Численное моделирование процесса строительной 3D-печати. Проблемы и методы решения

Проанализированы методы численного моделирования процесса строительной 3D-печати бетоном с точки зрения возможностей численной симуляции устойчивости напечатанных объектов вариативной геометрии. Для моделирования и управления процессом признан эффективным метод вычислительной гидродинамики (метод конечных объемов), реализуемый в CFD-комплексах (ANSYS Fluent, OpenFOAM, COMSOL). Применимость метода и CFD-инструментов для решения проблемы моделирования и управления процессом печати определяется возможностью численной симуляции течения бетонной смеси при экструзии и формировании слоев, прогнозирования геометрического соответствия и устойчивости структур с учетом реологических свойств смеси (вязкости, пределов текучести и тиксотропии) и их изменения во времени. Отличительной особенностью разрабатываемого обобщенного подхода и числовой модели процесса 3D-печати будет использование реологических параметров смеси, требования к номенклатуре и диапазону значений которых определены экспериментально. В рамках реализации данного подхода для трех видов смесей выполнены экспериментальные исследования реологического поведения методом сдвиговой реометрии. В процессе 3D-печати модельных элементов произведена оценка их качества и устойчивости в зависимости от вида и технологических характеристик используемой смеси. В результате обоснована рациональная модель реологического поведения и диапазон значений параметров вязкопластичной смеси, обеспечивающих ее пригодность к экструзии и послойной укладке. К ним отнесены эффективная вязкость и бингамовский предел текучести, определяющие качество экструзии смеси; статическая вязкость и пластическая прочность, статический предел текучести, от которых зависит сохранность формы слоя, устойчивость печатной структуры.

Г.С. СЛАВЧЕВА, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
В.Г. ТЕЛИЧКО, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
П.Ю. ЮРОВ, аспирант (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Д.С. БАБЕНКО, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)

1. Liu Z., Li M., Weng Y., Qian Y., Wong T.N., Tan M.J. Modelling and parameter optimization for filament deformation in 3D cementitious material printing using support vector machine. Composites Part B: Engineering. 2020. No. 193. P. 108018. EDN: ­IKAVYD. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108018
2. Wolfs R.J.M., Salet T.A.M., Roussel N. Filament geometry control in extrusion-based additive manufacturing of concrete: the good, the bad and the ugly. Cement and Concrete Research. 2021. No. 150. P. 106615. EDN: ­DKLWJH.
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106615
3. Hosseini E., Zakertabrizi M., Korayem A.H., Xu G. A novel method to enhance the interlayer bonding of 3D printing concrete: an experimental and computational investigation. Cement and Concrete Composition. 2019. No. 99, pp. 112–119. EDN: ­KTEMNJ. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2019.03.008
4. Jayathilakage R., Rajeev P., Sanjayan J.G. Yield stress criteria to assess the buildability of 3D concrete printing. Construction and Building Materials. 2020. No. 240. P. 117989. EDN: ­ZSNDMP.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117989
5. Nguyen-Van V., Panda B., Zhang G., Nguyen-Xuan H., Tran P. Digital design computing and modelling for 3-D concrete printing. Automation in Construction. 2021. No. 123 (4). P. 103529.
https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103529
6. Wolfs R.J.M.J.M., Bos F.P.P., Salet T.A.M.A.M. Early age mechanical behaviour of 3D printed concrete: numerical modelling and experimental testing. Cement and Concrete Research. 2018. No. 106, pp. 103–116. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.02.001
7. Wolfs R.J.M.M., Suiker A.S.J.J. Structural failure during extrusion-based 3D printing processes. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. No. 104, pp. 565–584. EDN: ­AJPDUS.
https://doi.org/10.1007/s00170-019-03844-6
8. Vantyghem G., Ooms T., De Corte W. FEM modelling techniques for simulation of 3D concrete printing. Fib Symposium 2020 “Concrete Structures for Resilient Society”. 2020, pp. 964–972.
https://doi.org/10.48550/arXiv.2009.06907
9. Collins P., Van Helvoort S., Khimshiasvili G., Marsella A. Chapter 1 Prediction of Print Success for Concrete 3D Printing. Proceedings of the 148th European Study Group Mathematics with Industry. 2019. 27 p.
10. Andersen S., da Silva W.R.L., Paegle I., Nielsen J.H. Numerical Model Describing the Early Age Behavior of 3D Printed Concrete – Work in Progress. RILEM Bookseries. In book: Second RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication. 2020, pp. 175–184. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49916-7_18
11. Prem P., Ambily P., Kumar S. A theoretical model to predict the structural buildability of 3D printable concrete. Mechanics of Time-Dependent Materials. No. 28 (4), pp. 2661–2679. EDN: ­JNUBZH. https://doi.org/10.1007/s11043-024-09666-8
12. Abbaoui Kh., Korachi I., El Jai M. 3D concrete printing using computational fluid dynamics: Modeling of material extrusion with slip boundaries. Journal of Manufacturing Processes. 2024. Vol. 118, pp. 448–459. EDN: ­KLMWGP.
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.03.042
13. Spangenberg J. and all. Numerical simulation of multi-layer 3D concrete printing. RILEM Technical Letters. 2021. Vol. 6, pp. 119–123. EDN: ­OSPDXA. https://doi.org/10.21809/rilemtechlett.2021.142
14. Shoukat K., Muammer K. Numerical modelling and simulation for extrusion-based 3D concrete printing: The underlying physics, potential, and challenges. Results in Materials. Vol. 16. P. 100337. EDN: ­ZKIZES. https://doi.org/10.1016/j.rinma.2022.100337
15. Dong A., Zhang Y.X., Yang R. Numerical modelling of 3D concrete printing: material models, boundary conditions and failure identification. Engineering Structures. 2023. No. 299. P. 117104. EDN: ­EHYLUB. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.117104
16. Славчева Г.С., Артамонова О.В. Управление реологическим поведением смесей для строительной 3D-печати: экспериментальная оценка возможностей арсенала «нано» // Нанотехнологии в строительстве. 2019. Т. 11. № 3. С. 325–334. EDN: ­NNOLZG. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2019-11-3-325-334
16. Slavcheva G.S., Artamonova O.V. The control of rheological behaviour for 3D-printable building mixtures: experimental evaluation of «nano» tools prospects. Nanotehnologii v Stroitel’stve. 2019. Vol. 11. No. 3, pp. 325–334. (In Russian). EDN: ­NNOLZG. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2019-11-3-325-334
17. Славчева Г.С. Строительная 3D-печать сегодня: потенциал, проблемы и перспективы практической реализации // Строительные материалы. 2021. № 5. С. 28–36. EDN: ­WACJMY.
https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-791-5-28-36
17. Slavcheva G.S. 3D-build printing today: potential, challenges and prospects for implementation. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2021. No. 5, pp. 28–36. (In Russian). EDN: ­WACJMY. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-791-5-28-36
18. Юров П.Ю., Каракчи-Огли Д.Р. Влияние технологических свойств цементной смеси на качество слоистых 3D-печатных элементов // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2025. № 1 (62). С. 139–154. EDN: ­HIZOBF. https://doi.org/10.24866/2227-6858/2025-1/139-154
18. Yurov P.Yu., Karakchi-Ogli D.R. Influence of technological properties of cement mixture on the quality of layered 3D-printed elements. Vestnik Inzhenernoi shkoly Dal’nevostochnogo federal’nogo universiteta. 2025. No. 1 (62), pp. 139–154. EDN: ­HIZOBF. https://doi.org/10.24866/2227-6858/2025-1/139-154