[논문 리뷰] FEM modelling techniques for simulation of 3D concrete printing

Gieljan Vantyghem, Ticho Ooms외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 15.

Innovations in Concrete and Construction Materials참고 문헌 5인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 3D 콘크리트 프린팅 공정을 시뮬레이션하기 위한 유한요소법(FEM) 전략 두 가지를 제시한다. 이는 프린팅 중 구조 거동을 예측하고 프린팅 파arameter를 최적화하는 데 목적이 있다. 첫 번째 전략은 볼록체 기반 이산화를 사용하고, 두 번째 전략은 도구경로 스윕 방식을 통해 요소를 생성한다. 두 모델 모두 양호한 일치를 보이며, 붕괴를 방지하기 위해 최적의 프린팅 속도와 오버행 각도를 예측할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 프린팅 중 신선 콘크리인 상태에서의 구조 거동을 예측하기 위해 FEM 기반 시뮬레이션 기법을 개발한다.
• 프린팅 실패를 방지하기 위해 최적의 프린팅 속도와 최대 오버행 각도를 규명한다.
• 복잡한 프린팅을 시뮬레이션할 때 정확성과 효율성 측면에서 두 가지 다른 FEM 이산화 전략을 비교한다.
• 층 두께, 인서트 패턴, 혼합 조성 등의 프린팅 파arameter에 대한 설계 권고를 제공한다.
• 미래 연구에서 실험 데이터와의 수치적 검증 기반을 마련한다.

제안 방법

• 첫 번째 FEM 전략은 체적 메쉬를 기반으로 삼각기둥 요소로 도메인을 분할하여 3D 프린팅 기하 구조를 볼록체화로 근사한다.
• 두 번째 전략은 사전 정의된 단면을 사전 정의된 도구경로를 따라 스윕하여 유한요소를 구축함으로써 프린팅 경로에 대한 기하 정확도를 확보한다.
• 두 모델 모두 정적 암시적 단계를 반복 수행하며, 층별 축적 과정을 시뮬레이션하기 위해 요소를 점진적으로 추가한다.
• 모델은 콘크리트가 신선 상태일 동안 자중과 프린팅에 의한 응력에 대한 구조적 반응을 시뮬레이션한다.
• 응력 한계를 초과할 경우 붕괴 또는 변형이 발생할 수 있음을 나타내어 붕괴를 예측한다.
• 사례 연구를 통해 구조적 반응을 비교하고 임계 붕괴 지점을 규명함으로써 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 볼록체 기반과 도구경로 스윕 방식의 FEM 이산화 방법은 3D 콘크리트 프린팅 공정을 시뮬레이션할 때 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 프린팅 중 구조적 붕괴를 방지하기 위해 최적의 프린팅 속도와 최대 오버행 각도는 무엇인가?
• RQ3 두 FEM 전략은 동일한 프린팅 기하 구조에 대해 유사한 구조적 반응을 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ4 FEM 시뮬레이션은 층 두께, 인서트 패턴, 혼합 설계 결정에 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ5 현재 FEM 모델은 프린팅 중 신선 콘크리트의 기계적 거동을 포괄하는 데 어떤 한계를 지니는가?

주요 결과

• 두 FEM 전략 모두 유사한 구조적 반응을 도출하여 프린팅 안정성 예측의 일관성을 입증한다.
• 모델은 자중 하에서 임계 붕괴 지점을 성공적으로 예측하여 안전한 프린팅 파arameter를 규명하는 데 기여한다.
• 도구경로 스윕 방식은 볼록체화 대비 복잡한 프린팅 경로에 대해 더 높은 기하 정확도를 제공한다.
• 시뮬레이션 프레임워크를 통해 붕괴를 방지하기 위한 최적의 프린팅 속도와 최대 오버행 각도를 추정할 수 있었다.
• 모델은 층 두께와 인서트 패턴 선택과 같은 프린팅 전략 결정에 도움을 줄 잠재력을 보였다.
• 한계로는 시간에 따라 변화하는 신선 콘크리트 거동을 모델링하는 데 어려움이 있으며, 실험적 검증이 필요하다.