WAAM修复钢结构疲劳裂纹：Empa证实可将服役寿命延长4倍，3D打印补丁成关键

钢结构桥梁和建筑在长期服役后，疲劳裂纹几乎是躲不开的问题。
传统做法是把坏掉的构件整个换掉，但许多永久安装的部件根本拆不下来，成本高昂且费事。
瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的团队正在探索用电弧增材制造（WAAM）直接在现场修复这些裂纹。

WAAM 通过机器人手臂将焊接丝材送入，利用电弧逐层将金属沉积到开裂或薄弱区域，就像给钢板打了个补丁。
与传统焊接不同，WAAM 能构建三维增强结构，几何形状可以针对每个缺陷的应力模式量身定制，从而阻止或减缓裂纹扩展，且不影响周围结构。

Empa 结构工程实验室的 Hossein Heydarinouri 表示，关键不是堆了多少材料，而是让补丁的形状把应力分散开。
优化的几何结构能够重新分布应力，从而阻止或显著减缓现有裂纹的扩展。
在实验室里，他们给不同尺寸的钢板打印了不同形状的加固件，然后反复加载测试。
所有经过增强的钢板都比未修复的寿命长，其中一种两层阶梯式补丁的钢板表现最突出。
在一次与苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的合作中，受损钢板的使用寿命被延长了四倍。

研究也指出了一个风险。
补丁形状没设计好，反而可能引入新的应力集中点，尤其是在打印金属跟钢基体接缝的地方，风险最大。
因此精确设计至关重要。

从实验室到现场，这条路还有不少障碍。

WAAM 目前依赖大型工业机器人系统，很难运输。
而且大多数受损结构部件都嵌在整体结构中，不容易拆下来送修。
Heydarinouri 指出，如今这些坏部件必须先拆下来运回车间才能修，好在已经有公司在做移动式的 WAAM 3D 打印机。
在那之前，这方法主要还是用在好拆或者好靠近的部件上。

Empa 团队还在探索修复之外的应用。
通过结合优化的几何结构、WAAM 和先进材料，他们正在开发金属元件，这些元件能在极端载荷下主动屈服，有意识变形而非失效，然后尽可能恢复原状。
潜在用途包括地震多发地区的桥梁、建筑和工业设施中的阻尼部件。
材料科学家 Maryam Mohri 正在研究如何把形状记忆合金集成到 WAAM 打印的部件中，以进一步增强自适应能力。
此外，在需要既抗拉又轻量的生产机械部件上也看到了应用可能性。

WAAM 作为修复工具在业界已有不少探索。
金属 3D 打印公司 Aconity3D 为它的 AconityWIRE 系统开发了多材料焊接头，专门用于修复和维护，允许用特定材料对受损或磨损区域进行选择性重建。
美国陆军把 WAAM 集成到了「金属加工与机加工车间套件」里，让士兵能按需打印和机加工金属零件。
在金属以外，伦敦大学学院的研究人员开发了用于修复路面裂缝和坑洼的沥青 3D 打印机。
总部位于威尔士的建筑修复公司 Cintec 则用增材制造修复了特立尼达和多巴哥的历史性红房子政府大楼，安装了 36.52 米长的加固锚。
在这些努力之外，Empa 的研究专注于那些拆不下来的桥梁和框架中的永久性承重钢部件。
正如 Heydarinouri 总结时所说：「利用 3D 打印，我们可以把补丁精准放到需要的位置，这样材料、能源和成本都能省下来。」