Vierfache Lebensdauer für alte Stahlträger
Ein Riss in einem Stahlteil bedeutet meist teuren Ersatz oder gefährliches Weitermachen. Empa-Forschende zeigen nun einen dritten Weg auf. Mit metallischem 3D-Druck lassen sich beschädigte Stahlbauteile gezielt reparieren, ohne sie komplett auszutauschen.
Das Verfahren heisst Wire Arc Additive Manufacturing, kurz WAAM. Ein Schweissdraht wird per Lichtbogen Schicht für Schicht direkt auf die schadhafte Stelle aufgetragen, so entsteht keine simple Schweissnaht, sondern eine dreidimensional geformte Verstärkung. Damit lassen sich geschädigte Bereiche lokal reparieren, während der Rest des Bauteils intakt bleibt.
Form schlägt Masse
Nicht die Menge des aufgetragenen Materials entscheidet über den Erfolg, sondern die Geometrie. Hossein Heydarinouri von der Empa-Abteilung Ingenieur-Strukturen erklärt, eine optimierte Form verteile Spannungen so, dass sich Risse deutlich langsamer ausbreiten. In einer gemeinsamen Masterarbeit von Empa und ETH Zürich liess sich die Lebensdauer beschädigter Stahlplatten dadurch um bis zu das Vierfache verlängern.
Was die Versuche zeigen
In der Bauhalle der Empa wurden gerissene Stahlplatten mit unterschiedlichen Verstärkungsgeometrien versehen und wiederholt belastet. Alle reparierten Proben hielten deutlich länger als unreparierte Vergleichsplatten, am wirksamsten erwiesen sich zweilagige, abgestufte Geometrien. Eine falsch gewählte Form kann jedoch neue Schwachstellen erzeugen, etwa an den Übergängen zwischen altem und neuem Material, weshalb ein gezieltes Design entscheidend bleibt.
Der Weg in die Praxis ist noch weit
Ermüdungsrisse zählen zu den häufigsten Schäden im Stahlbau, eine gezielte Reparatur spart gegenüber dem kompletten Ersatz spürbar Material, Energie und Kosten. Die grösste Hürde bleibt die Technik selbst, aktuelle Robotersysteme lassen sich kaum transportieren, beschädigte Bauteile müssten dafür in eine Werkstatt gebracht werden. Erste mobile Systeme existieren zwar bereits, für einen breiten Einsatz direkt vor Ort braucht es aber weitere Entwicklung.
Von der Reparatur zum intelligenten Bauteil
Die Forschenden denken bereits einen Schritt weiter. Kombiniert mit intelligenten Geometrien und neuen Materialien könnten künftige Metallstrukturen unter extremer Belastung gezielt nachgeben und Energie absorbieren, etwa als Dämpfungselemente gegen Erdbeben oder Schwingungen in Gebäuden und Brücken. Zusätzlich erforscht Empa-Wissenschaftlerin Maryam Mohri Formgedächtnislegierungen, die sich nach Verformung durch Erwärmung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückbilden, ein Ansatz mit Potenzial für materialeffiziente, adaptive Bauteile im Maschinenbau.
Quellenangabe Empa, Medienmitteilung „Metallischer 3D-Druck verlängert das Leben von Stahlbauteilen“, Autor Manuel Martin, 25. Juni 2026