Empa, i Laboratori federali svizzeri di scienza e tecnologia dei materiali, sta studiando l’utilizzo del Wire Arc Additive Manufacturing per prolungare la vita operativa di ponti, strutture portanti e componenti industriali in acciaio interessati da cricche di fatica. L’approccio è concettualmente diverso dalla normale produzione additiva di un componente nuovo: il robot non costruisce l’intera struttura, ma deposita localmente nuovo metallo sopra una zona danneggiata, creando un rinforzo tridimensionale progettato per modificare la distribuzione delle tensioni e rallentare o arrestare la propagazione della cricca esistente. Nei test condotti da Empa insieme all’ETH Zurich, alcune configurazioni di rinforzo hanno portato la vita a fatica delle piastre danneggiate fino a circa quattro volte quella dei campioni non riparati. Il risultato più interessante è però che l’efficacia non dipende semplicemente dalla quantità di materiale aggiunto. La geometria del rinforzo si è dimostrata determinante: una configurazione a due strati con profilo graduale ha superato una soluzione prismatica a tre strati pur utilizzando una struttura meno massiccia. Il progetto mostra quindi una delle caratteristiche più interessanti del Directed Energy Deposition: utilizzare la libertà geometrica non soltanto per costruire parti nuove, ma per aggiungere materiale esattamente dove una struttura esistente ne ha bisogno.
Il problema nasce dall’invecchiamento di ponti e infrastrutture che non possono essere semplicemente sostituiti
Una struttura in acciaio sottoposta per decenni a traffico, vibrazioni, variazioni di carico o cicli termici può sviluppare cricche anche quando il livello di tensione applicato in ogni singolo ciclo rimane molto inferiore alla resistenza statica del materiale. È il fenomeno della fatica.
Nei ponti il problema può interessare saldature, connessioni, piastre, irrigidimenti e altri dettagli geometrici nei quali si concentrano le tensioni. Ogni passaggio di un veicolo produce un ciclo di carico relativamente piccolo, ma milioni di cicli possono progressivamente far propagare una cricca.
Quando il componente interessato è facilmente sostituibile, la soluzione può consistere nel rimuoverlo e installarne uno nuovo. Molti elementi strutturali sono però integrati nel ponte o nella costruzione e sostituirli richiederebbe operazioni estremamente complesse, lunghe e costose.
È su questo problema che lavora il gruppo del laboratorio Structural Engineering di Empa guidato, per questa attività, dal ricercatore Hossein Heydarinouri.
L’obiettivo non è coprire semplicemente la cricca con nuovo metallo, ma progettare un rinforzo capace di modificare meccanicamente il modo in cui i carichi attraversano la zona danneggiata.
Il WAAM trasforma un processo di saldatura in un sistema di deposizione tridimensionale
Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM, appartiene alla famiglia Directed Energy Deposition ed è indicato nella terminologia più recente anche come DED-Arc.
Un filo metallico viene alimentato verso una zona nella quale un arco elettrico produce la fusione. Un robot muove la torcia secondo una traiettoria definita digitalmente e deposita progressivamente cordoni metallici. Sovrapponendo le tracce e successivamente gli strati diventa possibile costruire geometrie tridimensionali.
I principi fisici hanno molto in comune con la saldatura ad arco, ma l’obiettivo è differente. Una normale saldatura serve principalmente a collegare due elementi; il WAAM utilizza la deposizione controllata per costruire un volume di materiale progettato tridimensionalmente.
Questo rende la tecnologia particolarmente interessante per riparazioni strutturali. Il robot può seguire una superficie esistente e aggiungere uno spessore localizzato senza produrre l’intero componente.
Rispetto al Powder Bed Fusion, WAAM ha inoltre tassi di deposizione molto più elevati ed è più facilmente applicabile a strutture di grandi dimensioni. La risoluzione è inferiore e le superfici sono più irregolari, ma per un rinforzo di un ponte la precisione richiesta è molto diversa da quella di un impianto dentale o di un componente aerospaziale di piccole dimensioni.
Il rinforzo deve redistribuire le tensioni, non semplicemente aumentare lo spessore
Hossein Heydarinouri sottolinea che il punto centrale della ricerca non consiste nell’aggiungere più metallo possibile. Una piastra molto spessa applicata intorno alla cricca potrebbe sembrare intuitivamente più robusta, ma potrebbe creare nuove concentrazioni di tensione proprio nel punto nel quale il rinforzo termina.
Il comportamento è simile a ciò che accade in numerosi dettagli saldati: una transizione geometrica brusca può funzionare come un intaglio e aumentare localmente la tensione.
Per questo Empa sta studiando rinforzi con forme differenti.
L’obiettivo è trasferire gradualmente il carico dal componente originale alla parte additiva e ridurre l’intensità delle tensioni in prossimità dell’estremità della cricca.
Nei test più recenti, le geometrie a gradini e in particolare una configurazione a due strati si sono dimostrate particolarmente efficaci.
È un risultato che riassume bene uno dei principi del Design for Additive Manufacturing: la libertà geometrica ha valore soltanto quando viene utilizzata per controllare il comportamento fisico della parte.
La migliore configurazione ha raggiunto 4,46 milioni di cicli
Una ricerca del gruppo Empa ed ETH Zurich del 2026 ha analizzato piastre in acciaio strutturale S355J2+N già interessate da una cricca e successivamente rinforzate attraverso patch WAAM con configurazioni geometriche differenti.
I rinforzi sono stati testati nello stato as-printed, senza ricorrere alla lavorazione meccanica finale della superficie.
Secondo i risultati disponibili, il rinforzo graduale a due strati ha raggiunto una vita complessiva di circa 4,46 milioni di cicli.
Una configurazione prismatica a tre strati si è fermata invece a circa 3,17 milioni di cicli. La soluzione a due strati ha quindi ottenuto una durata superiore di oltre il 30% rispetto alla patch più massiccia a tre strati.
Il risultato dimostra precisamente il principio indicato da Empa: più materiale non significa necessariamente maggiore vita a fatica.
La geometria della transizione tra materiale depositato e piastra originale può avere un effetto superiore a quello prodotto semplicemente aumentando lo spessore.
Le patch a uno strato rallentano la cricca, ma non modificano completamente il meccanismo di cedimento
La ricerca ha inoltre mostrato differenze nel modo in cui i campioni arrivano al cedimento.
Le configurazioni a uno strato aumentano la vita della piastra rispetto al campione non rinforzato, ma la cricca preesistente continua sostanzialmente a essere il meccanismo dominante.
Con i rinforzi multistrato il comportamento cambia. La propagazione della cricca originale viene sufficientemente rallentata da spostare il punto critico verso una nuova zona: l’interfaccia e il piede del deposito WAAM.
In altre parole, la riparazione funziona abbastanza bene da rendere critica una regione diversa.
È un risultato positivo, ma contemporaneamente identifica il problema successivo da risolvere. Se il rinforzo elimina una concentrazione di tensione ma ne crea un’altra sul proprio bordo, la geometria deve essere ulteriormente ottimizzata.
La patch a due strati graduale riesce proprio a ridurre questa discontinuità rispetto alla geometria prismatica.
Le simulazioni spiegano perché due forme con quantità di materiale simili possono comportarsi diversamente
L’attività Empa non si limita alle prove sperimentali. Le geometrie vengono analizzate attraverso modelli numerici e simulazioni agli elementi finiti.
Nella ricerca più recente è stato utilizzato anche l’Effective Notch Stress, un metodo che analizza le tensioni locali in corrispondenza delle discontinuità geometriche.
Il modello ha identificato valori di tensione locale nell’ordine di 223 MPa per la configurazione multistrato più favorevole e circa 276 MPa per quella meno efficiente, una differenza superiore al 20%.
Un approccio basato soltanto sul normale structural hot-spot stress evidenziava invece una differenza inferiore al 2%.
È un dato particolarmente importante per la futura progettazione ingegneristica. Se il metodo di calcolo non riesce a distinguere due geometrie che sperimentalmente hanno vite a fatica molto differenti, non può essere utilizzato efficacemente per ottimizzare una riparazione.
La ricerca suggerisce quindi che anche gli strumenti di progettazione e le regole di calcolo dovranno evolvere insieme alla tecnologia di deposizione.
Il WAAM può sfruttare anche le tensioni residue generate durante il raffreddamento
La deposizione introduce un altro fenomeno molto interessante. Il materiale viene depositato allo stato fuso e successivamente si raffredda e si contrae.
Questo processo genera tensioni residue sia nel deposito sia nel materiale di base.
Le tensioni residue vengono generalmente considerate una difficoltà nella saldatura e nella produzione additiva perché possono produrre deformazioni e aumentare localmente la probabilità di cricche.
Nel progetto Empa, però, il comportamento termo-meccanico può essere utilizzato anche a vantaggio della riparazione.
Una configurazione correttamente progettata può produrre tensioni di compressione nella zona della cricca. Poiché una cricca di fatica tende a propagarsi quando viene ripetutamente aperta da sollecitazioni di trazione, introdurre uno stato compressivo può rallentarne la crescita.
Questo effetto dipende però dalla geometria, dal percorso di deposizione e dai parametri termici.
Una riparazione progettata male può ottenere l’effetto opposto e creare tensioni residue di trazione proprio nella zona di transizione.
Una precedente ricerca Empa aveva già dimostrato la fattibilità della riparazione WAAM
Il lavoro del 2026 prosegue una linea di ricerca iniziata diversi anni prima.
Uno studio pubblicato nel 2023 aveva già utilizzato piastre in S355J2+N pre-criccate e rinforzi WAAM realizzati con filo ER70S-6.
In quella configurazione venivano depositate patch di circa 30 × 30 mm e 8 mm di spessore su entrambi i lati della piastra.
La ricerca confrontava una patch lasciata nello stato as-deposited con una soluzione successivamente lavorata meccanicamente fino a ottenere una forma simile a una piramide.
La geometria lavorata mostrava risultati particolarmente favorevoli perché la transizione più progressiva diminuiva la concentrazione delle tensioni ai bordi.
Il limite era evidente: depositare prima molto materiale per poi rimuoverne una parte attraverso lavorazione CNC riduce uno dei vantaggi fondamentali della produzione additiva.
La ricerca successiva ha quindi cercato di ottenere direttamente durante la deposizione geometrie graduate che richiedessero meno o nessuna lavorazione successiva.
Le forme stepped possono ridurre drasticamente la quantità di materiale
Uno studio di ottimizzazione condotto sulla stessa famiglia di applicazioni ha mostrato che una geometria WAAM a gradini può ottenere riduzioni di peso fino a circa il 78% rispetto alla configurazione piena utilizzata nei primi test, mantenendo contemporaneamente un comportamento strutturale favorevole.
Nelle simulazioni riportate, la migliore geometria riduceva di circa il 22% il massimo livello di tensione residua e di circa il 15% la massima tensione nella piastra rispetto alla configurazione di riferimento.
Il valore non deve essere trasferito automaticamente a qualsiasi futura riparazione. Dipende dalla geometria specifica della piastra, dal difetto e dalle condizioni considerate.
Mostra però quanto il problema sia vicino a un processo di ottimizzazione strutturale.
La domanda non è “quanto metallo serve per coprire questa cricca?”, ma “qual è la minima distribuzione tridimensionale di metallo capace di modificare correttamente il campo di tensione?”.
È una forma di riparazione additiva, non semplicemente una saldatura più sofisticata
Dal punto di vista pratico può sorgere una domanda: se WAAM utilizza arco elettrico e filo, perché non utilizzare semplicemente una normale piastra saldata sopra la zona danneggiata?
In alcuni casi è proprio quello che viene già fatto e una soluzione convenzionale può risultare più economica.
La differenza principale è la libertà geometrica.
Una piastra di rinforzo tradizionale possiede generalmente uno spessore e una geometria relativamente semplici. Il WAAM può invece produrre localmente spessori variabili, forme graduate e distribuzioni di materiale ottimizzate in funzione del campo delle tensioni.
Può inoltre essere adattato a superfici non planari e a componenti nei quali una normale piastra sarebbe difficile da installare.
Il vantaggio diventa quindi maggiore quando sono richieste poche riparazioni molto specifiche e geometricamente ottimizzate.
Per migliaia di rinforzi identici e semplici, un componente convenzionale prodotto in serie può rimanere molto più economico.
Il confronto con CFRP e leghe a memoria di forma è particolarmente interessante
Le strutture metalliche danneggiate possono essere rinforzate anche attraverso materiali differenti dall’acciaio depositato.
Una possibilità è utilizzare laminati o piastre in CFRP, polimeri rinforzati con fibra di carbonio, incollati sopra la zona critica. Il CFRP permette di aggiungere elevata rigidezza con poco peso e può evitare l’introduzione di ulteriore calore nella struttura.
Un’altra tecnologia studiata da Empa utilizza leghe a memoria di forma basate sul ferro, Fe-SMA, che possono essere pretensionate attraverso attivazione termica e utilizzate per introdurre forze di compressione nella struttura.
Il nuovo studio sulle patch WAAM indica che le soluzioni additive passive possono superare in determinate condizioni le prestazioni di rinforzi Fe-SMA non pretensionati e raggiungere livelli comparabili a quelli di rinforzi CFRP non pretensionati.
Non significa che WAAM sia universalmente migliore.
CFRP, Fe-SMA, normali piastre in acciaio e WAAM hanno vantaggi differenti in funzione di accessibilità, ambiente, temperature, geometria, carichi e costo della manutenzione.
WAAM aggiunge soprattutto la possibilità di produrre un rinforzo metallico geometricamente adattato direttamente alla zona da riparare.
La superficie as-built rimane un problema per la fatica
Uno dei principali limiti della deposizione ad arco è la superficie relativamente ondulata prodotta dalla sovrapposizione dei cordoni.
Questa ondulazione non è soltanto estetica. Ogni variazione geometrica può diventare un piccolo concentratore di tensione e la fatica è particolarmente sensibile a questo tipo di difetto.
Studi sui componenti WAAM in acciaio mostrano che la lavorazione meccanica può migliorare significativamente la resistenza a fatica eliminando irregolarità superficiali.
Una precedente campagna sperimentale su materiale WAAM aveva rilevato una riduzione dell’endurance limit nell’ordine del 35% per campioni as-built rispetto a quelli lavorati e una diminuzione della vita a fatica di circa il 60% allo stesso livello di carico.
Questo rende particolarmente interessante il risultato delle nuove patch Empa: vengono testate senza post-lavorazione e l’ottimizzazione della geometria cerca di compensare almeno in parte proprio la criticità delle transizioni superficiali.
Per applicazioni reali potrà comunque essere necessario valutare se un trattamento locale del bordo del deposito, una lavorazione robotica o tecniche come grinding e HFMI possano ulteriormente aumentare la durata.
Un’altra ricerca del 2026 studia direttamente la resistenza a fatica dell’interfaccia WAAM-acciaio
Hossein Heydarinouri e Davide Leonetti hanno pubblicato nel giugno 2026 anche uno studio specificamente dedicato alla resistenza a fatica dell’interfaccia tra materiale WAAM e acciaio strutturale convenzionale.
Il tema è fondamentale perché una riparazione additiva crea inevitabilmente una struttura ibrida.
Da una parte si trova l’acciaio originale, che può avere decenni di servizio; dall’altra il nuovo deposito prodotto attraverso numerosi cicli termici.
Tra i due esiste una zona termicamente alterata e geometricamente simile a un giunto saldato.
La ricerca ha mostrato che le curve S-N utilizzate per i normali giunti saldati possono rappresentare un punto di partenza utile anche per valutare alcune connessioni ibride WAAM-substrato.
Questo tipo di risultati sarà necessario se la tecnologia dovrà uscire dal laboratorio.
Un progettista di ponti non può approvare una riparazione basandosi soltanto sul fatto che alcuni provini abbiano superato milioni di cicli. Servono procedure di calcolo, classi di dettaglio, margini di sicurezza e criteri di ispezione utilizzabili all’interno delle normative strutturali.
Il principale ostacolo pratico è portare il robot sul ponte
Dal punto di vista tecnologico la deposizione funziona. Il problema logistico è molto più difficile.
Le piattaforme WAAM utilizzate nella ricerca sono normalmente costituite da un robot industriale, generatore di saldatura, sistema di alimentazione del filo, controllo numerico, dispositivi di sicurezza e, in alcuni casi, sistemi di scansione e monitoraggio.
Una struttura di questo tipo funziona bene in laboratorio o in officina.
Una cricca reale, però, può trovarsi sotto l’impalcato di un ponte, all’interno di una struttura, a diversi metri dal terreno o in uno spazio di difficile accesso.
Smontare il componente e trasportarlo alla macchina annullerebbe in molti casi il vantaggio della riparazione.
Heydarinouri identifica quindi la mobilità dei sistemi robotici come uno dei principali ostacoli all’applicazione su larga scala.
Esistono già robot più compatti e sistemi portatili, ma trasformare una cella WAAM di laboratorio in un’apparecchiatura capace di lavorare in sicurezza direttamente su un’infrastruttura richiede ulteriore sviluppo.
Sul campo il robot dovrà conoscere la geometria reale e non quella teorica
La produzione in officina parte normalmente da un componente con una posizione definita rispetto alla macchina.
Su un ponte esistente la situazione è diversa. La superficie può essere corrosa, deformata, verniciata o non perfettamente corrispondente al modello CAD originale.
Un futuro sistema di riparazione mobile dovrà quindi probabilmente combinare scansione 3D e WAAM.
Prima della deposizione, scanner o sensori potrebbero acquisire la geometria reale del componente e localizzare la cricca. Il software dovrebbe quindi adattare la patch al pezzo effettivamente presente, generare la traiettoria robotica e verificare che la torcia mantenga distanza e orientamento corretti.
Dopo la deposizione, un secondo controllo potrebbe verificare geometria e difetti.
In questo scenario la stampa 3D diventa un elemento di una cella di manutenzione robotizzata più ampia composta da sensing, simulazione, produzione e controllo qualità.
La gestione termica di una struttura esistente sarà un altro problema
Depositare metallo attraverso un arco elettrico significa introdurre calore nell’elemento da riparare.
Durante i test di laboratorio il processo può essere controllato attentamente. Una struttura reale può però avere vincoli, saldature vicine, rivestimenti protettivi o geometrie che modificano la dissipazione termica.
In precedenti studi del gruppo sono stati utilizzati parametri WAAM basati su Cold Metal Transfer, CMT, una tecnologia che permette di mantenere relativamente contenuto l’apporto termico.
In una configurazione sperimentale venivano utilizzati filo ER70S-6 da 1 mm, velocità di alimentazione di circa 5,8 m/min, movimento della torcia a 10 mm/s, corrente media di circa 148 A e tensione di 13 V. Tra gli strati veniva applicata una pausa di 25 secondi per mantenere la temperatura interpass sotto i 200 °C.
Questi valori appartengono ai precedenti studi Empa/ETH e non rappresentano necessariamente i parametri definitivi delle nuove patch a due strati.
Mostrano però il tipo di controllo necessario: la riparazione deve aggiungere il materiale senza produrre danni termici maggiori di quelli che cerca di risolvere.
WAAM può diventare interessante anche dal punto di vista ambientale
Sostituire una grande parte strutturale richiede produzione di nuovo acciaio, lavorazioni, trasporto, demolizione e gestione del materiale rimosso.
Se il problema è concentrato in una piccola area, aggiungere soltanto alcuni chilogrammi di materiale può essere molto più efficiente.
Empa cita esplicitamente potenziali risparmi di materiale, energia e costi.
Non sono però ancora stati pubblicati dati completi di Life Cycle Assessment sufficienti per attribuire una percentuale generale di riduzione delle emissioni al processo.
Il bilancio dipende dalla quantità di metallo depositato, dall’energia della cella robotica, dalla necessità di preriscaldamento e post-processing, dalla durata aggiuntiva ottenuta e soprattutto dall’alternativa che sarebbe stata necessaria.
Il vantaggio ambientale può essere enorme se una piccola patch evita la sostituzione di una grande trave; può essere molto inferiore se il componente sarebbe stato comunque facilmente sostituibile.
Da riparazione di una cricca a progettazione di strutture capaci di reagire ai carichi
Empa sta già guardando oltre il semplice repair.
La stessa libertà geometrica che permette di controllare la tensione intorno a una cricca può essere utilizzata per progettare componenti che reagiscono intenzionalmente a carichi estremi.
Il gruppo studia strutture metalliche capaci di deformarsi in modo controllato durante terremoti o vibrazioni, assorbendo energia e limitando il danno permanente.
Questi componenti potrebbero funzionare come dissipatori inseriti in ponti, edifici o impianti industriali.
L’Additive Manufacturing permette di progettare localmente zone con rigidezza differente, sezioni variabili e geometrie difficilmente realizzabili attraverso laminazione e saldatura convenzionale.
In questo caso la stampa 3D non ripara una struttura esistente, ma utilizza le conoscenze sviluppate sulla distribuzione delle tensioni per creare una nuova generazione di elementi strutturali.
Maryam Mohri studia l’integrazione con leghe a memoria di forma
La ricerca diventa ancora più interessante combinando geometria e materiali intelligenti.
La ricercatrice Empa Maryam Mohri lavora sulle Shape Memory Alloys e in particolare su sistemi metallici capaci di recuperare una deformazione dopo uno specifico stimolo, per esempio termico.
Le leghe a memoria di forma possono essere utilizzate anche per generare stati di pretensione.
Combinarle con processi DED significa immaginare componenti nei quali non viene controllata soltanto la forma geometrica ma anche il comportamento meccanico attivo del materiale.
Un dissipatore potrebbe per esempio deformarsi durante un evento eccezionale e successivamente recuperare almeno parzialmente la configurazione iniziale.
La ricerca è ancora lontana dall’applicazione generalizzata su ponti reali, ma mostra la direzione del programma Empa: passare dal deposito di metallo come semplice materiale di rinforzo a una progettazione integrata di forma, materiale e risposta strutturale.
L’applicazione nella meccanica industriale potrebbe arrivare prima delle riparazioni dei ponti
Le difficoltà di portare robot e sistemi di controllo su un’infrastruttura esistente potrebbero rendere più immediata l’adozione del WAAM repair in altri settori.
Un grande componente di una macchina industriale può essere smontato durante la manutenzione e trasferito in officina molto più facilmente di una trave integrata in un ponte.
Lo stesso approccio potrebbe essere applicato a strutture, supporti e parti altamente sollecitate nelle quali il costo del componente rende conveniente prolungarne la vita.
Il DED viene già utilizzato industrialmente per ripristinare superfici usurate su componenti costosi. La ricerca Empa estende il concetto dal recupero dimensionale alla vera modifica strutturale del flusso delle tensioni.
Non si tratta più soltanto di ricostruire il materiale consumato: si può depositare una geometria che il pezzo originale non possedeva per migliorarne il comportamento futuro.
Prima dell’impiego su infrastrutture reali serviranno normative e procedure di qualificazione
Un ponte è una struttura regolamentata e sottoposta a responsabilità molto diverse da quelle associate a un normale componente industriale.
Prima che un progettista possa prescrivere una patch WAAM per una struttura pubblica sarà necessario disporre di dati più ampi relativi a fatica, frattura, corrosione, qualità metallurgica, difetti della deposizione e comportamento a lungo termine.
Dovranno essere definite modalità di ispezione prima e dopo la riparazione.
Potrebbero essere necessari ultrasuoni, controlli magnetici, scansione 3D o altre tecniche NDT per confermare che il deposito non presenti difetti critici.
Bisognerà inoltre stabilire quanto spesso debba essere controllata la zona successivamente.
La ricerca del 2026 sulla resistenza dell’interfaccia WAAM-substrato e il confronto con le curve Eurocodice rappresentano proprio un primo passo verso questa standardizzazione.
Il risultato più importante è dimostrare che la forma può valere più del materiale aggiunto
Il lavoro di Empa porta quindi nella manutenzione strutturale uno dei concetti centrali dell’Additive Manufacturing: non utilizzare la stampa 3D soltanto per realizzare la stessa forma con un processo diverso, ma sfruttare la libertà geometrica per modificare la funzione.
Una normale riparazione può essere progettata chiedendosi quanto acciaio aggiungere.
Il nuovo approccio chiede invece dove posizionarlo e con quale forma.
La configurazione a due strati graduale che raggiunge 4,46 milioni di cicli, superando di oltre il 30% una patch prismatica a tre strati, mostra chiaramente la differenza.
Più volume non equivale a migliore riparazione.
Se simulazione, sensing e robotica mobile renderanno possibile applicare queste geometrie direttamente sulle infrastrutture, il WAAM potrebbe diventare uno strumento per estendere la vita di componenti che oggi vengono sostituiti o riparati attraverso soluzioni più invasive.
La tecnologia non è ancora pronta per vedere robot WAAM operare normalmente sotto ogni ponte danneggiato. Il vero ostacolo non è più dimostrare che il nuovo metallo possa essere depositato, ma trasformare un risultato sperimentale in un processo mobile, qualificato, ispezionabile e compatibile con le normative del settore delle costruzioni.
Proprio per questo la ricerca Empa è interessante: sposta il metal additive manufacturing dal problema relativamente noto di costruire una parte nuova a quello molto più complesso di intervenire in maniera controllata su una struttura che ha già una storia, un danno e decenni di vita operativa.
Ricerca Empa – riparazione di strutture con WAAM
| Voce | Dato |
|---|---|
| Istituto | Empa – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology |
| Collaborazione | ETH Zurich |
| Laboratorio | Structural Engineering |
| Ricercatore citato | Dr. Hossein Heydarinouri |
| Tecnologia | Wire Arc Additive Manufacturing |
| Classificazione processo | DED-Arc / Directed Energy Deposition |
| Feedstock | Filo metallico |
| Fonte energetica | Arco elettrico |
| Movimento | Robot industriale |
| Applicazione | Rinforzo di componenti in acciaio criccati |
| Target | Ponti, strutture portanti, costruzioni industriali |
| Danno studiato | Cricche di fatica |
| Metodo | Deposizione locale di patch tridimensionali |
| Obiettivo | Ridurre/arrestare la propagazione della cricca |
| Miglioramento massimo comunicato da Empa | Vita a fatica fino a circa 4× |
| Ostacolo principale | Applicazione robotica direttamente sul campo |
Studio 2026 sulle geometrie delle patch
| Caratteristica | Risultato |
|---|---|
| Materiale substrato | S355J2+N |
| Stato substrato | Pre-criccato |
| Tecnologia riparazione | WAAM |
| Post-lavorazione patch | Nessuna, test as-printed |
| Geometrie | Prismatiche e stepped |
| Patch a 1 strato | Migliora la durata ma la cricca originale resta dominante |
| Patch multistrato | Sposta il cedimento verso il bordo del deposito |
| Configurazione migliore | Stepped a 2 strati |
| Vita totale migliore | Circa 4,46 milioni di cicli |
| Patch prismatica a 3 strati | Circa 3,17 milioni di cicli |
| Vantaggio 2-layer stepped | Oltre 30% rispetto alla 3-layer prismatica |
| Effective Notch Stress – migliore geometria | Circa 223 MPa |
| Configurazione meno favorevole | Circa 276 MPa |
| Differenza ENS | >20% |
| Differenza structural hot-spot stress | <2% |
| Conclusione | La geometria conta più del volume depositato |
Parametri di un precedente studio Empa/ETH sul WAAM repair
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Acciaio della piastra | S355J2+N |
| Filo | ER70S-6 |
| Diametro filo | 1 mm |
| Fonte termica | Cold Metal Transfer – CMT |
| Patch originale | 30 × 30 mm |
| Spessore patch | 8 mm |
| Deposizione | Su entrambi i lati |
| Larghezza cordone | Circa 4,8 mm |
| Altezza layer | Circa 2 mm |
| Wire feed speed | 5,8 m/min |
| Velocità torcia | 10 mm/s |
| Corrente media | 148 A |
| Tensione media | 13 V |
| Pausa interlayer | 25 s |
| Temperatura interpass | <200 °C |
Questi parametri appartengono a precedenti studi della stessa linea di ricerca e non devono essere considerati automaticamente quelli utilizzati nella configurazione stepped del 2026.
Proprietà dei materiali riportate nei precedenti test
| Proprietà | S355J2+N | WAAM ER70S-6 orizzontale | WAAM ER70S-6 verticale |
|---|---|---|---|
| Modulo elastico | 205–206 GPa | 209 GPa | 221 GPa |
| Snervamento | 421 MPa | 390 MPa | 365 MPa |
| Resistenza a trazione | 526 MPa | 522 MPa | 518 MPa |
Effetti dell’ottimizzazione geometrica nelle precedenti simulazioni
| Parametro | Miglioramento massimo riportato |
|---|---|
| Riduzione materiale/peso | Fino a circa 78% |
| Riduzione massima tensione residua | Circa 22% |
| Riduzione massima tensione nella piastra | Circa 15% |
| Strategia | Geometrie stepped |
| Obiettivo | Evitare patch massicce e successiva lavorazione meccanica |
WAAM e metodi alternativi di riparazione
| Metodo | Vantaggio principale | Limite principale |
|---|---|---|
| Sostituzione componente | Ripristino completo | Costi e lavori elevati |
| Piastra saldata | Tecnologia consolidata | Geometria poco ottimizzabile |
| CFRP incollato | Elevato rapporto rigidezza/peso | Adesivo e comportamento ambientale |
| Fe-SMA | Possibilità di pretensionamento | Materiale/processo specializzato |
| Stop-hole | Intervento semplice | Efficacia limitata in alcuni casi |
| WAAM | Geometria locale personalizzata | Robotica, calore e qualificazione |
| WAAM stepped | Meno materiale e transizione graduale | Design più complesso |
| WAAM + machining | Transizione geometrica ottimale | Aumenta tempi e spreco di materiale |
Per arrivare alla riparazione direttamente sul ponte
| Tecnologia necessaria | Funzione |
|---|---|
| Robot mobile/portatile | Portare WAAM sul componente |
| Scanner 3D | Acquisire geometria reale |
| Crack detection | Localizzare il difetto |
| Simulazione FEM | Ottimizzare la patch |
| Generazione automatica traiettorie | Adattare la deposizione |
| Controllo termico | Limitare distorsioni e danni |
| Monitoraggio WAAM | Verificare stabilità del processo |
| NDT | Identificare difetti dopo deposizione |
| Scansione finale | Verificare la geometria |
| Digital record | Garantire tracciabilità della riparazione |
| Regole di progettazione | Consentire approvazione strutturale |
| Monitoraggio nel tempo | Valutare la vita residua |