A PFEM numerical study of 3D concrete printing in a lunar enviroment

3D concrete printing (3DCP) coupled with In-Situ Resource Utilization (ISRU) drastically reduces material transport costs from Earth for lunar construction. However, reduced gravity (1.62 m/s²) poses significant challenges. This thesis investigates 3DCP applicability on the Moon, analyzing how modified gravity, rheology, and process variables affect deposition dynamics and structural stability. In the absence of physical experimentation in the lunar environment, numerical simulations using the Particle Finite Element Method (PFEM) are performed. Fresh concrete behavior is modeled by comparing the Bingham and Saramito models to accurately capture free-surface flows and large deformations. Parametric analyses assess the influencee of yield stress and shear modulus during free-flow deposition and layer pressing, while buildability tests explore vertical development limits before collapse. Results show that lunar gravity strongly attenuates filament slumping, making yield stress requirements less stringent than on Earth. Crucially, layer pressing emerges as the optimal strategy, ensuring better adhesion and allowing the printing of structures over twice as tall as terrestrial ones. This work provides a robust numerical framework for rheological design and optimization of construction processes in an extraterrestrial environment.

La stampa 3D del calcestruzzo (3DCP) con impiego di risorse in loco (ISRU) riduce notevolmente i costi di trasporto dei materiali dalla Terra per le costruzioni lunari, ma affronta la sfida della gravità ridotta (1.62 m/s²). Questa tesi indaga l’applicabilità della 3DCP sulla Luna, analizzando l’impatto di gravità, reologia e parametri di processo su deposizione e stabilità strutturale. In assenza di sperimentazione fisica in ambiente lunare, si ricorre a simulazioni numeriche tramite il Metodo degli Elementi Finiti a Particelle (PFEM). Il calcestruzzo fresco è modellato confrontando i modelli di Bingham e Saramito per gestire grandi deformazioni e flussi a superficie libera. Analisi parametriche valutano la tensione di snervamento e il modulo di taglio in modalità flusso libero e pressatura (layer pressing), mentre test di costruibilità determinano i limiti di sviluppo verticale prima del collasso. I risultati indicano che la gravità lunare riduce drasticamente il cedimento (slump) dei filamenti: i requisiti reologici risultano quindi meno stringenti che sulla Terra. Il layer pressing emerge come strategia ottimale, garantendo maggiore adesione e permettendo di stampare strutture alte più del doppio rispetto a quelle terrestri. Questo studio fornisce un solido framework numerico per la progettazione reologica e l’ottimizzazione dei processi costruttivi in ambiente extraterrestre.