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Länger standhalten 3D-Druck in Metall verlängert Leben von Stahlkonstruktionen

Quelle: Empa 3 min Lesedauer

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Es gibt Stahlkonstruktionen, die über die Zeit ihrer hohen Beanspruchung sicherheitstechnisch in die Jahre kommen. Gemeint sind etwa Brücken. Doch die additive Fertigung kann für Verjüngung sorgen ...

Was man hier sieht ist eine Reparaturstelle an einem gerissenen Stahlteil. Diese haben Schweizer Forscher vom Empa mittels WAAM-Prozess appliziert – also quasi additiv gefertigt. Was man so alles erreichen kann, erklären die Experten hier ...(Bild: Empa)
Was man hier sieht ist eine Reparaturstelle an einem gerissenen Stahlteil. Diese haben Schweizer Forscher vom Empa mittels WAAM-Prozess appliziert – also quasi additiv gefertigt. Was man so alles erreichen kann, erklären die Experten hier ...
(Bild: Empa)

Ein dünner Riss durchzieht eine Stahlplatte. Als ein Roboterarm über diese Schwachstelle fährt, entsteht aber nicht nur eine einzelne Schweißnaht, sondern gleich eine dreidimensionale Applikation mit Verstärkungseffekt. Möglich macht das ein Verfahren namens „Wire Arc Additive Manufacturing“ - kurz: WAAM, das man schon zum Teil kennt und anwendet. Dabei wird ein Schweißdraht per Lichtbogen Schicht für Schicht auf defekte Stellen quasi aufgedruckt, erklären die Experten der Eidgenössischen Materialprüf- und Forschungsanstalt (Empa) aus Dübendorf in der Schweiz. Anders als beim klassischen Schweissen verbindet diese Art des 3D-Drucks in Metall aber die Bauteile nicht nur miteinander! Er erlaubt es auch, Verstärkungen mit einer maßgefertigten Geometrie und optimierter Produktion zu erreichen. So ließen sich geschädigte Bereiche nur lokal aber wirksam verstärken, ohne die gesamte schadhafte Komponente ersetzen zu müssen. Forscher der Empa wollen das Verfahren deshalb dafür anwenden, gerissene Teile von Brücken und anderen großen Tragwerken zur reparieren. Denn die meist fest eingebauten Stahlbauteile lassen sich sonst kaum oder nur mit einem großen Aufwand ersetzen.

Beim Aufschweißen kommt es auf die Geometrie an

WAAM für solche lokale Reparaturen einzusetzen heiße aber nicht, möglichst viel Material zu applizieren. Denn viel wichtiger sei die Geometrie der aufgedruckten Bereiche. Denn laut Aussage der Schweizer müssen sie so gestaltet sein, dass sie Spannungen, die zu Rissen führen können, so verteilen, dass die Rissausbreitung gestoppt oder zumindest gebremst werden kann. So konnten die Empa und die ETH Zürich im Rahmen einer Masterarbeit etwa die Lebensdauer beschädigter Stahlplatten um bis zu viermal verlängern. In umfangreichen Versuchen, heißt es weiter, wurden dazu in der Bauhalle der Empa gerissene Stahlplatten mit unterschiedlich geformten Metallverstärkungen versehen und dann wiederholt belastet. Die Resultate seien eindeutig: Alle verstärkten Proben zeigten sich deutlich widerstandsfähiger gegen Materialermüdung als nicht reparierte Vergleichsplatten. Besonders wirkungsvoll erwiesen sich dabei Verstärkungsgeometrien, die in zwei Lagen abgestuft appliziert wurden, wie man herausgefunden hat. Gleichzeitig stieß man aber auch an Grenzen des Ansatzes: Wird die Geometrie nämlich ungünstig gewählt, können sogar neue Spannungskonzentrationen entstehen – etwa an den Übergängen zwischen Grundmaterial und aufgedrucktem Metall.

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