Modelling the influence of nozzle geometry in 3D concrete printing

3D concrete printing (3DCP) is constrained by the rheology of fresh concrete, deposition stability, and the lack of predictive tools for extrusion and layer interaction. This thesis applies a pre-existing simulation framework for 3DCP, based on the Particle Finite Element Method (PFEM) to investigate the effect of different nozzle sizes and shapes on the extrusion and layer deposition processes. It supports circular, square, and rectangular nozzles, including rotating rectangular nozzles, and handles complex toolpaths. Parametric simulations isolate the effects of yield stress, nozzle size, shape, orientation, and path geometry for single- and multi-layer builds. Results reveal trade-offs between flowability and buildability: low yield stress facilitates extrusion but leads to spreading and weak interfaces, while higher values enhance shape retention and stacking until stability plateau. Larger nozzles improve build height but reduce geometric precision; rectangular nozzles sharpen corners yet are orientation-sensitive and prone to bulging at intersections. Curved toolpaths drive outward thickening, and excessive lateral offsets can cause instability and collapse. Laboratory trials with a 6-axis KUKA robotic extrusion arm validated these numerical predictions, confirming filament spreading on curves, geometric sensitivity at overlaps, and the dependence of interlayer bonding on rheological consistency, timing, and nozzle orientation. The outcome is a validated PFEM platform that bridges simulation and practice, provides guidelines for selecting material parameters, nozzle design, and toolpaths, and supports more reliable and scalable 3D concrete printing.

La stampa 3D di calcestruzzo (3DCP) è limitata dalla reologia del calcestruzzo fresco, dalla stabilità di deposizione e dalla mancanza di strumenti predittivi per l'estrusione e l'interazione tra strati. Questa tesi applica un preesistente framework di simulazione per la 3DCP, basato sul Particle Finite Element Method (PFEM), per indagare l'effetto di diverse dimensioni e forme degli ugelli sui processi di estrusione e deposizione degli strati. Il framework supporta ugelli circolari, quadrati e rettangolari, inclusa la rotazione degli ugelli rettangolari, e gestisce toolpath complessi. Simulazioni parametriche isolano gli effetti della tensione di snervamento (yield stress), delle dimensioni e della forma dell'ugello, dell'orientamento e della geometria del percorso per costruzioni a strato singolo e multistrato. I risultati rivelano trade-off tra fluidità (flowability) e stabilità costruttiva (buildability): una bassa tensione di snervamento facilita l'estrusione ma porta a spargimento (spreading) e interfacce deboli, mentre valori più alti migliorano la ritenzione della forma e la stabilità di impilamento fino a un plateau di stabilità. Ugelli più grandi migliorano l'altezza di costruzione ma riducono la precisione geometrica; gli ugelli rettangolari affinano gli angoli ma sono sensibili all'orientamento e soggetti a rigonfiamenti (bulging) nelle intersezioni. I toolpath curvi provocano l'ispessimento verso l'esterno, e gli eccessivi offset laterali possono causare instabilità e collasso. Prove di laboratorio condotte con un braccio robotico di estrusione KUKA a 6 assi hanno validato queste previsioni numeriche, confermando lo spargimento del filamento sulle curve, la sensibilità geometrica nelle sovrapposizioni e la dipendenza del legame interstrato dalla consistenza reologica, dalla tempistica e dall'orientamento dell'ugello. L'esito è una piattaforma PFEM validata che funge da ponte tra simulazione e pratica, fornisce linee guida per la selezione di parametri materiali, il design degli ugelli e i toolpath, e supporta una stampa 3D di calcestruzzo più affidabile e scalabile.