Design Space Exploration of Printable Geometries with Cementitious Materials - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Design Space Exploration of Printable Geometries with Cementitious Materials

Fabrication additive en béton : réalisation de franchissements

(1)
1
Paul Carneau
  • Function : Author

Abstract

In the last ten years, additive manufacturing of cementitious material or Concrete 3D Printing has gone through exponential development both in academic and industrial fields. This technology consists of stacking layers of fresh mortar deposited with a robot. The process does not need any formwork to support the structure during the fabrication and hence allows much more architectural freedom than traditional casting methods. It can therefore be used to minimise the quantity of material used and increase overall productivity. However, mastering the 3D Printing process is still a challenge today. It requires a good understanding of the fresh material properties, the structural behaviour during the fabrication and the robotic constraints. This complexity may explain why most 3D Printing objects today are mainly vertical extrusion of a planar geometry limiting the design space of achievable geometries.The present study aims at exploring the design space of printable geometries by looking at the possibility to generate cantilevers, despite the poor properties of the fresh material. By looking at existing masonry structures like vaults and domes, built without formwork, a first insight on the interaction between the additive manufacturing process and the potential resulting geometries is proposed. This leads to the proposal of a new workflow for the design and fabrication of 3D Printed structures with cementitious material. The workflow distinguishes the analysis at the scale of the structure from the analysis at the scale of the extruded material. Regarding the former, a computational approach for the piecewise form-finding of printable structures is proposed. This approach is inspired by the design process of funicular masonry vaults but takes into consideration the fresh concrete properties and its evolution in time. The analysis at the scale of the extruded material consists of the characterisation of the Layer Pressing strategy that allows perfect control of the layer geometry and, by extension, more geometric freedom at the scale of the final structure.
Au cours des dix dernières années, la fabrication additive en matériaux cimentaires ou impression 3D béton a connu un développement exponentiel à la fois dans les milieux académiques et industriels. Cette technologie consiste à empiler des couches de mortier frais déposées à l'aide d'un robot. Ce processus automatisé ne nécessite aucun coffrage pour soutenir la structure pendant la fabrication et offre donc beaucoup plus de liberté architecturale que les méthodes traditionnelles de mise en place du béton. Il peut donc être utilisé pour minimiser la quantité de matière utilisée tout en augmentant la productivité. Cependant, maîtriser parfaitement le processus d'impression 3D est encore un défi de nos jours. Cela nécessite une bonne compréhension des propriétés du matériau à l'état frais, du comportement mécanique de la structure pendant la fabrication et des contraintes liées à la robotisation du procédé de mise en œuvre. Cette complexité peut expliquer pourquoi la majorité des objets imprimés aujourd'hui consiste en de simples extrusions verticales d'une géométrie dans le plan, ce qui limite grandement l'espace des formes réalisables avec ce procédé. Cette thèse vise à explorer cet espace des géométries imprimables en étudiant la possibilité de générer des porte-à-faux, malgré les mauvaises propriétés du matériau à l'état frais. En examinant des structures existantes en maçonnerie telles que les voûtes ou les dômes, construits sans coffrage temporaire, un premier aperçu de l'interaction entre le processus de fabrication additive et les géométries résultantes est proposé. Cela conduit au développement d'un nouveau workflow pour la conception et la fabrication de structures imprimées en béton. Ce workflow différencie l'analyse à l'échelle de la structure de l'analyse à l'échelle du matériau extrudé. Dans le premier cas, une approche computationnelle pour la recherche de forme par morceaux de structures imprimables est proposée. Cette approche s'inspire du processus de conception des voûtes funiculaires en maçonnerie mais en tenant compte des propriétés du matériau frais et de leur évolution dans le temps. L'analyse à l'échelle du matériau extrudé consiste en la caractérisation de la stratégie d'écrasement des couches qui permet un excellent contrôle de la géométrie des couches et, par extension, de plus de liberté géométrique à l'échelle de la structure finale.
Fichier principal
Vignette du fichier
TH2021ENPC0012.pdf (125.76 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03662895 , version 1 (09-05-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03662895 , version 1

Cite

Paul Carneau. Design Space Exploration of Printable Geometries with Cementitious Materials. Other. École des Ponts ParisTech, 2021. English. ⟨NNT : 2021ENPC0012⟩. ⟨tel-03662895⟩
50 View
13 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More