3D concrete printing technology builds structural components layer-by-layer with concrete extruded through a nozzle without using forms. This technology can simplify construction processes by optimizing design flexibility, construction time, and cost. Furthermore, the 3D printing technology is easy to make an irregularly shaped and function embedded building(or object) which is difficult to be constructed by conventional construction method. However, the 3D printing concrete is not suitable for current commercial standard and the material itself. It is also difficult to apply it to the construction site due to the lack of initial strength and the nozzle which is clogged during the process. The research of mix proportion design process for 3D printing concrete which differs from the conventional concrete is necessary in order to solve the problems. This paper aims to calculate the 3D printing concrete mix proportion design process based on the mix materials and performance information derived from the previous researches. Therefore, the usage variation range, mutual influence relationship, and the importance priority of the mix proportion are analyzed. Based on this results, the basic design process of 3D printing concrete which contains planning design phase, basic design phase and validating performance phase is suggested. We anticipate to confirm applicability verification about the actual production by referring to this 3D printing concrete mix proportion study. In the future, this study can be utilized for blueprint of the 3D printing concrete mix proportion.
Lee, Yoon Jung;Song, Jin-Soo;Choi, Seung-Ho;Kim, Kang Su
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.4
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pp.131-136
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2019
Buildability of fresh concrete, a key element of Concrete 3D printing, is the ability to build filaments at a desirable height without excessive deformation or collapse. Buildability is closely related to yield stress, and the higher the yield stress, the better. Also, the shear stress of fresh concrete increases as it hardens over the time after extruded, and consequently the buildability increases. Therefore, in concrete 3D printing, proper time gaps between printed layers (Printing Time Gap, PTG) are required to ensure the buildability of fresh concrete. As the PTG increases, the buildability increases; however, an excessive PTG reduces the bond performance between the printed layers, and the extrudability can be lowered as the printing time increases. In this research, therefore, 3D printing experiments were conducted with the variable of PTG to examine the buildability of 100 MPa-high strength concrete. In addition, a pseudo-layer loading method was applied to simulate the buildability test for 3D concrete printing and its applicability was examined.
Proceedings of the Korean Institute of Building Construction Conference
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2022.04a
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pp.65-66
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2022
In the construction industry, interest in technologies such as 3D Construction Printing (3DCP) is increasing, and research is being conducted continuously. In the case of atypical architecture, different shapes must be implemented, and the introduction of 3D printing technology is intended to solve it. Our researchers are conducting research to produce Free-form Concrete Panel (FCP). It automatically manufactures the FCP's formwork without any error with the design shape. At this time, the concrete nozzle based on the 3D printing technology is developed and the concrete is precisely extruded into the manufactured form to prevent the deformation of the formwork that can occur due to the concrete load. Therefore, in this study, the requirements for the development of 3D printing concrete nozzles for FCP manufacturing are analyzed. Based on the analyzed requirements, the first nozzle was developed. Such equipment is easy to shorten construction period and cost reduction in the atypical construction field, and is expected to be utilized as basic 3D printing equipment.
Yoon-Chul Kim;Sung-Jo Kim;Bongsik Kim;Yongsoo Ji;Tong-Seok Han
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.36
no.6
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pp.407-414
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2023
In this study, an automated jack-up system, applicable to various fields, was employed for 3D concrete printing and developed as a simultaneous liftable 3D concrete printing system. This developed printing system enables safe and precise jack-up by monitoring the measured jack-up distance using Pearson correlation coefficient analysis and a hydraulic system with interquartile range analysis in real-time during 3D concrete printing operations. It is possible to secure the quality of 3D concrete printing structures, which is essential for expanding the application of 3D concrete printing to construct larger structures. Specimens were printed using both conventional 3D concrete printing and simultaneous liftable 3D concrete printing to evaluate the system performance. The printed specimens were investigated using a 3D scanner. The layer-wise diameter and angle of intersection of the scanned specimens were measured, and an analysis was performed to verify the advantages of the simultaneous liftable 3D concrete printing.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.21
no.10
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pp.386-392
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2020
The self-weight of the 3D printing concrete increases with increasing printing height. Therefore, the lower layer must be hardened within a suitable time to secure continuous printing performance. In particular, the hardening speed of concrete is slow in the winter season when the temperature was low. Hence, the early strength of 3D printing concrete requires improvement. In domestic and international literature, cases of increasing the early strength of concrete using inorganic chemical additives, such as amine-based, nitrate-based, sodium-based, and calcium-based, have been reported. In this study, early strength improvement-type additive samples (amine-based, nitrate-based, sodium-based) were prepared, and their performance was evaluated. When using a nitrate-based additive, the early strength was increased significantly in a 10 ℃ environment. In addition, it was possible to secure a higher early strength than the existing 3D printing concrete mixed at 20 ℃.
This study is a basic research for evaluating the buildability of cementitious materials for three-dimensional (3D) printing. In the cement paste step, the thixotropy behavior according to the resting time, which represents the time interval between each layer, was analyzed. In addition, the relationship between the thixotropy behavior and 3D concrete printing buildability was derived by proposing a measurement method that simulates the 3D concrete printing buildup process. The analysis of the tendency of the thixotropy behavior according to the resting time revealed that the area of the hysteresis loop (AHyst) showed a tendency to increase and then converge as the resting time increased, which means hysteresis loop approach critical resting time for sufficient buildability. In the thixotropy behavior analysis that simulates the 3D concrete printing buildup process, the buildup ratio, which is the recovery rate of the shear stress, showed a tendency to increase and then converge as the resting time increased, which are similar results like hysteresis loop. It was concluded that AHyst and the buildup ratio can be used as parameters for determining the resting time, and they have close relationships with 3D concrete printing buildability.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.22
no.2
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pp.267-272
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2021
In this study, the output results of 3D printed exterior materials for application to buildings of various shapes are output tests using test specimens, in which 3D printing concrete is cast in a mold and accelerating agents are used to ensure stackability. The unit weight and strength characteristics of the body were analyzed. Compared to the unit weight of concrete placed in the mold, the unit weight of 3D printing concrete using accelerating agents tends to decrease by approximately 3.5% to 5.0%, and the compressive strength is the compressive strength of the concrete placed in the mold. In comparison, the compression strength of the output by 3D printing tended to decrease by approximately 36% to 46%. In the flexural strength, the compressive strength of the output through 3D printing decreased by approximately 36% to 46% compared to the compressive strength of concrete placed in the mold. The impact on the strength characteristics of 3D printed concrete using accelerating agents tended to decrease by approximately 2.0 to 5.8%. Therefore, 3D printing output accelerating agents can be used.
Yoon Jung Lee;Sun-Jin Han;Sang-Hoon Lee;SuMin Yoon;Kang Su Kim
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.28
no.1
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pp.24-31
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2024
Mortar has been applied in most previous studies on 3D concrete printing. In such cases, however, the economic efficient cannot help decreasing due to higher binder contents and larger amount of fine aggregates. In order to enhance the applicability of 3D printing technology to construction industry, therefore, 3D concrete printing technology utilizing coarse aggregates needs to be developed further. This study aims at proposing the mix design process of concrete containing coarse aggregates for 3D printing. Based on extensive literature review and experimental studies, the mix proportion suitable for 3D printing has been derived, and the extrudability of concrete with coarse aggregates has been verified through 3D printing tests. The primary variable of the extrudability tests was the contents of viscosity modifying agent (VMA), and the extrudability was quantitatively evaluated by measuring dimensions, distribution of aggregates, and surface quality of 3D-printed filaments. The test results showed that the dimensional suitability and surface quality were improved as the VMA contents were larger, and the coarse aggregates were evenly distributed in the section of filament regardless of the VMA contents. Based on the test results, the mix design process for concrete containing coarse aggregates for 3D printing has been proposed.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.15
no.3
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pp.61-68
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2015
A study on BRP(Building Rapid Printing) technology is in an initial stage although general 3d printers are being developed in a great speed and with fruitful outputs. Even some laboratories in advanced countries have difficulties in their research due to many technological restrictions and have not produced a practical output yet. This paper proposed distinct directions in which the research of this aera should be developed and this manifested four areas - printing speed, reinforcing tech, material tech and nozzle tech and those areas were proposed with concrete development alternatives and objects.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.35
no.4
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pp.227-233
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2022
The 3D-printing technique is used for manufacturing objects by adding multiple layers, and it is relatively easy to manufacture objects with complex shapes. The 3D concrete printing technique, which incorporates 3D printing into the construction industry, does not use a formwork when placing concrete, and it requires less workload and labor, so economical construction is possible. However, 3D-printed concrete is expected to have a lower strength than that of molded concrete. In this study, the properties of 3D-printed concrete were analyzed. To fabricate the 3D-printed concrete samples, the extrusion path and shape of the samples were designed with Ultimaker Cura. Based on this, G-codes were generated to control the 3D printer. The optimal concrete mixing proportion was selected considering such factors as extrudability and buildability. Molded samples with the same dimensions were also fabricated for comparative analysis. The properties of each sample were measured through a three-point bending test and uniaxial compression test, and a comparative analysis was performed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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