Metallischer 3D-Druck verlängert Lebensdauer von Stahlbauteilen

Brücken, Tragwerke und industrielle Konstruktionen aus Stahl werden oft über Jahrzehnte hinweg belastet. Mit zunehmendem Alter können Ermüdungsrisse die Sicherheit beeinträchtigen. Der Ersatz fest verbauter Bauteile ist jedoch häufig kaum realisierbar oder sehr aufwändig. Forschende der Empa untersuchen deshalb, wie sich Stahlbauteile mithilfe des metallischen 3D-Drucks gezielt reparieren lassen. Zum Einsatz kommt das Verfahren „Wire Arc Additive Manufacturing“ (WAAM). Dabei wird ein Schweißdraht mithilfe eines Lichtbogens Schicht für Schicht auf defekte Stellen aufgetragen.

Metallischer 3D-Druck mit maßgefertigter Geometrie

Anders als beim klassischen Schweißen verbindet der metallische 3D-Druck nicht nur Bauteile miteinander, sondern ermöglicht Verstärkungen mit maßgefertigter Geometrie. So lassen sich geschädigte Bereiche lokal verstärken, ohne die gesamte Komponente ersetzen zu müssen. „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 gemeinsamen Masterarbeit von Empa und ETH Zürich konnte die Lebensdauer beschädigter Stahlplatten dadurch um bis zu das Vierfache verlängert werden.

Großes Potential für metallisches 3D-Druckverfahren

In umfangreichen Versuchen wurden gerissene Stahlplatten mit unterschiedlich geformten Metallverstärkungen versehen und anschließend wiederholt belastet. Alle verstärkten Proben zeigten eine deutlich höhere Ermüdungslebensdauer als nicht reparierte Vergleichsplatten. Besonders wirkungsvoll erwiesen sich zweilagige, abgestufte Verstärkungsgeometrien. Gleichzeitig zeigte die Studie, dass eine ungünstige Geometrie neue Spannungskonzentrationen verursachen kann. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig ein gezieltes Design der Verstärkungsstruktur ist“, so Heydarinouri. Langfristig sieht die Empa weiteres Potenzial für WAAM. Neben der Reparatur beschädigter Bauteile könnten durch die Kombination aus intelligenten Geometrien, metallischem 3D-Druck und neuen Werkstoffen künftig leichte, hochbelastbare und adaptive Metallstrukturen für den Stahl- und Maschinenbau entstehen.