RUB sviluppa un modello di simulazione per il 3D concrete printing

Obiettivo del lavoro
Il gruppo della Ruhr-Universität Bochum (RUB) ha messo a punto un modello numerico per analizzare le fasi critiche del 3D concrete printing basato su estrusione: forma del cordolo depositato, interazioni tra strati, stabilità della geometria e condizioni che portano a cedimenti locali. L’intento è collegare in modo esplicito parametri di processo (portata, velocità dell’ugello, tempo d’attesa tra gli strati, distanza di standoff) al comportamento reologico e meccanico del calcestruzzo fresco.

Chi fa cosa a Bochum
L’attività è in capo all’Institute for Structural Mechanics della RUB, in dialogo con i centri universitari dedicati alla simulazione come ICAMS. Il gruppo pubblica da tempo risultati su modelli multi-fisici e multi-scala per materiali cementizi e strutture, con un focus sui processi additivi.

Il cuore del modello: PFEM e leggi costitutive per il calcestruzzo fresco
Il team utilizza il Particle Finite Element Method (PFEM), approccio ibrido particelle/elementi finiti adatto a frontiere libere, grandi deformazioni e flussi non newtoniani. Sul piano costitutivo, il calcestruzzo fresco viene descritto con modelli di tipo Bingham (e varianti anisotrope quando presenti fibre), così da catturare soglie di snervamento, viscosità plastica e fenomeni tempo-dipendenti che incidono su buildability e shape stability durante la deposizione strato-su-strato.

Cosa viene simulato
Le analisi numeriche includono:

• evoluzione della sezione del cordolo e della sua impronta sullo strato sottostante;
• campi di sforzo e zone snervate/non snervate in funzione del tempo d’attesa tra strati;
• forze indotte dallo strato superiore su quelli inferiori;
• condizioni limite per instabilità (ad es. schiacciamento o collasso locale) durante la crescita del manufatto.

Validazione e lavori correlati
Le scelte modellistiche sono state validate confrontando le simulazioni con casi di letteratura su 3DCP e—quando il mix è fibrorinforzato—confrontando l’orientamento delle fibre previsto dal modello con misure sperimentali. Un filo conduttore nelle pubblicazioni del team è mostrare come con un’unica formulazione costitutiva sia possibile coprire più scale: da poche passate fino alla scala dell’intero dimostratore.

Quali dati servono e perché aiutano la produzione
Il modello richiede curve reologiche del mix (soglia di snervamento, viscosità, eventuale tissotropia), geometria dell’ugello, velocità di stampa e strategie di percorso. Con queste informazioni è possibile effettuare what-if digitali prima della stampa: calibrare tempi d’attesa, ottimizzare la sezione del cordolo, decidere quando conviene aumentare o ridurre la portata e impostare regole per il controllo in macchina.

Implicazioni per cantieri e fornitori
Un ambiente di simulazione affidabile consente di ridurre tentativi fisici, velocizzare la messa a punto di elementi strutturali e migliorare la qualità dimensionale. Nel panorama industriale europeo, realtà come PERI (con BOD2) e progetti di cantiere con ZÜBLIN/INSTATIQ mostrano che il passaggio dalla demo alla scala edilizia avanza; strumenti di calcolo coerenti con i processi reali diventano quindi un tassello fondamentale per pianificare sequenze di stampa, controllare tolleranze e prevenire difetti in opera.

Collocazione nel quadro di ricerca europeo
Il lavoro della RUB si inserisce in una traiettoria che, in Germania e in Europa, include modelli e pipeline digitali per collegare BIM–simulazione–macchina (es. TU Dresden), riflessioni su standard e robustezza del 3DCP (es. BAM), e progressi su componenti portanti stampati e nuove regole di progetto (es. ETH Zürich). Questo ecosistema facilita l’adozione di modelli predittivi anche in percorsi autorizzativi e di qualifica.

Prossimi sviluppi
Le strade indicate dalla letteratura e dal gruppo di Bochum: i) accoppiamento termo-idro-meccanico per seguire l’idratazione e l’evoluzione delle proprietà agli stati iniziali, ii) modelli ridotti per ottimizzazione rapida di parametri macchina, iii) integrazione con monitoraggio in linea per chiudere il ciclo simula-stampa-misura.