JP2019111776A - 積層複合構造物の造形装置及び造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 同時に複数の材料を吐出することが可能な吐出ノズル構造を採用するとともに、材料の吐出を適切に制御することにより、容易に積層複合構造物を造形する。【解決手段】 積層複合構造物を造形するための複数の材料をそれぞれ同時に吐出することが可能な複数の吐出ノズル１０ａ〜ｅと、各吐出ノズル１０ａ〜ｅを一体として移動させる移動装置２０と、所望形状の積層複合構造物を造形するために、各吐出ノズル１０ａ〜ｅからの各材料の吐出量及び移動装置２０による各吐出ノズル１０ａ〜ｅの移動を制御する制御装置３０とを備える。吐出ノズル１０は、セメント系材料を吐出するノズル１０ａ、１０ｅと、樹脂系材料を吐出するノズル１０ｂ〜ｄとからなる。【選択図】図１

Description

本発明は積層複合構造物の造形装置及び造形方法に関するものであり、詳しくは、３Ｄプリント技術（３Ｄプリンタ）を用いて、積層複合構造物を造形するための装置及び方法に関するものである。

近年、建設分野において、３Ｄプリント技術を用いて構造物を積層しながら造形する造形方法が開発されている。材料は基本的にセメント系材料を用い、ミキサーで練り上げたモルタルをポンプ圧送し、３次元造形装置に供給している。供給されたセメント系材料は３次元造形装置のノズル先端部から吐出され、あらかじめ読み込ませた構造物の３Ｄデータを積層造形するようにノズルがＸ・Ｙ・Ｚ方向に動くことで、構造物を造形する（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。施工精度が高い構造物の造形には、主に自立性能が高い材料開発、ノズルの位置精度・速度、吐出量等の機械開発が要求され、また、様々な外力に対し、造形された構造物（構造形式）が十分な強度を発揮できるための構造性能が要求される。

特許文献１に記載された技術は、構築物の構築方法に関するものであり、３次元構築物を構築する３Ｄプリンタを用いた技術である。この構築物の構築方法は、対象構築物の少なくとも一部の外枠に対応する形状を有する外枠部であって、中空空間部を囲繞する外枠部を構築する外枠部構築工程と、外枠部構築工程において構築した外枠部を補強する補強工程とを含んでいる。すなわち、まず初めに外枠部を構築し、後から補強芯材を挿入するようになっている。また、補強芯材にプレストレスを与えて、外枠部が硬化した後に緊張を開放するプレテンション方式を採用している。

特許文献２に記載された技術は、セメント系材料を積層することにより積層構造を製造する方法に関するものである。この積層構造の製造方法では、セメント系材料の凝結時間を遅らせる凝結遅延性能を有する凝結遅延剤を層間に設けている。すなわち、セメント系材料の層間に凝結遅延材を噴霧して凝結時間を遅らせることで、次層と一体化を図る方法である。

また、現在、３Ｄプリンタの材料吐出口（以下、吐出ノズルという）は、基本的にモデル材料とサポート材料（造形終了後に除去）の２系統が採用されており、その吐出ノズルを制御しているヘッド部分は、吐出ノズルと１：１で対応するタイプと１つのヘッド内部に２つの吐出ノズルが固定されているタイプがある。両者ともにプログラムにより次に吐出する材料を選定し、ヘッドの動きを制御することで構造物を造形する。

特開２０１５−１８６８５１号公報 特開２０１７−１１９３６０号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に記載された技術を含めて、上述した従来の吐出ノズルでは、制御上の制約があり、モデル材およびサポート材を同時に吐出することはできない。このため、造形時間が非常に長くなるという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、同時に複数の材料を吐出することが可能な吐出ノズル構造を採用するとともに、材料の吐出を適切に制御することにより、容易に積層複合構造物を造形可能な造形装置及び造形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る積層複合構造物の造形装置及び造形方法は、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、本発明に係る積層複合構造物の造形装置は、複数の材料を積層して積層複合構造物を造形するための造形装置であって、積層複合構造物を造形するための複数の材料をそれぞれ同時に吐出することが可能な複数の吐出ノズルと、各吐出ノズルを一体として移動させる移動装置と、所望形状の積層複合構造物を造形するために、各吐出ノズルからの各材料の吐出量及び移動装置による各吐出ノズルの移動を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするものである。

なお、各吐出ノズルにおいて、複数の材料を同時に吐出させることが可能であるとは、必ずしも複数の材料のすべてを同時に吐出する場合だけではなく、例えば２つの材料を吐出させる場合に、いずれか１つの材料のみを吐出させる状態と、２つの材料を同時に吐出させる状態とを含むものである。

このような構成の積層複合構造物の造形装置において、吐出ノズルは、セメント系材料を吐出するノズルと、樹脂系材料を吐出するノズルとから構成することが可能である。この場合、上述したように、セメント系材料又は樹脂系材料のいずれか一方のみを吐出させる状態と、セメント系材料及び樹脂系材料の双方を吐出させる状態というように、材料の吐出状態を制御することができる。

また、吐出ノズルは、吐出する材料に対応させて、吐出ノズルの進行方向に対する前後位置を異ならせることが可能である。例えば、吐出ノズルの進行方向に対して、樹脂系材料の吐出ノズルを前側に配置するとともに、セメント系材料の吐出ノズルを後側に配置する。この際、樹脂系材料の吐出ノズルの両側にセメント系材料の吐出ノズルを配置して、セメント系材料の吐出ノズルで樹脂系材料の吐出ノズルを挟み込むようにする。

そして、吐出ノズルを移動（進行）に伴い、セメント系材料および樹脂系材料を同時に吐出させると、セメント系材料で両側を囲まれた領域内に樹脂系材料が吐出されるので、セメント系材料で樹脂系材料を挟み込むことができる。なお、吐出ノズルの配設位置は、造形する積層複合構造物や吐出する材料に応じて、適宜変更して設定することができ、上述した例において、吐出ノズルの進行方向に対して、セメント系材料の吐出ノズルを前側に配置するとともに、樹脂系材料の吐出ノズルを後側に配置してもよい。

本発明に係る積層複合構造物の造形方法は、複数の材料を積層して積層複合構造物を造形するための造形方法であって、複数の吐出ノズルから、積層複合構造物を造形するための複数の材料をそれぞれ同時に吐出しながら、複数の吐出ノズルを一体に移動させ、各吐出ノズルからの材料の吐出量及び吐出ノズルの移動を制御して、所望形状の積層複合構造物を造形することを特徴とするものである。

このような構成の積層複合構造物の造形方法において、吐出する材料に対応させて、吐出ノズルの進行方向に対する前後位置を異ならせることにより、先行して吐出した材料を型枠として、後行して吐出した材料を支持することが可能である。

本発明に係る積層複合構造物の造形装置及び造形方法によれば、複数の材料をそれぞれ同時に吐出することが可能な複数の吐出ノズルを一体に移動させて、各吐出ノズルからそれぞれ材料を吐出させるとともに、複数の材料の吐出制御を行っている。すなわち、造形する積層複合構造物の形状に合わせて、複数の材料を適宜吐出させることができるので、容易に積層複合構造物を造形することができる。

本発明の実施形態に係る積層複合構造物の造形装置の装置構成を示すブロック図。 吐出ノズルの斜視図。 吐出ノズルの他の例を示す模式図。 ロボットアームを用いた造形装置の斜視図。 門型クレーンを用いた造形装置の斜視図。 積層複合構造物の造成例を示す断面模式図。 積層複合構造物の造成例を示す斜視図及び引張材の一部拡大斜視図。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（１）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（２）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（３）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（４）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（５）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（６）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（７）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（８）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（９）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（１０）。 積層複合構造物の造成手順を示す斜視図（１１）。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る積層複合構造物の造形装置及び造形方法を説明する。図１〜図１８は、本発明の実施形態に係る積層複合構造物の造形装置及び造形方法を説明するもので、図１は造形装置の装置構成を示すブロック図、図２は吐出ノズルの斜視図、図３は吐出ノズルの他の例を示す模式図、図４はロボットアームを用いた造形装置の斜視図、図５は門型クレーンを用いた造形装置の斜視図、図６は積層複合構造物の造成例を示す断面模式図、図７は積層複合構造物の造成例を示す斜視図及び引張材の一部拡大斜視図、図８〜図１８は積層複合構造物の造成手順を示す斜視図である。

＜積層複合構造物の造形装置及び造形方法の概要＞
本発明の実施形態に係る積層複合構造物の造形装置及び造形方法は、複数の材料をそれぞれ同時に吐出することが可能な複数の吐出ノズルを一体に移動させて、各吐出ノズルからそれぞれ材料を吐出させるとともに、複数の材料の吐出制御を行うようになっている。この積層複合構造物の造形装置１００は、図１に示すように、主要な構成要素として、カートリッジ状となった複数の吐出ノズル１０ａ〜ｅと、移動装置２０と、制御装置３０とを備えている。また、図５に示すように吐出ノズル１０には、積層複合構造物を造形するための材料の供給装置１１及び貯留装置１２等の設備が接続されている。

＜吐出ノズル＞
本実施形態に係る吐出ノズル１０は、図２及び図３に示すように、セメント系材料を吐出する吐出ノズル１０ａ、１０ｅと、樹脂系ノズルを吐出する吐出ノズル１０ｂ〜ｄとの２種類となっており、これらの吐出ノズル１０ａ〜ｅが一体に移動可能なカートリッジ状となっている。セメント系材料はモルタルであり、樹脂系材料はＦＲＰである。上述したように、各吐出ノズル１０ａ〜ｅはカートリッジ状となっており、吐出ノズル１０ａ〜ｅを適宜組み合わせることにより、様々な断面形状に対応することができる。なお、図２に示す吐出ノズル１０ａ〜ｅは、先端部が約９０°屈曲しているが、先端部が屈曲していなくてもよいし、他の角度で屈曲させてもよいし、屈曲角度を調整可能としてもよい。また、吐出ノズル１０ａ〜ｅの向きは、縦向きであってもよいし、横向きであってもよい。

また、各吐出ノズル１０ａ〜ｅは独立しているため、個別に各材料の吐出の有無や吐出量の調整を行うことができるとともに、各材料に合わせた機能（例えば、材料がＦＲＰの場合の加熱機能）を設けることができる。すなわち、ＦＲＰは吐出直前で加熱が必要なため、カートリッジ自体に加熱装置（図示せず）を備えている。

また、図５に示すように、各吐出ノズル１０には、それぞれ材料を供給するための供給装置１１や材料の貯留装置１２が接続されている。例えば、モルタルは圧送ポンプから分岐させて吐出ノズル１０ａ、１０ｅに圧送することができる。また、リール状のＦＲＰ材料を吐出ノズル１０ｂ〜ｄに送りこんで、吐出ノズル１０ｂ〜ｄの先端部において加熱してもよいし、ペレット状のＦＲＰ材料を加熱し溶解させ、溶解したＦＲＰ材料を圧送ポンプで吐出ノズル１０ｂ〜ｄに送出してもよい。

また、吐出ノズル１０ａ〜ｅから吐出させる材料は、セメント系材料（モルタル）や樹脂系材料（ＦＲＰ）に限らず、３Ｄプリント技術を用いて造形可能な材料であれば、どのような材料であってもよい。

＜造形材料＞
また、吐出ノズル１０ａ、１０ｅから吐出させるセメント系材料は、自立性およびチキソトロピー性が高い材料を用いることが好ましい。図示しないが、セメント系材料は、ミキサーに投入して練り混ぜを行った後、圧送ポンプに投入されて吐出ノズル１０ａ、１０ｅまで圧送される。圧送ポンプは、解砕羽でセメント系材料を撹拌することで、セメント系材料が硬化しない仕様とすることが好ましい。

また、吐出ノズル１０ｂ〜ｄから吐出させる樹脂系材料（ＦＲＰ）は、熱可塑性樹脂（ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等）を用いる。さらに、補強材料として樹脂内に短繊維（炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、天然繊維等）を練り込むことが好ましい。

樹脂系材料（ＦＲＰ）をリール状に巻き取り、直接ノズルに供給する（ノズルに熱を与え、溶融させながら吐出する）ようにしてもよいし、ペレット状として、圧送ポンプにおいて加熱しながら溶融させて撹拌するようにしてもよい。

＜移動装置＞
移動装置２０は、各吐出ノズル１０ａ〜ｅを一体として移動させるための装置であり、例えば、門型クレーンやロボットアーム等を用いることができる。なお、移動装置２０は、各吐出ノズル１０ａ〜ｅを一体として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、門型クレーンあるいはロボットアームを単独で用いてもよいし、両者を組み合わせて用いてもよいし、他の移動装置２０を用いてもよい。

＜制御装置＞
制御装置３０は、所望形状の積層複合構造物を造形するために、各吐出ノズル１０ａ〜ｅからの各材料の吐出量及び移動装置２０による各吐出ノズル１０ａ〜ｅの移動を制御するための装置である。この制御装置３０は、プログラムに従って動作するコンピュータ及び各機器に対して制御信号を送信するとともに、各機器の状態を把握するための動作信号を受信するための送受信手段、各種のデータを記憶するための記憶手段、データの入出力を行う入力手段及び出力手段等、造形装置１００をコンピュータ制御するための各種の装置が付帯している。

＜積層複合構造物の造形方法＞
本発明の実施形態に係る積層複合構造物の造形方法は、上述した造形装置１００を用いた３Ｄプリント技術により、複数の材料を積層して積層複合構造物を造形するための方法である。この造形方法は、複数の吐出ノズル１０ａ〜ｅから、積層複合構造物を造形するための複数の材料をそれぞれ同時に吐出しながら、複数の吐出ノズル１０ａ〜ｅを一体に移動させる工程と、各吐出ノズル１０ａ〜ｅからの材料の吐出量及び吐出ノズル１０ａ〜ｅの移動を制御して、所望形状の積層複合構造物を造形する工程とを含んでいる。

また、図３に示すように、吐出する材料に対応させて、吐出ノズル１０ａ〜ｅの進行方向に対する前後位置を異ならせることにより、先行して吐出した材料を型枠として、後行して吐出した材料を支持することができる。具体的には、図３に示すように、吐出ノズル１０ａ〜ｅの進行方向に対して、モルタルの吐出ノズル１０ａ、１０ｅを後側に配置するとともに、ＦＲＰの吐出ノズル１０ｂ〜ｄを前側に配置する。また、ＦＲＰの吐出ノズル１０ｂ〜ｄの両側にモルタルの吐出ノズル１０ａ、１０ｅを配置して、モルタルの吐出ノズル１０ａ、１０ｅでＦＲＰの吐出ノズル１０ｂ〜ｄを挟み込む。

このような態様の吐出ノズル１０ａ〜ｅを一体に移動（進行）させると、セメント系材料（モルタル４０）および樹脂系材料（ＦＲＰ５０）が同時に吐出して、セメント系材料（モルタル４０）で両側を囲まれた領域内に樹脂系材料（ＦＲＰ５０）が吐出されるので、セメント系材料（モルタル４０）で樹脂系材料（ＦＲＰ５０）を挟み込むことができる。なお、吐出ノズル１０ａ〜ｅの配設位置は、造形する積層複合構造物や吐出する材料に応じて、適宜変更することができる。

＜セメント系材料と樹脂系材料による積層複合構造物の造成例＞
図６（ａ）〜（ｊ）を参照して、モルタルを吐出する複数の吐出ノズル１０ａ、１０ｅとＦＲＰを吐出する複数の吐出ノズル１０ｂ〜ｄとを一体として移動させることにより、壁構造を造成する一実施例を説明する。本実施例では、モルタルを圧縮材として使用し、ＦＲＰを引張材として使用する。

図６（ａ）〜（ｊ）に示すように、モルタルを吐出して圧縮材を造形し、圧縮材で囲むようにして断面略Ｈ字状のＦＲＰを吐出して引張材を造形することにより、内部に断面略Ｈ字状の引張材を有する積層複合構造物の一単位を造成する。このようにして造成した一単位の構造物を積層することにより壁構造である積層複合構造物を造成する。なお、図６（ａ）〜（ｊ）は、図７における縦断面の模式図である。

この際、ＦＲＰ５０は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、壁面に対して千鳥状となるように造形することが好ましい。すなわち、図７（ｂ）に示すように、壁面に対して千鳥状となるように、充実部５１と空隙部５２を連続して造形する。充実部５１とは、角筒状となったＦＲＰ５０の中央部を横断して架橋部が造形されることにより断面略Ｈ字状となった部分であり、空隙部５２とは、角筒状となった引張部のみから造形されて架橋部を有しない部分のことである。このような構成とすることにより、ＦＲＰ５０（引張材）の空隙部５２内にモルタル４０（圧縮材）を充填することができ、モルタル４０とＦＲＰ５０とを強固に一体化することができる。

＜積層複合構造物の施工手順＞
図８〜図１８を参照して、積層複合構造物の施工手順の一実施例を説明する。なお、図９、図１０、図１１において、（ａ）は全体図、（ｂ）及び（ｃ）は部分拡大図である。積層複合構造物を施工するには、１階部分の基礎梁とスラブ６０を造成した後（図８）、スラブ６０上に１層目の補強材７０（ＦＲＰ）を造形するとともに、モルタルを用いて、１層目の外壁材８０ａ及び内壁材８０ｂを造形し（図９（ａ）、（ｂ））、１層目の外壁材８０ａ及び内壁材８０ｂの上部に２層目以上の補強材７０を造形する（図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ））。なお、造形する積層複合構造物に対応させて、造形順序を変更することが可能であり、外壁材８０ａ及び内壁材８０ｂに対して、補強材７０を先行して造形してもよいし、その逆の造形順序であってもよい。

このように、順次、上層部に向かって補強材７０、外壁材８０ａ及び内壁材８０ｂを造形する（図９〜図１１）。そして、このような手順を繰り返すことにより、窓枠９０を避けた壁部を造形する（図１２）。続いて、窓枠９０を設置した後、窓枠９０上部の外壁材８０ａ及び内壁材８０ｂ、補強材７０を造成して１階部分の造成を完了する（図１３、図１４）。

２階部分では、１階部分の上部にデッキスラブ１１０を設置し（図１５）、モルタル及びＦＲＰを吐出して、１階部分の壁材を９０°寝かせた態様で造形することにより、床スラブ１２０を造形する（図１６）。そして、１階部分と同様にして、２階部分の外壁材８０ａ及び内壁材８０ｂ、補強材７０、ＲＦスラブ１３０を造形する（図１７）。続いて、ＲＦスラブ１３０に防水処理を施すとともに仕上げ材１４０を施工する（図１８）。また、外壁部分に防水処理を施すとともに仕上げ材（図示せず）を施工する。その後、所定の管理項目に関する完成検査等を経て積層複合構造物が完成する。なお、上述した例では、２階建ての積層複合構造物を造形しているが、造形する積層複合構造物は１階建てであってもよいし、３階建て以上であってもよい。

１０（ａ〜ｅ） 吐出ノズル
１１ 供給装置
１２ 貯留装置
２０ 移動装置
２１ 門型クレーン
２２ ロボットアーム
３０ 制御装置
４０ モルタル（圧縮材）
５０ ＦＲＰ（引張材）
５１ 充実部
５２ 空隙部
６０ スラブ
７０ 補強材
８０ａ 外壁材
８０ｂ 内壁材
９０ 窓枠
１００ 造形装置
１１０ デッキスラブ
１２０ 床スラブ
１３０ ＲＦスラブ
１４０ 仕上げ材

Claims (5)

1. 複数の材料を積層して積層複合構造物を造形するための造形装置であって、
   積層複合構造物を造形するための複数の材料をそれぞれ同時に吐出することが可能な複数の吐出ノズルと、
   各吐出ノズルを一体として移動させる移動装置と、
   所望形状の積層複合構造物を造形するために、各吐出ノズルからの各材料の吐出量及び前記移動装置による各吐出ノズルの移動を制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする積層複合構造物の造形装置。
2. 前記吐出ノズルは、セメント系材料を吐出するノズルと、樹脂系材料を吐出するノズルとからなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層複合構造物の造形装置。
3. 前記吐出ノズルは、吐出する材料に対応させて、吐出ノズルの進行方向に対する前後位置を異ならせた、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層複合構造物の造形装置。
4. 複数の材料を積層して積層複合構造物を造形するための造形方法であって、
   複数の吐出ノズルから、積層複合構造物を造形するための複数の材料をそれぞれ同時に吐出しながら、複数の吐出ノズルを一体に移動させ、
   各吐出ノズルからの材料の吐出量及び前記吐出ノズルの移動を制御して、所望形状の積層複合構造物を造形する、
   ことを特徴とする積層複合構造物の造形方法。
5. 吐出する材料に対応させて、吐出ノズルの進行方向に対する前後位置を異ならせることにより、先行して吐出した材料を型枠として、後行して吐出した材料を支持する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の積層複合構造物の造形方法。

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