Numerical simulation and shape control of 3D concrete printing on complex substrates

3D Concrete Printing (3DCP) represents a significant innovation in construction, yet its large-scale adoption is hindered by challenges in geometric control, particularly when depositing material onto complex or irregular substrates. Such conditions often lead to dimensional inaccuracies, such as filament narrowing and inter-layer voids, which compromise the quality and integrity of the final element. This thesis presents a comprehensive numerical investigation, employing the Particle Finite Element Method (PFEM), to model the non-Newtonian, free-surface flow of fresh concrete during extrusion. The framework is first validated through a parametric study that quantifies the influence of key rheological properties, such as static yield stress , and process parameters, like printing and extrusion velocities, on the resulting filament morphology. The central contribution of this work is the development and validation of a novel, mass-conservation-based control strategy for geometric optimization. This method dynamically adjusts the printing velocity based on the local variations of the substrate’s topography. By doing so, it effectively compensates for changes in the nozzle-to-bed distance, ensuring a constant filament width and area. The efficacy of this optimization strategy is demonstrated through a series of progressively complex numerical case studies—from printing on planar substrates with 1D steps to 2D trigonometric substrates—showing a significant improvement in deposition quality and the elimination of voids compared to non-optimized processes. As a second contribution the work explores the digital design and simulation of multi-layer, non-planar cylindrical objects. This research validates the PFEM as a powerful predictive tool and offers a viable computational solution for enhancing the robustness and applicability of 3DCP in real-world, on-site construction environments.

La Stampa 3D del Calcestruzzo (3DCP) rappresenta una significativa innovazione nel settore delle costruzioni, tuttavia la sua adozione su larga scala è ostacolata dalle difficoltà nel controllo geometrico, in particolare durante la deposizione di materiale su substrati complessi o irregolari. Tali condizioni portano sovente a imprecisioni dimensionali, come il restringimento del filamento e la formazione di vuoti inter-strato, che compromettono la qualità e l’integrità dell’elemento finale. Questa tesi presenta una rigorosa indagine numerica, basata sul Metodo agli Elementi Finiti Particellare (PFEM), per modellare il flusso a superficie libera e non-Newtoniano del calcestruzzo fresco durante l’estrusione. Il framework è inizialmente validato attraverso uno studio parametrico che quantifica l’influenza delle principali proprietà reologiche, come la tensione di snervamento statica , e dei parametri di processo, come le velocità di stampa ed estrusione, sulla morfologia del filamento. Il contributo centrale di questo lavoro è lo sviluppo e la validazione di una strategia di controllo innovativa, basata sul principio di conservazione della massa, per l’ottimizzazione geometrica. Questo metodo adatta dinamicamente la velocità di stampa in funzione delle variazioni topografiche locali del substrato. Così facendo, compensa efficacemente le variazioni di distanza tra l’ugello e il piano di stampa, assicurando una larghezza e un’area del filamento costanti. L’efficacia di tale strategia di ottimizzazione è dimostrata attraverso una serie di casi studio numerici a complessità crescente—dalla stampa effettuata su superfici planari con semplici gradini 1D a substrati trigonometrici 2D—mostrando un significativo miglioramento della qualità di deposizione e l’eliminazione dei vuoti rispetto ai processi non ottimizzati. Come secondo contributo, il lavoro esplora la progettazione digitale e alla simulazione di oggetti cilindrici multistrato e non planari. Questa ricerca convalida il PFEM come un potente strumento predittivo e offre una soluzione computazionale praticabile per migliorare la robustezza e l’applicabilità del 3DCP in ambienti di cantiere reali e non controllati.