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.