Abordagem numérica e metamodelagem preditiva da geometria do filete na impressão 3D de concreto
Data
2026-09-21
Autores
Mendes, Allana Ribeiro
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Resumo
A impressão 3D de concreto (3DCP) consolida-se como uma das tecnologias mais promissoras da manufatura aditiva na construção civil, mas sua plena adoção ainda esbarra na dificuldade de controlar com precisão a deposição do material no estado fresco, etapa em que a interação entre parâmetros operacionais e propriedades reológicas governa a qualidade geométrica e a estabilidade do filete extrudado. Apesar dos avanços recentes, a literatura é escassa em critérios quantitativos que delimitem as condições de deposição estável e de ferramentas preditivas que orientem o ajuste dos parâmetros em campo, sem novos ensaios ou simulações custosas — lacuna que esta tese busca preencher. O objetivo foi avaliar o comportamento da extrusão durante a deposição e traduzi-lo em subsídios técnicos para o controle do processo, investigando como a altura do bico (Hₙ) e a razão entre as velocidades de impressão e de extrusão (V/U) determinam a geometria e a estabilidade do filete. Adotou-se simulação numérica multifásica (CFD), com o escoamento concreto–ar representado pelo modelo Volume of Fluid (VOF) e resolvido pelo Método dos Volumes Finitos (FVM); o modelo foi verificado em 2D, validado em 3D frente à literatura e, sobre essa base, foram construídos metamodelos preditivos por Superfície de Resposta (RSM) e Krigagem (GPR). Como resultados, quantificaram-se a distribuição de velocidade e a vazão do processo; estabeleceram-se critérios para classificar o regime de alimentação e a estabilidade do filete; delimitou-se uma fronteira crítica de estabilidade no espaço dos parâmetros; e propôs-se um Índice de Qualidade geométrica que ordena as condições dentro da região estável. Os metamodelos de Superfície de Resposta e de Krigagem, ajustados a quinze simulações próprias e a doze casos da literatura, foram validados contra simulações independentes em dois pontos operacionais inéditos e estimaram a largura e a altura do filete sem novas simulações, com erro relativo máximo de 5,04% e com os valores simulados contidos no intervalo de credibilidade de 95% da Krigagem. A principal contribuição desta tese está em fazer a ponte entre a simulação numérica e a prática de campo: reunir a fronteira de estabilidade, o Índice de Qualidade geométrica e os metamodelos preditivos validados em um único protocolo capaz de orientar o ajuste dos parâmetros diretamente na impressão, de forma rápida e quantitativa. Mais do que descrever o escoamento, o trabalho fornece à comunidade da 3DCP critérios objetivos e ferramentas reaproveitáveis para projetar deposições estáveis, reduzindo a dependência de ensaios experimentais e de simulações custosas — e abrindo caminho para o controle preditivo do processo
Descrição
Palavras-chave
Simulação numérica, Método dos volumes finitos, Impressão 3D de concreto, Extrusão, Estabilidade da deposição, Metamodelos preditivos