El clúster de Simulació de sòlids i fluids per a processos industrials del CIMNE ha participat en un estudi que proposa un mètode numèric per simular la impressió 3D d’estructures de formigó i les capes que el conformen. Aquest model és una eina valuosa per predir el comportament estructural, capaç d’identificar les discontinuïtats i debilitats potencials entre capes impreses, reduir-ne el risc de fractures i millorar-ne la fiabilitat global.
Concretament, el mètode numèric s’ha utilitzat per simular el comportament anisòtrop que amenaça aquestes estructures de formigó impreses. Amb els resultats obtinguts, els experts han detectat que existeix una direcció d’impressió òptima que maximitza la seguretat i capacitat del sistema al llarg del temps.
La tècnica d’impressió 3D ja s’ha escolat fins i tot en sectors industrials pesats com el de la construcció. No només s’ocupa de motlles per al formigó sinó que està involucrada en múltiples tecnologies de fabricació d’estructures. La seva introducció ha redissenyat el procediment de fabricació industrial i la seva flexibilitat ofereix nous horitzons al disseny arquitectònic. Per l’envergadura d’aquests projectes, però, cal comprendre i controlar totes les fases del procés de construcció per garantir-ne la seguretat estructural.
Impressió 3D: de prototips a edificis de formigó
La construcció perimetral (contour crafting) és una tecnologia que emergeix de la impressió 3D i la porta a gran escala: un robot de construcció imprimeix capa per capa edificis o altres construccions de manera ràpida i eficient. Moltes investigacions aborden el disseny de materials i la capacitat constructiva (buildability) que afavoreixin la impressió finalitzada, però encara escasseja la recerca sobre el comportament de l’estructura acabada.
Primer pont fabricat per impressió 3D.
Aquesta integritat final depèn especialment del procés d’impressió. Concretament, la impressió 3D de formigó és la variant més freqüent i un mètode de construcció eficient. Però amb aquest mètode, sovint apareixen deformacions entre algunes capes impreses. La construcció perimetral imprimeix les capes en temps i recorreguts diferents, que generen filaments i interfícies febles entre les capes. Això pot provocar un comportament mecànic anisòtrop del material que augmenta el risc de fractures a l’estructura.
La direcció d’impressió: un factor crucial
Els estudis experimentals que aborden aquest fenomen es limiten a prototips i mostres a petita escala, que no s’apliquen quan s’amplia l’anàlisi a les dimensions estructurals pròpies de la construcció. Per entendre el comportament anisòtrop en la totalitat de l’estructura és necessari recórrer a les simulacions numèriques, principal focus i expertesa del CIMNE.
La peridinàmica (peridynamics) és un mètode computacional innovador, reformulat de la mecànica clàssica i orientat a tractar problemes dinàmics de fractures o deformacions com el d’aquest tipus de construccions, que s’enfronten, sobretot, als efectes del pas del temps, de desgast o de factors meteorològics. Entendre el comportament de la impressió 3D d’edificis a partir d’aquest model és crucial per entendre els processos físics i per expandir les seves aplicacions a altres àmbits de l’enginyeria.
L’estudi en què ha col·laborat el Prof. Miguel Cervera, del clúster de Simulació de sòlids i fluids per a processos industrials del CIMNE, ha desenvolupat un mètode numèric per al tractament de l’anisotropia a partir de la peridinàmica, que s’ha validat amb els resultats d’investigacions experimentals i, finalment, aplicat a l’estudi numèric d’un cas concret: un pont fabricat amb impressió 3D.
Distribució del dany estructural en un pont de formigó segons les direccions d’impressió x, y i z per diferents forces aplicades [1].
Les simulacions numèriques desenvolupades han confirmat que un comportament anisòtrop pot malmetre l’estructura i, a més, han revelat un patró especialment rellevant: existeix una direcció d’impressió òptima que maximitza la seguretat i capacitat de l’estructura. Aquesta direcció depèn de l’orientació i l’àrea de les interfícies i varia segons l’interval de temps que transcorre entre la impressió d’una capa de formigó i la següent. De fet, a mesura que s’allarga l’interval de temps també es compromet la seguretat de la construcció. Aquests resultats, a més, han mostrat que el patró de formació d’esquerdes de l’estructura està altament relacionat amb el comportament anisòtrop.
La recerca, en què també han participat experts de la Universitat Tiedao de Shijiazhuang i la Universitat Tongji, ha demostrat que per poder mitigar els efectes anisòtrops cal reduir l’interval de temps entre la impressió de capes, calcular-ne la direcció òptima i controlar el patró de formació d’esquerdes. Aquesta direcció d’impressió òptima no és universal per tots els materials i estructures, de manera que cal simular el complex amb detall per esbrinar-la. Aquestes troballes aporten nous paràmetres a continuar investigant en altres simulacions per poder suprimir els efectes anisòtrops de la impressió 3D i per optimitzar el disseny de futures construccions.
Esquema de l’assaig de flexió que aplica una càrrega en tres direccions diferents per analitzar la resistència del formigó imprès en 3D, posant especial atenció a les interfícies entre capes (en taronja i verd) [1].
Tècniques emergents, riscos emergents
Les tècniques innovadores tenen el potencial de transformar el procés de producció o de construcció per fer-lo més ràpid, eficient o sostenible. En aquest sentit, les simulacions numèriques són molt valuoses per poder anticipar escenaris futurs i mantenir la integritat de les noves estructures. La peridinàmica, com a model computacional avançat, ha demostrat una gran capacitat per representar fenòmens complexos com les esquerdes o deformacions i la seva aplicació en aquest àmbit pot obrir noves vies a altres reptes dels mètodes numèrics a l’enginyeria.
L’equip del clúster en Simulació de sòlids i fluids per a processos industrials del CIMNE és pioner en la modelització de materials i tècniques constructives avançades. Els seus resultats contribueixen a la seguretat de construccions amb materials i tècniques emergents i n’asseguren la viabilitat. Gràcies al mètode numèric fruit d’aquesta recerca es pot abordar tota la grandària del problema i veure’n els efectes del pas del temps, alhora que també es pot testar fenòmens externs, com els meteorològics, cada cop més extrems i freqüents a mesura que ens afecta el canvi climàtic. Aquesta aproximació global permet el disseny d’edificis més segurs, resilients i amb materials innovadors però estructuralment fiables.
[1] Zhu, J.; Cervera, M.; Ren, X. (2025). Peridynamic anisotropic behavior analysis of 3D-printed concrete structures. Computers & Structures 314, 107764. DOI: 10.1016/j.compstruc.2025.107764
