Numerical simulation of flow instability patterns in 3D concrete printing with PFEM

This Master's thesis investigates the application of the Particle Finite Element Method (PFEM) to address challenges in 3D Concrete Printing (3DCP), particularly focusing on the instability patterns of yield stress fluids during the printing process. By exploiting the PFEM's capabilities for simulating non-Newtonian fluid dynamics, this study provides an analysis of the factors influencing the extrusion-based 3DCP, including material properties and extrusion parameters, such as velocity, position and dimension of the extrusion device. Through the comparison between numerical simulations and experimental results from literature, the thesis presents novel insights into optimizing 3D printing parameters for improved structural integrity and geometric accuracy of printed constructs. The findings contribute to predict correctly the filament deposition process knowing some key geometric and kinematic parameters.

Questa tesi di Laurea Magistrale indaga l'applicazione del Metodo degli Elementi Finiti con Particelle (PFEM) per affrontare le sfide nella stampa 3D del calcestruzzo (3DCP), concentrandosi in particolare sui modelli di instabilità dei fluidi di Bingham durante il processo di stampa. Sfruttando le capacità del PFEM per la simulazione della fluidodinamica non newtoniana, questo studio fornisce un'analisi dei fattori che influenzano la stampa 3D del calcestruzzo basato sull'estrusione, comprese le proprietà dei materiali e i parametri di estrusione, come velocità, posizione e dimensione del dispositivo di estrusione. Attraverso il confronto tra simulazioni numeriche e risultati sperimentali presenti in letteratura, la tesi presenta riflessioni sull’ottimizzazione dei parametri di stampa 3D per una migliore integrità strutturale e accuratezza geometrica dei costrutti stampati. I risultati ottenuti contribuiscono a prevedere correttamente il processo di deposizione del filamento conoscendo alcuni parametri geometrici e cinematici chiave.