JP2016108801A - ３ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複合構造物を構築する際に、ほぼすべての部材を総合的に構築することが可能な３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置を提供する。【解決手段】 構造物構築用の部材を施工するための複数のロボットアーム１０と、ロボットアーム１０を移動可能に支持するためのロボットアーム走行用レール２０と、各ロボットアーム１０に設けられ、各ロボットアーム１０をロボットアーム走行用レール２０に沿って移動させるためのロボットアーム移動装置３０と、ロボットアーム走行用レール２０を支持するための架台４０ａ、４０ｂと、架台４０ａ、４０ｂを構造物の構築方向に沿って移動させるための架台移動装置５０ａ、５０ｂとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築方法に関するものであり、詳しくは、複合構造物を構築する際に、ほぼすべての部材を総合的に構築することが可能な技術に関するものである。

近年、３Ｄプリンターが実用化されており、小さな製品だけではなく、建築構造物の構築に応用する技術が種々提案されている。例えば、特許文献１（特開２０１３−５０７６７９号公報）に、３Ｄプリンターにより構築可能な建築構造の製造に関する技術が開示されている。この特許文献１に記載された技術は、３Ｄプリンターでプリント可能な建築構造の表現を生成する方法に関するものであり、建築構造を構築するために、多面体を含む建築モデルを提供するステップと、多面体のうちの少なくとも１つと、サイズがプリンターの性能を表す別の形状とをミンコフスキー加算するステップと、結合された出力多面体を使用して、３Ｄプリンターでプリント可能な建築構造の表現を生成するステップとを含むものである。

また、建築廃材等にセメントを混ぜた材料を３Ｄプリンターにより施工することより、３階建て程度の低層家屋を型枠なしで造形する技術や、３Ｄプリンターを建築機械として利用する技術や、３Ｄプリンターを利用して継ぎ目のない住宅を建築する技術や、３Ｄプリンターを利用して型枠を作成し、コンクリート製の柱や壁などを複雑な形状に施工する技術が発表されている。

特開２０１３−５０７６７９号公報

現在、開示されている３Ｄプリンターを用いた建築構造物の構築に関する技術の中には、既に実現されているものもあるが、未だ構想に止まっているものもあり、それぞれ以下に示す問題点が存在する。

すなわち、３Ｄプリンターを利用してモルタルを打設することで、モルタルが積層構造となることは確かであるが、各層間をつないで引っ張り力を負担する軸部材が存在しないことから、構造物としての耐震性に劣ることは明らかである。すなわち、部材間の接合強度が低いため、中・高層の構造物に適用した場合の耐震性に課題が残っている。

また、鉄筋を配設した空間内に、３Ｄプリンターを用いてコンクリートを打設しようとした場合には、コンクリートの充填性に問題があり、ＲＣ構造物に適用するには充填用コンクリートを必要とする。

また、３Ｄプリンターを利用して型枠のみをプリントし、他の部材は従来の方法で施工することも考えられるが、特殊用途ではない限り施工の合理化に繋がらない。また、３Ｄプリンターを利用して型枠と鉄筋をプリントする場合には、上述したようにコンクリートの充填性という問題は解決されない。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、複合構造物を構築する際に、ほぼすべての部材を総合的に構築することが可能な３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置を提供することを目的とする。

本発明に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置は、構造物構築用の部材を施工するための複数のロボットアームと、複数のロボットアームを移動可能に支持するためのロボットアーム走行用レールと、各ロボットアームに設けられ、各ロボットアームをロボットアーム走行用レールに沿って移動させるためのロボットアーム移動装置と、ロボットアーム走行用レールを支持するための架台と、架台を構造物の構築方向に沿って移動させるための架台移動装置とを備えたことを特徴とするものである。

また、上述した構成において、ロボットアームは、埋設型枠、鉄筋、ＦＲＰ、コンクリート、ジオポリマーの少なくとも一種類の部材を施工することが可能である。この場合、各施工部材に合わせて、それぞれ別個のロボットアームを用いることが可能である。

また、上述した構成において、ロボットアーム走行用レールを複数設けることが可能である。

本発明に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置によれば、複数のロボットアームを三次元的に移動させながら、埋設型枠、鉄筋、ＦＲＰ、コンクリート、ジオポリマー等の施工部材を用いて複合構造物を構築することができる。

すなわち、各部材のうちの一種類のみを施工するのではなく、複合構造物を構築する際に、施工すべき部材のほぼすべてを総合的に構築することができるので、部材間の接合強度やコンクリートの充填性を高めることができる。また、３Ｄプリンターの技術を用いているため、一般的な施工方法で施工した複合構造物と同様の機能及び強度を有する複合構造物を構築する際に、労力の低減、施工時間の短縮、施工費用の低減等、種々のメリットを享有することがきる。

本発明の実施形態に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置の実施例１を示す斜視図。 実施例１に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置の部分拡大図。 実施例１に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置による構造物構築の説明図（１）。 実施例１に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置による構造物構築の説明図（２）。 本発明の実施形態に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置の実施例２を示す斜視図。 実施例２に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置の部分拡大図。

以下、図面を参照して、本発明に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置の実施形態を説明する。図１〜図６は本発明の実施形態に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置を説明するもので、図１〜図４は建築構造物を構築する場合の構成（実施例１）を示し、図５及び図６は道路構造物を構築する場合の構成（実施例２）を示すものである。

＜３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置の概要＞
本発明の実施形態に係る３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置（以下、構築装置と略記することがある）は、図１〜図６に示すように、複合構造物を構築する際に、ほぼすべての部材を総合的に構築することができるようにした装置であり、ロボットアーム１０を用いて、埋設型枠、鉄筋、ＦＲＰ、コンクリート、ジオポリマー等の部材を施工するようになっている。この構築装置は、主要な構成要素として、複数のロボットアーム１０と、ロボットアーム走行用レール２０と、ロボットアーム移動装置３０と、架台４０ａ、４０ｂと、架台移動装置５０ａ、５０ｂとを備えている。

まず初めに、実施例１及び実施例２に共通の構造を備えた装置について説明する。両者に共通の構造を備えた装置は、ロボットアーム１０、ロボットアーム走行用レール２０、ロボットアーム移動装置３０である。

＜ロボットアーム＞
ロボットアーム１０は、構造物構築用の部材を施工するための装置であり、先端部に材料施工部を備えている。また、複数（例えば３カ所、４カ所等）の関節を備えることにより、三次元で材料の施工を行うことができる。なお、関節数（自由度）や、アームの長さは、施工対象となる複合構造物の形状や大きさ、施工場所の環境等に応じて、適宜変更して実施することができる。本発明では、関節を有しないアームもロボットアーム１０に含まれる。この場合、ロボットアーム移動装置３０及び架台移動装置５０ａ、５０ｂの機能を用いてロボットアーム１０を所望の位置に移動させることにより、複合構造物を構築する。

また、ロボットアーム１０は、施工する材料に合わせて複数設置されている。例えば、埋設型枠施工用、鉄筋施工用、ＦＲＰ施工用、ジオポリマー施工用等である。なお、施工する材料が同様の部材、例えば流動体である場合には、一つのロボットアーム１０を使い分けて二つ以上の材料を施工してもよい。さらに、同一の材料に対して複数のロボットアーム１０を使用してもよい。

図示しないが、各ロボットアーム１０には、材料施工部へ材料を送出するための送出装置（例えば、パイプ）が取り付けられており、送出装置には材料供給装置（例えば、ポンプ）が連絡している。また、各ロボットアーム１０は、ロボットアーム走行用レール２０に支持されており、ロボットアーム移動装置３０の機能により、ロボットアーム走行用レール２０に沿って移動することができる。

＜ロボットアーム走行用レール＞
ロボットアーム走行用レール２０は、複数のロボットアーム１０を移動可能に支持するためのレールである。実施例１のロボットアーム走行用レール２０は、隅部が湾曲した方形の環状部材であり、実施例２のロボットアーム走行用レール２０は、長円形の環状部材である。このロボットアーム走行用レール２０は、実施例１では１カ所、実施例２では２カ所に設けられている。このロボットアーム走行用レール２０には、ロボットアーム１０の基端部が移動可能に取り付けられている。

なお、ロボットアーム走行用レール２０の向きは、施工対象の構造物に合わせて適宜設定することができ、水平方向であってもよいし、鉛直方向であってもよいし、斜めに傾いていてもよい。すなわち、ロボットアーム走行用レール２０は架台４０ａ、４０ｂに支持されているが、架台４０ａ、４０ｂは架台移動装置５０ａ、５０ｂにより構造物の構築方向に沿って移動するため、構造物の形状に応じて向きが異なることになる。

＜ロボットアーム移動装置＞
ロボットアーム移動装置３０は、各ロボットアーム１０に設けられ、各ロボットアーム１０をロボットアーム走行用レール２０に沿って移動させるための装置である。上述したように、ロボットアーム走行用レール２０は、例えば、パイプ状または中実状のレールを隅部が湾曲した方形の環状、または長円形の環状としたものであり、ロボットアーム移動装置３０は、このロボットアーム走行用レール２０に取り付けられたロボットアーム１０を所望の位置に移動させるための装置である。

ロボットアーム移動装置３０は、例えば、ロボットアーム走行用レール２０を挟み込む一対のローラ及び当該ローラを回転駆動させるためのモータ等の駆動源により構成することができる。また、ロボットアーム走行用レール２０の表面にラックギヤを形成し、このラックギヤに噛み合うピニオンギアをロボットアーム１０の基端部に取り付け、ピニオンギアをモータ等の駆動源により駆動する機構としてもよい。すなわち、ロボットアーム移動装置３０は、各ロボットアーム１０をロボットアーム走行用レール２０に沿って移動させることができれば、どのような機構を用いてもよい。

次に実施例１及び実施例２において、構成は相違するが共通の機能を備えた装置について説明する。両者に共通の機能を備えた装置は、架台４０ａ、４０ｂ、架台移動装置５０ａ、５０ｂである。

＜架台（実施例１）＞
実施例１で架台４０ａとして機能する装置は、トラス構造のプラットフォームである。このプラットフォームは複数の支柱５１に支持されており、支柱５１に沿って上下方向に移動させることができる。また、プラットフォームは、図４に示すように、構築装置の各構成要素を支持するだけではなく、複合構造物を構築するために必要な補助装置６０を載置または懸架することができる。このような補助装置６０としては、例えば、部材貯留タンク、部材供給装置（例えば、ポンプやパイプ）、電源装置等である。

＜架台移動装置（実施例１）＞
実施例１で架台移動装置５０ａとして機能する装置は、図１〜図４に示すように、支柱５１及びプラットフォームを支柱５１に固定するための固定装置５２からなる。プラットフォームを上下方向に移動させるには、支柱５１に固定した固定装置５２の位置を変更すればよく、例えば、タワークレーンのクライミング技術を応用することができる。

＜架台（実施例２）＞
実施例２で架台４０ｂとして機能する装置は、図５及び図６に示すように、断面略L字状の本体５３と、本体５３の下部に取り付けた車輪５４とからなる。そして、架台４０ｂを架台走行用レール５５上に載置することにより、ロボットアーム走行用レール２０を既設の構造物の上に設置することができる。

＜架台移動装置（実施例２）＞
実施例２で架台移動装置５０ｂとして機能する装置は、図５及び図６に示すように、架台４０ｂを載置した架台走行用レール５５と、架台走行用レール５５の上で架台４０ｂを移動させるための装置からなる。実施例２では、図５及び図６に示すように、既設の構造物の上に複数の架台走行用レール５５を敷設してある。また、架台４０ｂを移動させるための装置は、架台走行用レール５５上で架台４０ｂを移動させることができればどのような装置であってもよく、例えば架台４０ｂを構成する車輪５４を駆動するためのモータ（図示せず）からなる。

そして、各架台４０ｂにより長円環状のロボットアーム走行用レール２０の上部を複数箇所で支持するとともに、架台４０ｂを移動させるための装置（例えば、モータ）を駆動することにより、架台走行用レール５５に沿ってロボットアーム走行用レール２０を移動することができる。ロボットアーム走行用レール２０を移動することにより、ロボットアーム１０による部材の施工位置を変更することができる。架台走行用レール５５の長さ、本数等は、支持するロボットアーム走行用レール２０の規模等に対応させて適宜変更して実施することができる。

＜複合構造物＞
実施例１の構築装置で構築する複合構造物は、例えば、住宅、倉庫、ホール等の建築構造物であり、下側から上側へ向かって構造物を構築するようになっている。また、実施例２の構築装置で構築する複合構造物は、例えば、道路構造物であり、略水平方向に構造物を構築するようになっている。なお、本発明の構築装置は、実施例１及び実施例２に示した複合構造物だけではなく、他の複合構造物にも適用することができる。

１０ ロボットアーム
２０ ロボットアーム走行用レール
３０ ロボットアーム移動装置
４０ａ、４０ｂ 架台
５０ａ、５０ｂ 架台移動装置
５１ 支柱
５２ 固定装置
５３ 本体
５４ 車輪
５５ 架台走行用レール
６０ 補助装置

Claims (3)

1. 構造物構築用の部材を施工するための複数のロボットアームと、
   前記複数のロボットアームを移動可能に支持するためのロボットアーム走行用レールと、
   前記各ロボットアームに設けられ、前記各ロボットアームを前記ロボットアーム走行用レールに沿って移動させるためのロボットアーム移動装置と、
   前記ロボットアーム走行用レールを支持するための架台と、
   前記架台を構造物の構築方向に沿って移動させるための架台移動装置と、
   を備えたことを特徴とする３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置。
2. 前記ロボットアームは、埋設型枠、鉄筋、ＦＲＰ、コンクリート、ジオポリマーの少なくとも一種類の部材を施工可能であることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置。
3. 前記ロボットアーム走行用レールは複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の３Ｄプリンターを用いた複合構造物の構築装置。

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