钢材在我们建造世界中的重要性很难被高估：从桥梁到摩天大楼的结构框架，这种金属无处不在。尽管钢以高强度重量比著称，但无论是腐蚀还是应力，它仍面临受损风险。针对后者，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的一组研究人员正在探索利用电弧增材制造（WAAM）来修复和强化受损钢构件，这有望延长桥梁等重要基础设施的使用寿命。

WAAM是一种增材制造方法，它使用机械臂和电弧熔化焊丝，并在构建表面或基材上逐层沉积。在Empa，研究人员正在探索使用这种增材制造方法在受损钢构件上施加补丁——比如桥梁裂纹部件。考虑到修复裂纹钢构件的高难度与高成本，这一能力可能对基础设施维护项目具有颠覆性意义，尤其是在修复钢材疲劳裂纹方面。

然而，这种方法不仅仅是贴上一块创可贴。研究团队正在为补强开发优化的几何形状。Empa结构工程实验室成员侯赛因·海达里努里解释说：“关键不是施加尽可能多的材料。形状更为重要：优化的几何结构能够以阻止或显著减缓既有裂纹扩展的方式分配应力。”

在研究中，Empa团队展示了利用WAAM策略性施加钢补强，可将一块受损钢板的服役寿命最多延长四倍。这一结论是通过在不同尺寸的裂纹钢板上打印金属并对其进行反复加载测试得出的。在所有工况下，带有3D打印补强的钢板疲劳寿命均高于未修补的钢板，而双层阶梯式补强表现最佳。

尽管潜力巨大，研究人员也指出了该方法面临的挑战。其一，如果3D打印补丁的几何形状设计不佳，实际上可能导致新的应力集中，最大风险点出现在打印金属与钢基材的结合处。其二，目前大多数WAAM系统基于工业机械臂，运输到基础设施现场颇具挑战。“受损部件通常是安装在结构内部的，”海达里努里解释道。“如今，它们必须被送到车间进行修复，这在实践中并不总是可行。”所幸，移动式WAAM 3D打印机领域已有进展。在此之前，Empa认为该技术最大的影响将体现在便于接触的钢构件或可拆卸送修的部件上。

在该项目范围之外，Empa团队还在探索金属增材制造与智能几何的应用，用于生产“在极端载荷下故意屈服、载荷减轻后恢复原形”的结构。这类结构可能在地震多发地区以及需要抗振的桥梁和技术装置中发挥作用。该团队还看到了在需要应力抵抗和最小重量的生产机械部件中的应用前景。

总体而言，金属WAAM正在为修复应用打开广阔的机会窗口。例如，在海事行业，该技术正被探索用于按需维修。“使用3D打印，我们可以将金属补强精确地施加在结构需要的位置，”海达里努里说。“修复节省材料、能源和成本。”