瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）的研究人员正在利用电弧增材制造（WAAM）技术修复桥梁和钢结构中的疲劳裂纹，直接将定制的金属增强件打印在受损部件上，而非整体更换。该工艺被称为WAAM，其工作原理是通过一个机械臂送丝，利用电弧将金属逐层沉积到开裂或薄弱区域。与连接部件的传统焊接不同，WAAM能够构建三维增强结构，其几何形状针对每个缺陷的具体应力模式量身定制，从而在不触及周围结构的情况下阻止或减缓裂纹扩展。
（图片说明：研究人员旨在使用金属3D打印修复受损桥梁及其他钢结构。图片来源：Empa。）
决定修复效果的并非材料添加量，而是增强件的形状。在Empa建筑大厅进行的测试中，研究人员为开裂的钢板安装了各种打印的增强件，并对其进行反复加载循环。所有经过增强的试样性能均优于未修复的对照板，其中双层阶梯式几何形状效果最佳。在一个案例中，Empa与苏黎世联邦理工学院合作，将受损钢板的使用寿命延长了四倍。"关键不在于尽可能多地添加材料，"Empa结构工程实验室的Hossein Heydarinouri表示，"形状更为重要：优化的几何形状能够以阻止或显著减缓现有裂纹扩展的方式分布应力。"
该研究也指出了风险：设计不当的几何形状会在基材与打印金属的界面处引入新的应力集中点，因此精准设计至关重要。
现场应用难题
疲劳开裂是老化钢结构最常见的失效模式之一，而针对性增强在资源效率上远优于整体更换部件。但从实验室到现场的应用之路仍未解决。WAAM目前依赖于难以运输的大型工业机器人系统，且大多数受损结构部件都嵌在其结构内部，不易拆解送至车间维修。"受损部件通常安装在结构内部，"Heydarinouri指出。"目前，它们必须被送到车间进行维修，这在实践中往往不切实际。"可移动和便携式机器人系统正处于早期开发阶段，但研究团队承认，要实现广泛现场部署仍需进一步突破。短期内，该方法最适用于可触及的部件或在计划性维护期间可拆卸的零件。
（图片说明：精确优化的几何形状使金属增强件更加耐用。图片来源：Empa。）
超越修复：自适应结构
Empa团队还在研究超越损伤修复的应用。通过结合优化几何形状、WAAM和先进材料，研究人员正在开发能够在极端载荷下吸收能量的金属元件——它们会主动变形而非失效，并在之后尽可能恢复其原始形状。潜在应用包括为抗震桥梁、建筑和工业设施设计的阻尼组件。Empa材料科学家Maryam Mohri正在研究如何将形状记忆合金集成到WAAM打印的部件中，以进一步扩展其自适应能力。几何形状通过数值模拟开发，并在任何工业应用前通过实验验证。
WAAM作为修复工具
钢结构中的疲劳裂纹十分普遍，但标准应对措施成本高昂、破坏性强，且对于永久安装的结构而言往往不切实际。因此，建筑和基础设施行业一直在从多个角度探索利用3D打印进行修复。具体到金属修复领域，Aconity3D为其AconityWIRE系统开发的多材料焊接头专为修复和维护工作流程设计，允许使用特定应用的材料对受损或磨损区域进行选择性重建、增强或修改。美国陆军已将WAAM集成到其金属加工与机械车间设备中，使士兵能够按需打印和加工金属零件，减少了作战环境中大量库存运输的需求。
除金属外，伦敦大学学院的研究人员开发了一种用于修补道路裂缝和坑洼的沥青3D打印机；而总部位于威尔士的Cintec公司则利用增材制造修复了特立尼达和多巴哥的历史建筑红屋政府大楼，安装了长达36.52米的加固锚杆，据称这是有史以来插入建筑结构中最长的锚杆之一。在这些努力之外，Empa的研究聚焦于无法拆卸的承重钢构件——如桥梁和框架——在这些应用中，修复的几何形状（而非仅仅沉积的材料）决定了裂纹是停止还是加速扩展。
来源：中国3D打印网编译文章！
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