Empa-Forschung: Brücken flicken mit 3D-Metalldruck

Ein Ermüdungsriss in einer Stahlbrücke – geflickt mit Metall aus dem 3D-Drucker? Diesen Ansatz untersuchen derzeit Forschende der Empa. Mit dem Verfahren könnten Stahlbauteile in Brücken, Tragwerken oder industriellen Konstruktionen künftig gezielt repariert oder neu konzipiert werden.

Quelle: Empa

Forschende der Empa wollen beschädigte Brücken und andere Stahlkonstruktionen mithilfe von 3D-Metalldruck reparieren.

Die niederländische Firma «MX3D» hat es vorgemacht: 2021 wurde in Amsterdam die weltweit erste 3D-gedruckte Stahlbrücke eröffnet – ein zwölf Meter langer Fussgängersteg aus rostfreiem Stahl, gedruckt mit robotergestützter «Wire Arc Additive Manufacturing»-Technologie (WAAM). Aufgrund ihrer Lage in einem historischen Kanalgebiet in Amsterdam erhielt die Brücke zwar lediglich eine auf zwei Jahre befristete kommunale Genehmigung; sie wurde inzwischen wieder abgebaut. Für Ingenieure lieferte das Bauwerk dank einem Sensornetzwerk aber bereits interessante Erkenntnisse hinsichtlich Belastung, Verformung und Schwingungen. Aus diesen Daten resultierte ein «Digital Twin» – ein Computermodell, das aufzeigt, wie sich der gedruckte Stahl im Laufe der Zeit verhält.

Während «MX3D» mit der Brücke in Amsterdam ein komplett neues Bauteil gedruckt hat, verfolgen Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) derzeit einen anderen Ansatz mit der WAAM-Technologie: Statt neue Stahlkonstruktionen herzustellen, sollen bestehende, beschädigte Stahlbauteile gezielt repariert oder neu konzipiert werden. Die Idee: Ermüdungsrisse, wie sie in jahrzehntealten Brücken, Tragwerken oder industriellen Konstruktionen entstehen, sollen dank dem WAAM-Verfahren künftig nicht mehr den kompletten Ersatz eines Bauteils erforderlich machen, sondern lokal mit aufgedrucktem Metall verstärkt werden. 

Diese Reparatur übernimmt ein Roboterarm, der über die beschädigte Stelle des Bauteils fährt und dort mithilfe eines Lichtbogens Schicht für Schicht Schweissdraht «aufdruckt». Anders als beim klassischen Schweissen entsteht dabei keine einzelne Schweissnaht, sondern eine dreidimensionale Metallverstärkung mit massgeschneiderter Geometrie.

Geometrie ist zentral

«Insgesamt befindet sich die Technologie noch weitgehend in der Forschungs- und Entwicklungsphase», sagt Hossein Heydarinouri von der Empa-Abteilung Ingenieur-Strukturen auf Anfrage des Baublatts. Für ein Pilotprojekt oder eine praktische Anwendung ist es deshalb noch zu früh. Im Rahmen bisheriger Projekte an der Empa wurden aber bereits die Rissverstärkung metallischer Strukturen, die strukturelle Integrität von WAAM-Bauteilen unter statischen und zyklischen Belastungen sowie der Einsatz innovativer Materialien wie Formgedächtnislegierungen untersucht. 

Ziel sei es, das Potenzial der WAAM-Technologie systematisch zu untersuchen und aufzuzeigen, sagt Heydarinouri. Im Zentrum der Forschung steht die Form der Metallverstärkung: «Entscheidend ist nicht, möglichst viel Material aufzutragen. Viel wichtiger ist die Form: Eine optimierte Geometrie verteilt die Spannungen so, dass die Ausbreitung bestehender Risse gestoppt oder deutlich verlangsamt wird.»

Quelle: Empa

Eine präzise optimierte Geometrie macht die Metallverstärkung robuster.

Dass das Prinzip funktioniert, konnte Lionel Gilliar-Schönenberger im Rahmen seiner Masterarbeit bereits gemeinsam mit Forschenden der Empa und der Professur für Stahlbau und Verbundbau der ETH Zürich nachweisen: Bei umfangreichen Versuchen in der Bauhalle wurden gerissene Stahlplatten mit unterschiedlich geformten Metallverstärkungen versehen und danach wiederholt belastet. Alle verstärkten Proben zeigten dabei eine deutlich höhere Ermüdungslebensdauer als nicht reparierte Vergleichsplatten. Laut einer Pressemitteilung der Empa konnte die Lebensdauer der beschädigten Platten um bis zu viermal verlängert werden. Als besonders wirkungsvoll erwiesen sich demnach zweilagige, abgestufte Verstärkungsgeometrien.

Die Versuche zeigten aber gleichzeitig 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.» Ob sich das Verfahren für ein beschädigtes Stahlbauteil überhaupt eignet, hängt nicht lediglich von der Bauteildicke ab, sondern von den einwirkenden Lasten, wie Heydarinouri erklärt: «Diese bestimmen Geometrie und Volumen des erforderlichen Materialauftrags.» Voraussetzung für eine Reparatur mittels WAAM sei ausserdem, dass der Materialauftrag im Bereich des Risses technisch umsetzbar sei und die Risslänge begrenzt bleibe.

Praktische Hürden

Ermüdungsrisse gehören zu den häufigsten Schäden im Stahlbau. Eine gezielte Verstärkung sei deutlich effizienter als der voll-ständige Ersatz des schadhaften Bauteils, schreibt die Empa in der Pressemitteilung. «Mittels 3D-Druck können wir Metallverstärkungen genau dort anbringen, wo sie strukturell benötigt werden», sagt Heydarinouri. Reparaturen würden Material, Energie und Kosten sparen. 

Trotz des grossen Potenzials ist der Weg in die Praxis aber noch mit einigen Herausforderungen verbunden: So wird der metallische 3D-Druck derzeit mit industriellen Robotersystemen umgesetzt, die sich nur begrenzt transportieren lassen. «Beschädigte Bauteile sind meist im Bauwerk verbaut», so der Forscher. Heute müssten sie für eine Reparatur in die Werkstatt gebracht werden, was in der Praxis nicht immer realistisch sei. Zwar gibt es laut der Empa bereits erste Ansätze für mobile oder portable Robotersysteme, für einen breiten Einsatz vor Ort seien aber weitere Entwicklungen nötig. Dennoch sieht das Forschungsteam Vorteile für Anwendungen, bei denen Bauteile gut zugänglich sind oder im Rahmen von Instandhaltungsarbeiten ausgebaut werden können.

Quelle: Empa

Der metallische 3D-Druck wird derzeit mit industriellen Robotersystemen umgesetzt, die sich nur begrenzt transportieren lassen. Im Bild: WAAM-Pilotanlage an der Empa.

Reine Grundlagenforschung

Wie weit die Kosteneinsparungen durch WAAM-Reparaturen gegenüber einem konventionellen Bauteilersatz tatsächlich reichen, lässt sich derzeit noch nicht beziffern: Auf Nachfrage erklärt Heydarinouri, dass bislang keine Kostenanalyse vorliege. Die tatsächlichen Kosten hingen von zahlreichen Faktoren ab – etwa von der Art der beschädigten Komponente, der jeweiligen Tragstruktur sowie dem Umfang der erforderlichen Verstärkung. 

Auch die praktischen Hürden spielen hier mit rein: «Die Bewältigung dieser Herausforderungen dürfte die tatsächlichen Kosten einer WAAM-Reparatur erheblich beeinflussen.» Eine grundsätzliche regulatorische Hürde sieht Heydarinouri dagegen nicht. Aus heutiger Sicht bestünden keine Hindernisse im Hinblick auf Normen und Richtlinien – sofern verlässliche Bemessungs- und Auslegungskriterien für WAAM-basierte Verstärkungen entwickelt würden.

Genau an diesen Kriterien arbeiten die Empa-Abteilung Ingenieur-Strukturen und die Professur für Stahlbau und Verbundbau der ETH Zürich derzeit. Es handle sich um reine Grundlagenforschung ohne Industriepartner, deren Ziel es sei, das Potenzial der WAAM-Technologie systematisch zu untersuchen. Nötig seien dafür intensive experimentelle Untersuchungen, insbesondere unter Ermüdungsbelastung – nicht nur um die Geo-metrie des Materialauftrags zu optimieren, sondern auch die zugehörigen Fertigungsparameter.

Intelligentes Strukturdesign

Neben der Reparatur beschädigter Bauteile arbeitet das Team um Heydarinouri auch an weiterführenden Konzepten. Die Kombination aus optimierten Geometrien, metallischem 3D-Druck und neuen Materialien soll demnach Metallstrukturen ermöglichen, die unter extremen Belastungen bewusst nachgeben, Energie aufnehmen und sich danach möglichst wieder in ihre ursprüngliche Form zurückwandeln. 

Künftig könnten solche Strukturen als metallische Dämpfungselemente für Erdbeben oder Schwingungen eingesetzt werden, etwa in Brücken, Gebäuden oder technischen Anlagen. «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.» Potenzial sieht der Forscher auch im Maschinenbau, etwa für leichte, aber hochbelastete Bauteile in Produktionsmaschinen.

Darüber hinaus erforscht die Empa-Materialwissenschaftlerin Maryam Mohri, wie sich mit sogenannten Formgedächtnislegierungen («Shape Memory Alloys», SMA) die Eigenschaften von WAAM-Bauteilen gezielt weiterentwickeln lassen: Diese «intelligenten» Materialien können nach einer Verformung – etwa durch Erwärmung – wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Verbesserte Materialeigenschaften liessen sich so mit massgeschneiderten Geometrien kombinieren, was neue Möglichkeiten für materialeffiziente und adaptive Metallbauteile eröffnet. Die entsprechenden Geometrien werden mithilfe numerischer Simulationen entwickelt und anschliessend experimentell getestet.