[論文レビュー] FEM modelling techniques for simulation of 3D concrete printing

Gieljan Vantyghem, Ticho Ooms+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2020

Innovations in Concrete and Construction Materials参考文献 5被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、3次元コンクリート印刷プロセスのシミュレーションのための2つの有限要素法（FEM）戦略を提示する。これらは、印刷中の構造的挙動を予測し、印刷パラメータを最適化することを目的としている。1つ目の戦略はボクセル化に基づく離散化を採用し、2つ目の戦略はツールパススイープ法を用いて要素を生成する。両モデルとも良好な一致を示し、破綻を防ぐために最適な印刷速度とオーバーハング角を予測可能である。

ABSTRACT

Three-dimensional concrete printing (3DCP) has gained a lot of popularity in recent years. According to many, 3DCP is set to revolutionize the construction industry: yielding unparalleled aesthetics, better quality control, lower cost, and a reduction of the construction time. In this paper, two finite element method (FEM) strategies are presented for simulating such 3D concrete printing processes. The aim of these models is to predict the structural behaviour during printing, while the concrete is still fresh, and estimate the optimal print speed and maximum overhang angle to avoid print failures. Both FE analyses involve solving multiple static implicit steps where sets of finite elements are added stepwise until failure. The main difference between the two methods is in the discretization of the 3D model. The first method uses voxelization to approximate the 3D shape, while the second approach starts from defining the toolpath and constructs finite elements by sweeping them along the path. A case study is presented to evaluate the effectiveness of both strategies. Both models are in good agreement with each other, and a comparable structural response is obtained. The model's limitations and future challenges are also discussed. Ultimately, the paper demonstrates how FEM-based models can effectively simulate complex prints and could give recommendations with regards to a better print strategy. These suggestions can be related to the maximum printing speed and overhang angle, but also the optimal layer height and thickness, the specific choice of the infill pattern, or by extension the mixture design. When print failures can be avoided, this methodology could save time, resources and overall cost. Future work will focus on the validation of these numerical models and comparing them to experimental data.

研究の動機と目的

• 3次元コンクリート印刷におけるFEMベースのシミュレーション技術を開発し、生コンクリート状態における構造的挙動を予測すること。
• 印刷失敗を防ぐために最適な印刷速度および最大オーバーハング角を特定すること。
• 複雑な印刷をシミュレートする際の精度と効率性を比較する、2つの異なるFEM離散化戦略の評価。
• レイヤー高さ、インフィルパターン、混合組成などの印刷パラメータに関する設計の助言を提供すること。
• 今後の研究において実験データとの数値的検証を可能にする基盤を構築すること。

提案手法

• 1つ目のFEM戦略は、ボクセライゼーションを用い、体積メッシュに基づいて六面体要素に領域を分割することで、3次元印刷形状を近似する。
• 2つ目の戦略は、事前に定義された断面を事前に定義されたツールパスに沿ってスイープすることで、有限要素を構築し、印刷軌道に沿った幾何的忠実度を確保する。
• 両モデルとも、層ごとの積層プロセスを模倣するために、要素を段階的に追加する静的インクリメンタルステップを複数回実行する。
• モデルは、コンクリートが生コンクリート状態にあり続ける間の自己重量および印刷に起因する応力に対する構造的反応をシミュレートする。
• 応力閾値を超えた場合に破綻（崩壊または変形）の可能性があると判断され、破綻が予測される。
• ケーススタディを通じて構造的応答の比較と、臨界破綻点の特定により、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボクセルベースのFEM離散化法とツールパススイープ法は、3次元コンクリート印刷プロセスのシミュレーションにおいて、どのように比較されるか？
• RQ2 印刷中に構造的破綻を防ぐために最適な印刷速度と最大オーバーハング角は何か？
• RQ3 2つのFEM戦略は、同じ印刷形状に対して、どの程度同等の構造的応答を予測できるか？
• RQ4 FEMシミュレーションは、レイヤー高さ、インフィルパターン、および混合設計の意思決定をどのように支援できるか？
• RQ5 現在のFEMモデルは、印刷中の生コンクリートの力学的挙動をどの程度正確に捉えられているか？

主な発見

• 両FEM戦略とも同等の構造的応答を示し、印刷安定性の予測において一貫性があることを示した。
• モデルは自己重量下での臨界破綻点を成功裏に予測し、安全な印刷パラメータの特定に寄与した。
• 複雑な印刷パスにおいて、ツールパススイープ法はボクセライゼーションに比べて優れた幾何的精度を達成した。
• シミュレーションフレームワークにより、崩壊を避けるための最適な印刷速度と最大オーバーハング角の推定が可能になった。
• モデルは、レイヤー高さやインフィルパターンの選定を含む印刷戦略のガイドラインとしての可能性を示した。
• 制限事項として、時間依存的な生コンクリート挙動のモデル化の難しさと、実験的検証の必要性が挙げられる。