Abordagem numérica e metamodelagem preditiva da geometria do filete na impressão 3D de concreto

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dc.contributor.advisorToralles, Berenice Martins
dc.contributor.authorMendes, Allana Ribeiro
dc.contributor.bancaAntequera, Alberto de la Fuente
dc.contributor.bancaMartins, Carlos Humberto
dc.contributor.bancaArantes, Eudes José
dc.contributor.bancaVieira, Manuel Gomes
dc.contributor.coadvisorRezende, Ricardo Vicente de Paula
dc.coverage.extent301 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2026-11-05T14:46:04Z
dc.date.available2026-11-05T14:46:04Z
dc.date.issued2026-09-21
dc.description.abstractA 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
dc.description.abstractother1Three-dimensional concrete printing (3DCP) is establishing itself as one of the most promising additive manufacturing technologies for civil construction; however, its full adoption is still hindered by the difficulty of precisely controlling the deposition of fresh-state material, a stage in which the interaction between operational parameters and rheological properties governs the geometric quality and the stability of the extruded filament. Despite recent advances, the literature still lacks quantitative criteria to delimit the conditions for stable deposition and predictive tools to guide the adjustment of parameters in the field, without new tests or costly simulations — a gap that this thesis seeks to fill. The objective was to evaluate the behavior of extrusion during deposition and to translate this understanding into objective technical guidelines for process control, investigating how the nozzle height (Hₙ) and the ratio between printing and extrusion speeds (V/U) determine the geometry and stability of the filament. A multiphase numerical simulation (CFD) approach was adopted, in which the concrete–air flow was represented by the Volume of Fluid (VOF) model and solved by the Finite Volume Method (FVM); the model was verified in 2D, validated in 3D against established results in the literature and, on this basis, predictive metamodels were built using Response Surface Methodology (RSM) and Kriging (GPR). As results, the velocity distribution and the flow rate of the process were quantified; criteria were established to classify the feeding regime and the geometric stability of the filament; a critical stability boundary was delimited in the parameter space; and a geometric Quality Index was proposed to rank the conditions within the stable region. The Response Surface and Kriging metamodels, fitted to fifteen in-house simulations and twelve cases from the literature, were validated against independent simulations at two unseen operating points and estimated the width and height of the filament without new simulations, with a maximum relative error of 5.04% and with the simulated values within the 95% credible interval of the Kriging model. The main contribution of this thesis lies in bridging numerical simulation and field practice: bringing together the stability boundary, the geometric Quality Index and the validated predictive metamodels into a single decision-support protocol capable of guiding the adjustment of parameters directly during printing, in a fast and quantitative way. More than describing the flow, this work provides the 3DCP community with objective criteria and reusable tools to design stable depositions, reducing the dependence on experimental testing and costly simulations — and paving the way for predictive process control
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/20053
dc.language.isopor
dc.relation.departamentCTU - Departamento de Construção Civil
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil
dc.subjectSimulação numérica
dc.subjectMétodo dos volumes finitos
dc.subjectImpressão 3D de concreto
dc.subjectExtrusão
dc.subjectEstabilidade da deposição
dc.subjectMetamodelos preditivos
dc.subject.capesEngenharias - Engenharia Civil
dc.subject.cnpqEngenharias - Engenharia Civil
dc.subject.keywordsNumerical simulation
dc.subject.keywordsFinite volume method
dc.subject.keywords3D concrete printing
dc.subject.keywordsExtrusion
dc.subject.keywordsDeposition stability
dc.subject.keywordsPredictive metamodels
dc.titleAbordagem numérica e metamodelagem preditiva da geometria do filete na impressão 3D de concreto
dc.title.alternativeNumerical approach and predictive metamodeling of filament geometry in 3D concrete printing
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Tecnologia e Urbanismo

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