digiBeton – Simulation and design of structures from digital concrete

digiBeton – Simulation and design of structures from digital concrete

Simulace a navrhování konstrukcí z digitálního betonu

TwinBridge– 6th call of the TREND programme of MIT CR and TA CR
Project ID: FW06010422
Duration: 2023 – 2025
Completed: 12/2025

Partners:
Červenka Consulting s.r.o. Ing. Jan Červenka Ph.D., Doc. Ing. Libor Jendele CSc. Ph.D., Ing. Jiří Rymeš Dr. Eng.
České vysoké učení technické v Praze / Kloknerův ústav - doc. Ing. Jiří Kolísko Ph.D. Ing. David Čítek Ph.D.
Technická univerzita v Liberci / Fakulta strojní - Ing. Petr Zelený Ph.D., Vladislav Bureš Ph.D.

Objective of the project
The project objective is to develop tools and methods for the simulation and quality control for the development and design of structures from digital concrete. The goal of the proposed project is the development of technologies for the application in engineering practice for the simulation of the manufacturing of structures from digital concrete as well as for the verification of their safety, reliability and durability during their lifecycle. For the quality control of the digital concrete construction, new technologies and equipment will be developed for an automatized verification of the final structural shape and for the monitoring of the hydration of the concrete material taking into account the environmental effects such as temperature and humidity.

Cíl projektu
Cílem projektu je vyvinout nástroje a metody pro simulaci a kontrolu kvality pro vývoj a návrh konstrukcí z digitálního betonu. Cílem navrhovaného projektu je vývoj technologií pro aplikaci ve strojírenské praxi pro simulaci výroby konstrukcí z digitálního betonu i pro ověření jejich bezpečnosti, spolehlivosti a životnosti během jejich životního cyklu. Pro kontrolu kvality digitální betonové konstrukce budou vyvinuty nové technologie a zařízení pro automatizované ověřování konečného tvaru konstrukce a pro sledování hydratace betonového materiálu s přihlédnutím k vlivům prostředí jako je teplota a vlhkost.

Výsledky a přínosy projektu

FW06010422-V1 - Speciální modul systému ATENA digiBeton (CER)
Speciální modul digiBeton rozšiřuje výpočetní systém ATENA o možnost numerické simulace technologie 3D tisku betonových konstrukcí (3D Concrete Printing, 3DCP). Modul reaguje na aktuální potřebu nástrojů pro návrh, posuzování a kontrolu kvality konstrukcí realizovaných aditivní výrobou ve stavebnictví.
Hlavním cílem vývoje modulu bylo vytvoření robustního a prakticky použitelného simulačního nástroje umožňujícího propojení digitálního návrhu konstrukce s její numerickou analýzou, a to včetně simulace vlastního výrobního procesu. Modul umožňuje přímý import výrobních dat ve formátu G-code, která jsou standardním výstupem CAD a slicing nástrojů pro 3D tisk. Na jejich základě je automaticky generován trojrozměrný konečně-prvkový model, který je přímo připraven pro nelineární analýzu v prostředí ATENA. Ukázka takového modelu v prostředí ATENA je ukázána na tomto obrázku:

Obr.1: Numerický model vytvořený modelem digiBeton v prostředí ATENA.

Vyvinutý model byl validován na příkladech vycházejících z experimentálních dat. Jedním z příkladů bylo modelování ztráty stability štíhlého tištěného prvku během tisku. Výstup z této simulace je ukázán na obrázku níže. Výsledky numerických analýz vykázaly dobrou shodu s experimentálními měřeními, a to jak z hlediska deformační odezvy, tak únosnosti a poruchových mechanismů.

Obr.2: Ukázka z numerického modelu vytvořeného pomocí modulu digiBeton v porovnání s experimentem.

Modul degiBeton je součástí nové verze ATENA 2026-beta
Software documentation:
FW06010422-V1-digiBeton_module_documentation_v3.pdf
Sofware demonstration:
digiBeton_module_video

FW06010422-V2 - Navrhování konstrukcí z digitálního betonu (KU)
Ověřená technologie vytváří podklady a definuje zásady pro navrhování konstrukcí z digitálního betonu. Návrh směsi, technologie výroby, ošetřování a působení 3DPC v konstrukci má specifika, která aktuálně platné normy a technické předpisy nepokrývají. Tato technologie proto doplňuje chybějící pokyny a informace o vlastnostech 3DPC s ohledem na navrhování nosných stavebních konstrukcí.
Technologie byla ověřena v následujících krocích:
● ověřením stanovení materiálových charakteristik a aplikace požadavků na výrobu na základě rozsáhlého experimentálního programu nevyztužených prvků,
● ověřením metod pro navrhování při návrhu inovativní konstrukce s komplexním tvarem,
● experimentální a teoretickým ověřením u příhradových nosníků z digitálního betonu s vkládanou výztuží.

Obr.3: Ověření technologie - model v softwaru ATENA.

TECHNOLOGIE/ZAŘÍZENÍ PRO SLEDOVÁNÍ ZRÁNÍ BETONU A VLIVU OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ

FW06010422-V3 - Technologie/zařízení pro sledování zrání betonu a vlivu okolního prostředí (KU)
Ověřená technologie poskytuje podklady a definuje zásady a metody pro sledování zrání betonu pro tisk konstrukcí z digitálního betonu. Běžné metody používané pro betonové směsi nepokrývají stav mezi čerstvým a vytvrdlým cementovým kompozitem – proces tisku. Tato technologie doplňuje potřebné metody a informace o vlastnostech 3DPC v raném stádiu s ohledem na sledování zrání betonu a vlivu okolního prostředí.
Výsledkem celé technologie je systém nastavení dávkování urychlovače tuhnutí do finální směsi podle vstupů a výstupů získaných z precizního monitoringu teploty směsi a okolního prostředí a predikčních modelů vývojů pevností cementové matrice v daných časech.

Obr.4: Příklad rozhraní nastavení dávkování urychlovače.

https://klok.cvut.cz/3d-tisk-ve-stavebnictvi/

FW06010422-V4 - Technologie/zařízení pro ověření kvality vyrobené konstrukce s využitím 3D skenování (TUL)
Funkční vzorek “Zařízení pro ověření kvality vyrobené konstrukce s využitím 3D skenování” představuje systém určený k bezkontaktní analýze deformací objektů vyrobených 3D tiskem z cementových směsí. Základem systému je technologie fotogrammetrie, která umožňuje současné pořízení až 32 snímků z různých úhlů, jejich následné zpracování a detailní analýzu.
Jedním z klíčových prvků systému je kamera. Pro tento funkční vzorek byla zvolena kamera Raspberry Pi HQ, která je propojena se základní deskou Raspberry Pi 4 model B s 2 GB RAM. K zajištění optimální funkčnosti systému byl ke kameře přidán objektiv Arducam 8 mm f1.6 C, jenž nabízí širší možnosti nastavení v porovnání s běžnými digitálními zrcadlovkami. Díky tomu, že nejde o klasický fotoaparát, ale o plnohodnotný počítač, lze systém lépe přizpůsobit specifickým požadavkům aplikace. Kamery a LED osvětlení jsou umístěny na stativu pro světla používaných u filmového a foto průmyslu (Obr. 29). Kamery i osvětlení lze umístit i na jiné nosné konstrukce (např. rám stroje testbed) pomocí svorek. Pro ověření přesnosti a spolehlivosti systému byla provedena řada testů, včetně hodnocení opakovatelnosti měření.

Obr.5: Funkční vzorek Zařízení pro ověření kvality vyrobené konstrukce s využitím 3D skenování.

FW06010422-V5 - Nástavba/modifikace tiskové hlavy pro aplikaci výztuže při digitální výrobě betonu (KU)
Funkční vzorek sestává z modulu pro tiskovou hlavu pro tisk cementových kompozitů vyvinutou Kloknerových ústavem. Tento modul se bez nutnosti modifikace hardwaru existující tiskové hlavy upevní na její konec místo standardní trysky. Modul vyžaduje úpravu softwaru a hardwaru samotné tiskárny, a to přidáním driveru řídícího krokového motoru podávajícího výztužné vlákno a odpovídající úpravu softwaru umožňující tiskárně tento motor řídit a synchronizovat jeho pohyb s pohybem tiskové hlavy v prostoru. Hlavní část konstrukce funkčního vzorku je vyrobena pomocí FDM 3D tisku.

Obr.6: Vlevo zkonstruovaná tiskový výztužná hlava, vpravo schematický pohled.

Tělo modulu je vyrobené pomocí FDM 3D tisku umožňující tvarovou volnost optimální pro plynulé tvarování potrubí, kterým je extrudována cementová tisková směs. Potrubí je tvarováno tak, aby bylo možné vést lanko kolmo k tiskové stopě a zároveň bylo možné umístit motor podávající vlákna v těsné blízkosti vyústění trysky – to zaručuje co nejkratší tlačenou část vlákna a minimalizuje možnost jeho vzpříčení uvnitř trubky. Modul byl z hlediska výzkumu uvažován pro různé průměry a typy výztužného vlákna. Z tohoto důvodu je motor i s hnaným kolem uložen kyvně a přitažením šroubu je možné řídit přítlak na podávané vlákno různého průměru a typu. Toto řešení má i praktickou výhodu možnosti motor pomocí dvou šroubů demontovat před mytím modulu od zbytků betonové směsi po tisku. Modul je poté zakončen rychloupínacím bajonetem pro rychlou výměnu trysek o různém průměru.

FW06010422-V6 - Optimalizovaný nástroj “Slicer4ATENA (TUL)
Program Slicer4ATENA je určení ke generování tzv. G-kódu pro řízení drah tiskové hlavy 3D tiskárny, primárně pro tisk z cementových směsí a podobných materiálů. Je třeba optimalizovat strategii generování drah tiskové hlavy při tisku z cementových směsí, protože je problematické nanášení nové vrstvy tohoto materiálu na předchozí vrstvu, která ještě nevytvrdla. Hrozí deformace a tím i nepřesný výtisk stěny vlivem gravitace. Optimalizace drah spočívá v kontrole nanášení materiálu tak, aby měl již nanesený materiál dostatek času na vytvrzení. Dále je nutné minimalizovat délku přejezdů tiskové hlavy bez extrudování materiálu, protože materiál vlivem tlaku v dopravní cestě samovolně vytéká z trysky. Jednak to znečišťuje stavební prostor, jednak tento materiál chybí na začátku další tištěné části. Kromě vlastního generování G-kódu pro 3D tisk program též generuje vstupní data do simulačního programu ATENA, jehož úkolem je simulovat navržený proces tisku z pevnostního hlediska, a to i v raných fázích 3D tisku.

Obr.7: Pracovní prostředí programu Slicer4ATENA.

Software je možné stáhnout z následujícího odkazu:
https://www.ksa.tul.cz/getFile/id:4980

Publications:

JENDELE, L., RYMES, J., CERVENKA, J., HERZFELDT, M., Time dependent modelling of concrete for the simulation of 3D printing, Proceedings of the fib Symposium 2025, June 16-18, 2025, Antibes, France PDF

KELLER, P., MENDRICKY, R., Analysis of Object Deformations Printed by Additive Manufacturing from Concrete Mixtures over Time,  Applied Sciences 2025, Published: 4 September 2025, 15(17), https://doi.org/10.3390/app15179749

MELTER, O., AUSKA, Z., CITEK, D., HVIZDAL, A., HURTIG, K., KOLISKO, J., Realizace experimentálních tištěných konstrukcí, 10. 12. 2024, BETON magazine PDF

RYMES, J., CERVENKA, J., JENDELE, L., BURES, V., CITEK, D., Integrating 3D Modelling and Non-linear Numerical Simulations in Concrete Additive Manufacturing, fib International Symposium, Christchurch, New Zealand 2024, November 11-13, 2024 PDF

CITEK, D., REHACEK, S., HURTIG, K., KOLISKO, J., MELTER, O., Concrete Development for 3D Printed Constructions of Footbridge, 10th International Conference (CONSEC24), September 25-27, 2024, Chennai, India PDF

RYMES J., JENDELE L., CERVENKA J., Finite Element Modelling for 3D Concrete Printing: Framework and Examples, 14th Central European Congress on Concrete Engineering, Mikulov, Czech Republic, September 22-24, 2024 PDF

VELE, J., MELTER, O., HVIZDAL, A., ACHTEN, H., CITEK, D., Enhancing 3D Concrete Printing Buildability with Non-Planar Layering, eCAADe 2024, Data-driven Intelligence, September 9-13, 2024, Nicosia, Cyprus PDF

CERVENKA J., RYMES J., JENDELE L., HERZFELDT, M., Time dependent modelling and simulation of digital concrete, Concreep12 conference, June 5 –7, 2024, Delft, The Netherlands PDF

SYKORA, M., BURES, V., HOLY, M., KOLISKO, J., CITEK, D., Navrhování konstrukcí z 3D tisku, 19. konference TECHNOLOGIE A PROVÁDĚNÍ 2024: 3D TISK A VYUŽITÍ RECYKLOVANÉHO KAMENIVA, 21. – ⁠22. 3. 2024, Praha PDF

RYMES, J., CERVENKA, J., JENDELE, L., MATERIAL MODELLING AND SIMULATION OF 3D CONCRETE PRINTING PROCESS, 11th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures FraMCoS-11, Sept 10 - 14, 2023, IISc Bangalore PDF

Videos:
ATENA 3D printing simulation
ATENA load test simulation of 3D printed structure
3D printing concrete modelling in ATENA
ATENA 3D Printing Brick Wall
ATENA 3D Printing - Prvok built to fail
ATENA 3D Printing - Prvok built to success

Commercial version is under development. Public beta version can be requested by requesting developers. Use the request form below.