Numerical simulation of 3D concrete printing: from single layer to complex geometries

3D Concrete Printing (3DCP) is an emerging digital fabrication technology that can potentially revolutionize the building sector, increasing productivity, sustainability, and design flexibility. This thesis investigates the impact of the rheological properties of printable cementitious materials on the stability and geometrical accuracy of 3D printed structures. The Particle Finite Element Method (PFEM) is used to simulate the extrusion process and structural behaviour of complex objects. Several case studies are examined including simple and multi-layered geometries, to determine the effects of material properties and process parameters. The results demonstrate that optimizing yield stress and thixotropy is critical for achieving geometric precision and preventing structural collapse. Furthermore, an approach for converting parametric CAD toolpaths into G-code is explored to enhance the fidelity of digital-to-physical transformations. This bridges the gap between computational design and manufacturing accuracy, ensuring that the printed structure is similar to the intended geometry.

La stampa 3D del calcestruzzo (3DCP) è una tecnologia emergente di fabbricazione digitale che ha il potenziale di rivoluzionare il settore edilizio, aumentando la produttività, sostenibilità e flessibilità progettuale. Questa tesi indaga l'impatto delle proprietà reologiche dei materiali cementizi stampabili sulla stabilità e la geometria delle strutture stampate in 3D. Il metodo degli elementi finiti particellari (PFEM) viene utilizzato per simulare il processo di estrusione e il comportamento strutturale di forme geometriche. Vengono esaminati diversi casi studio, tra cui geometrie semplici e multistrato, al fine di determinare gli effetti delle differenti proprietà dei materiali e dei parametri di processo. I risultati dimostrano che l'ottimizzazione della tensione di snervamento e della tissotropia è cruciale per ottenere precisione geometrica e prevenire il collasso strutturale. Inoltre, viene esplorato un approccio per la conversione dei percorsi utensili parametrici CAD in G-code, migliorando la fedeltà delle trasformazioni dal digitale al fisico. Ciò colma il divario tra progettazione computazionale e accuratezza di produzione, garantendo che la struttura stampata sia simile alla geometria prevista.