team um Empa-Forscher Heydarinouri auch an weiterführenden Konzepten. Die Kombination aus intelligenten Geometrien, metallischem 3D-Druck und neuen Materialien ermöglicht Metallstrukturen, die unter extremen Belastungen bewusst nachgeben, dabei Energie aufnehmen und sich danach möglichst wieder in ihre ursprüngliche Form wandeln oder zumindest bleibende Schäden vermeiden. Sie könnten künftig als metallische Dämpfungselemente für Erdbeben oder Schwingungen eingesetzt werden – etwa in Brücken, Gebäuden oder technischen Anlagen. Im Maschinenbau sieht der Empa-Forscher Potenzial, etwa für leichte, aber hochbelastete Bauteile in Produktionsmaschinen. Besonders dort, wo nur wenige, geometrisch optimierte Komponenten benötigt werden, spielt WAAM seine Stärken aus. „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.“
Zudem erforscht die Empa-Materialwissenschaftlerin Maryam Mohri, wie sich mit Formgedächtnislegierungen („Shape Memory Alloys“, SMA) die Eigenschaften gezielt weiterentwickeln lassen. Diese „intelligenten“ Materialien besitzen die Fähigkeit, nach einer Verformung – etwa durch Erwärmung – wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Auf diese Weise lassen sich verbesserte Materialeigenschaften mit maßgeschneiderten Geometrien kombinieren, was neue Möglichkeiten für materialeffiziente und adaptive Metallbauteile eröffnet. Die entsprechenden Geometrien werden an der Empa mithilfe numerischer Simulationen entwickelt und anschließend experimentell getestet. So stellen die Forschenden sicher, dass die gedruckten Bauteile realistische Bedingungen erfüllen und für industrielle Anwendungen geeignet sind.