导读：桥梁不会一夜之间倒塌。它们是从一条裂纹开始。传统修复意味着停工、切割、焊接、替换；成本高昂，工期漫长。但如果可以将高强度钢材直接3D打印到裂缝区域，用几何形状本身"引导"应力绕过损伤部位呢？
2026年6月28日，瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）研究团队在电弧增材制造（WAAM）修复钢结构领域取得阶段性成果。研究显示，通过优化的3D打印几何形状对受损钢板进行加固，可将疲劳寿命延长至多四倍。这一发现对桥梁、工业设施等关键基础设施的维护具有直接价值。
WAAM将钢结构"替换"变为"修复"
钢铁是现代建筑世界的骨架。传统上，当钢构件出现裂纹，工程师只有两个选项：局部焊接修补（效果有限），或者整段更换（成本极高且需要停运）。Empa团队正在探索第三条路径。WAAM利用工业机器人和电弧将焊丝逐层熔化沉积到基材表面。这一工艺的优势在于，不仅可以"填补"受损区域，还可以通过3D打印几何形状的设计，主动改变裂纹周围的应力分布。Empa结构工程实验室的成员Hossein Heydarinouri解释说：“关键不在于尽可能多地使用材料。形状更为重要：优化的几何形状能够以某种方式分散应力，从而阻止或显著减缓现有裂纹的扩展。”
在Empa与苏黎世联邦理工学院联合开展的系列测试中，研究团队对带有不同尺寸裂纹的钢板进行了3D打印加固，并施加循环载荷。结果显示，所有加固后的样品疲劳寿命均显著高于未修复的对照板，采用双层阶梯式加固几何形状的样品表现最佳，受损钢板的使用寿命延长至多四倍。尽管潜力巨大，但研究人员也指出了一些挑战。例如，如果3D打印贴片的几何形状设计不佳，可能导致新的应力集中，最大的风险点位于打印金属与钢基板的连接处。研究表明，通过后处理机加工平滑过渡区域，可有效避免新裂纹的产生。
另一方面，大多数WAAM系统都基于工业机器人手臂，而这些手臂难以运输到基础设施现场。Heydarinouri解释说：“受损部件通常安装在结构内部，如今，它们必须被送到车间进行维修，这在实践中并不总是现实的。”不过，移动式WAAM
3D打印机领域正在取得进展。除了本项目之外，Empa团队还在探索金属增材制造和智能几何技术在制造结构方面的应用，这些结构能够在极端载荷下“有意变形”，并在载荷减轻后恢复原状。这类结构可用于地震多发地区，以及需要抗震的桥梁和技术设施。该团队还认为，这种结构可应用于生产机械中需要高强度和轻量化的部件。
总体而言，金属WAAM技术为维修应用开辟了广阔的前景。例如，在海事行业，人们正在探索将这项技术应用于按需维修。Heydarinouri说道：“利用3D打印技术，我们可以将金属加固精确地应用于结构需要的地方，维修可以节省材料、能源和成本。”
来源：南极熊
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