钢结构桥梁的疲劳开裂是全世界基础设施维护面临的普遍难题。传统应对措施要么整体更换受损部件，要么采用焊接补强，但前者成本高昂、资源浪费严重，后者则容易在焊接界面引入新的应力集中点。2026年6月底，瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）发布了一项突破性研究成果：利用电弧增材制造（WAAM）技术直接在开裂钢构件上打印定制的金属增强件，成功将受损钢板的使用寿命延长了四倍，而且无需整体更换部件。这一技术为全球老化钢结构基础设施的维护开辟了一条全新的低成本路径。
WAAM修复原理：不是加多少，而是怎么加
WAAM（电弧增材制造）技术的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。然而Empa研究团队发现，决定修复效果的并非材料添加量，而是增强件的几何形状。在Empa建筑大厅进行的系统测试中，研究人员为开裂的钢板安装了各种不同形状的打印增强件，并对其施加反复加载循环。结果表明，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——成功将受损钢板的使用寿命延长了四倍。Empa结构工程实验室的Hossein Heydarinouri指出："关键不在于尽可能多地添加材料，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。"这一发现彻底颠覆了传统焊接补强中"越多越好"的思维定式，将修复工程从经验主义推向精密设计的新阶段。
精准设计：避免修复造成二次伤害
这项研究也明确指出了WAAM修复技术的潜在风险。如果增强件的几何形状设计不当，会在基材与打印金属的界面处引入新的应力集中点，反而加速裂纹扩展。因此，精准的几何设计是WAAM修复成功的关键前提。研究团队通过有限元数值模拟对不同几何形状的增强效果进行系统分析，然后在实验室进行实物验证，形成了一套完整的设计-仿真-验证工作流。Empa与苏黎世联邦理工学院合作开展了这一研究项目，将材料科学、结构工程和增材制造三个领域的专业知识进行了深度融合。这种跨学科协作模式对于解决实际工程问题具有重要示范意义——单纯的增材制造技术突破如果没有结构力学的精准指导，可能会带来意想不到的安全隐患。在真实场景中，一个设计不当的修复件不仅无法延长结构寿命，反而可能导致灾难性的后果。
从实验室到现场：WAAM修复面临的现实挑战
尽管实验室结果令人鼓舞，但从实验室到现场的应用之路仍存在诸多挑战。WAAM目前依赖于难以运输的大型工业机器人系统，而且大多数受损结构部件都深深嵌在其所在的结构内部，不易拆解后送到车间进行维修。Heydarinouri坦言："受损部件通常安装在结构内部，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目前正处于早期开发阶段，研究团队承认要实现广泛现场部署仍需进一步突破。除了设备便携性问题外，现场施工环境中的温度变化、湿度和风载等因素也会对WAAM打印质量产生影响，这些变量在实验室条件下很难完全模拟。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。不过，随着机器人技术和增材制造设备的持续小型化，便携式WAAM系统的市场化和工程化推广有望在未来几年取得实质性进展。
超越修复：自适应结构的前沿探索
Empa团队还在研究超越传统损伤修复的更广泛应用方向。通过结合优化的几何形状、WAAM技术和先进材料，研究人员正在开发能够在极端载荷下主动变形而非失效的金属元件，这些元件在承受过载后还能够尽可能恢复其原始形状。这一技术的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。所有几何形状都通过数值模拟开发，并在任何实际工业应用前通过严格的实验验证。除了金属修复领域，类似的增材制造修复思路也在其他材料领域得到探索。伦敦大学学院的研究人员开发了用于修补道路裂缝的沥青 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。这些案例共同表明，增材制造正在成为基础设施维护领域最具潜力的技术方向之一。
总结
Empa利用WAAM技术修复开裂桥梁的研究证明，增材制造在基础设施维护领域具有巨大的潜力。精确优化的几何形状使钢结构寿命延长四倍，超越了传统焊接补强的效果，为全球老化钢结构基础设施的低成本、高效率维护提供了全新方案。
从经济角度来看，WAAM修复技术的推广将带来巨大的经济效益。以欧洲为例，有超过40%的公路桥梁服役年限已超过50年，普遍存在不同程度的疲劳开裂问题。如果采用传统的整体更换方案，一座中型桥梁的更换费用动辄数千万欧元。而利用WAAM技术进行针对性修复，费用仅为整体更换的十分之一左右，且施工周期大幅缩短。Empa的这项研究为全球数万座老化钢结构桥梁的维护提供了经济、高效且技术可靠的解决方案。
来源：3D打印网、Empa官方发布