Die Instandhaltung von Brücken ist eine immens wichtige Aufgabe und ist traditionell mit viel Aufwand und Zeit verbunden. Zahlreiche Bauteile können von Korrosion betroffen sein, so z.B. Stahlbauteile. Laut einer Untersuchung des Bunds für Umwelt und Naturschutz Deutschland sind im Land mehr als 8.000 Brücken sanierungsbedürftig. Eine Studie des Deutschen Instituts für Urbanistik aus dem Jahr 2023 stuft die Situation sogar noch akuter ein: laut ihr ist jede zweite Straßenbrücke in kommunaler Verwaltung marode. Nun zeigt ein Forschungsteam der Universität Massachusetts, wie diese Situation bekämpft werden könnte – mithilfe des 3D-Drucks und der 3D-Technologie Kaltgasspritzen.
Korrosion stellt eine der Hauptursachen für den Abbau von Stahlbauteilen dar und führt zu einer Vielzahl an Schwächungen von Infrastruktur. Besonders in ländlichen oder abgelegenen Gebieten kann dies schnell zu Sperrungen oder kompletten Ausfällen von Straßenabschnitten führen. Ein Hauptproblem sind hier die mangelnden Maßnahmen zur Erkennung von Korrosion, die Quantifizierung der Auswirkungen, sowie die fehlenden finanziellen Mittel für Reparatur- und Erhaltungstechniken.
Die Carolabrücke in Dresden stürzte lim Oktober 2024 aufgrund von Korrosionsschäden ein (Bild: MDR)
Dem möchte ein amerikanisches Forschungsteam nun Einhalt gebieten – in ihrem Projekt „Beschleunigte Reparatur von korrodierten Brückenstahlteilen durch additive Fertigung mit Kaltgasspritzen“, welches von Januar 2024 bis Juni 2025 angesetzt war, untersuchten die Forschenden Korrosionsschäden an Strukturkomponenten und der anschließenden Reparatur der Bauteile durch die additive Kaltspritzfertigung (auch als CSAM bekannt).
Das Kaltgasspritzen
Beim Kaltgasspritzen werden Metallpulverartikel mit hoher Geschwindigkeit auf eine Oberfläche gesprüht. Diese verbinden sich mit den beschädigten Teilen eines Bauteils, z.B. den Metallträgern einer Brücke, und beschichten sie. Durch wiederholtes Sprühen entstehen mehrere Schichten, die die Dicke und andere strukturelle Eigenschaften des behandelten Breichs wiederherstellen. Die Technologie soll durch experimentelle Tests (Zugversuche, Ermüdungstests und zusätzliche Korrosionstests) geprüft werden, um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Techniken für die Reparatur oder den Schutz von Stahl in korrosiven Umgebungen zu bewerten.
Das Projekt umfasste sechs verschiedene Stufen: zuerst wurde eine umfangreiche Literaturanalyse zu bereits vorhandenen CSAM Technologien durchgeführt. Anschließend untersuchte das Team Korrosion durch Coupon Tests genauer (z.B., die Korrelation zwischen visuellen Anzeichen von Korrosionsschäden und der tatsächlichen Korrosion der Testmaterialien). Im dritten Schritt erstellte des Team 3D-Punkt Cloud Protokolle durch die Nutzung von LiDAR Scannern, um die im vorherigen Schritt von Korrosion betroffenen Materialien genau zu analysieren. Anschließend werden passende CSAM Technologien zu den Materialien gematcht, um im nächsten Schritt die Effektivität des Kaltgasspritzens zu messen. Der finale Report wird zum Ende des Projektes veröffentlicht werden.
Forschende der Universität Massachusetts führen finale Tests für das Projekt durch (Bild: Universität Massachusetts)
Doch bereits jetzt verzeichnet das Projekt positive Ergebnisse. Nach einem Test des Kaltgasspritzens an einer maroden Brücke in West Massachusetts zeigt sich, dass Oxidation, thermische Eigenspannungen und Phasenumwandlungen in den Ablagerungen minimiert werden. Da das Pulver, welches beim Kältespritzen aufgetragen wird, nicht schmilzt, kann die strukturelle Integrität des Grundmaterials bewahrt werden.
Der leitende Forscher des Projekts, Simos Gerasimidis, äußert sich zuversichtlich zur Zukunft der Technologie: „Jetzt, da wir diese Proof-of-Concept-Reparatur abgeschlossen haben, sehen wir einen klaren Weg zu einer Lösung, die viel schneller, weniger kostspielig, einfacher und weniger invasiv ist.“ Vielleicht kann diese Technologie ebenfalls in Deutschland eingesetzt werden, um marode Infrastruktur zu reparieren. Mehr Informationen finden Sie HIER.
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*Titelbildverweis: Jeffrey Schreier