JP2019112884A - 積層構造物の構築装置及び構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 それぞれ種類が異なる複数の材料を吐出する吐出ノズル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、容易に積層構造物を構築する。【解決手段】 それぞれ種類が異なる複数の材料を吐出する吐出ノズル１０と、吐出ノズル１０を移動させる移動装置２０と、所望形状の積層構造物を形成するために、吐出ノズル１０からの各材料の吐出量及び移動装置２０による吐出ノズル１０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、少なくとも、セメント系材料及び樹脂系材料をそれぞれ吐出する。【選択図】図１

Description

本発明は積層構造物の構築装置及び構築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、積層構造物を構築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構築する構築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次元構築装置に供給している。供給されたセメント系材料は３次元構築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データを積層構築するようにノズルがＸ・Ｙ・Ｚ方向に動くことで、構造物を構築する。施工精度が高い構造物の構築には、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、構築された構造物（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。

我が国は世界有数の地震大国であるため、特に地震力に対しては高い構造性能が要求される。従来の３Ｄプリント技術の多くはセメント系材料を積層することで構造物を構築しているため、圧縮力には抵抗することができる。しかし、鉄筋のような引張材が挿入されていないため、引張力に対しては十分な強度を得ることができない。さらに、積層構造であるためモルタルの打重ねに時間を要し、層間で付着力の低下が懸念される。このような不都合に対して、種々の対策が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１に記載された技術は、構造物の構築方法に関するものであり、３Ｄプリンタを用いて、３次元構造物を構築する技術である。この構造物の構築方法は、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ポスト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。

特開２０１５−１８６８５１号公報 特開２０１７−１１９３６０号公報

上述したように、特許文献１に記載された技術では、３Ｄプリント技術を用いて型枠を構築した後に補強芯棒を挿入し、最後に補強材を充填して構築物を一体化させている。しかし、特許文献１に記載された技術では、型枠の構築、補強芯材の挿入、補強材の充填というように、実施する工種が多種多様であるため、自動化施工を行う上で合理的な工法とは言い難い。

また、特許文献２に記載された技術は、積層構造を一体化させるという点においては、合理的な工法であると言えるが、あくまで引張材は挿入されておらず、引張力の向上は見込めない。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、それぞれ種類が異なる複数の材料を吐出する吐出ノズル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、容易に積層構造物を構築可能な構築装置及び構築方法を提供することを目的とする。

本発明に係る積層構造物の構築装置及び構築方法は、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、本発明に係る積層構造物の構築装置は、複数の材料を積層して積層構造物を構築するための構築装置であって、それぞれ種類が異なる複数の材料を吐出する吐出ノズルと、吐出ノズルを移動させる移動装置と、所望形状の積層構造物を形成するために、吐出ノズルからの各材料の吐出量及び移動装置による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。

このような構成の積層構造物の構築装置において、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、セメント系材料と樹脂系材料を吐出する専用の吐出ノズルを用いてもよいし、セメント系材料と樹脂系材料を切り替えて吐出する吐出ノズルを用いてもよい。吐出ノズルから吐出させる材料の吐出時期及び吐出量を適宜制御することにより、設計された積層構造物を構築することができる。

本発明に係る積層構造物の構築方法は、複数の材料を積層して積層構造物を構築するための構築方法であって、吐出ノズルから、積層構造物を作成するための複数の材料をそれぞれ吐出しながら移動させる。そして、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、所望形状の積層構造物を形成することを特徴とするものである。

本発明に係る積層構造物の構築装置及び構築方法によれば、それぞれ種類が異なる複数の材料を吐出する吐出ノズルを移動させて、吐出ノズルから材料を吐出させるとともに、材料の吐出制御（材料を吐出させる時期及び材料の吐出量の制御）を行っている。すなわち、構築する積層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、容易に積層構造物を構築することができる。

本発明の実施形態に係る積層構造物の構築装置の装置構成を示すブロック図。 門型クレーンを用いた構築装置の斜視図。 ロボットアームを用いた構築装置及び吐出ノズルの斜視図。 積層構造物の造形例を示す斜視図及び引張材の一部拡大斜視図。 積層構造物の造形例を示す断面模式図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る積層構造物の構築装置及び構築方法を説明する。図１〜図５は、本発明の実施形態に係る積層構造物の構築装置及び構築方法を説明するもので、図１は構築装置の装置構成を示すブロック図、図２は門型クレーンを用いた構築装置の斜視図、図３はロボットアームを用いた構築装置及び吐出ノズルの斜視図、図４は積層構造物の造形例を示す斜視図及び引張材の一部拡大斜視図、図５は積層構造物の造形例を示す断面模式図である。

＜積層構造物の構築装置及び構築方法の概要＞
本発明の実施形態に係る積層構造物の構築装置及び構築方法は、それぞれ種類が異なる複数の材料を吐出する吐出ノズル移動させて、吐出ノズルから材料を吐出させるとともに、材料の吐出制御（吐出する材料の選択制御及び材料の吐出量制御）を行うようになっている。この積層構造物の構築装置１００は、主要な構成要素として、図１に示すように、吐出ノズル１０と、移動装置２０と、制御装置３０とを備えている。また、図２に示すように、吐出ノズル１０には、積層構造物を構築するための材料の供給装置１１及び貯留装置１２等の付帯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、セメント系材料及び樹脂系ノズルを吐出するようになっている。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。図２及び図３に示す吐出ノズル１０は、セメント系材料と樹脂系材料を切り替えて吐出するようになっているが、セメント系材料と樹脂系材料を吐出する専用の吐出ノズル１０を用いてもよい。また、図３（ｂ）に示す吐出ノズル１０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１０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、吐出ノズル１０には、吐出する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、図３（ｂ）に示すように、吐出ノズル１０の先端部に加熱装置１３を付加している。

上述したように、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１０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１０に送りこんで、吐出ノズル１０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１０に送出してもよい。

＜構築材料＞
また、吐出ノズル１０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１０まで圧送される。圧送ポンプは、解砕羽でモルタルを撹拌することで、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１０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）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。

なお、吐出ノズル１０から吐出させる構築材料は、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構築可能な材料であれば、どのような材料であってもよい。

＜移動装置＞
移動装置２０は、各吐出ノズル１０を一体として移動させるための装置であり、例えば、図２に示す門型クレーン２１や、図３に示すロボットアーム２２を用いることができる。なお、移動装置２０は、吐出ノズル１０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、門型クレーン２１あるいはロボットアーム２２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、所望形状の積層構造物を形成するために、吐出ノズル１０からの各材料の吐出量及び移動装置２０による吐出ノズル１０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ための入力手段及び出力手段等、構築装置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。

＜積層構造物の構築方法＞
本発明の実施形態に係る積層構造物の構築方法は、上述した構築装置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構造物を構築するための構築方法である。この構築方法は、吐出ノズル１０から、積層構造物を作成するための複数の材料をそれぞれ吐出しながら移動させる工程と、吐出ノズル１０からの材料の吐出量及び吐出ノズル１０の移動を制御して、所望形状の積層構造物を形成する工程とを含んでいる。

＜セメント系材料と樹脂系材料による積層構造物の造形例＞
図４及び図５を参照して、モルタル又はＦＲＰを吐出する吐出ノズル１０を移動させることにより、壁構造を造形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４０として使用し、ＦＲＰを引張材５０として使用する。

壁構造を造形するには、図５（ａ）〜（ｊ）の順に、モルタルを吐出して圧縮材４０を形成するとともに、圧縮材４０で囲むようにしてＦＲＰを吐出して格子状の引張材５０を形成することにより、内部に引張材５０を有する積層構造物の一単位を造形する。なお、ＦＲＰの吐出を先行させ、モルタルの吐出を後行させてもよい。このようにして造形した一単位の造形物を積層することにより壁構造である積層構造物を造形する。図５（ａ）〜（ｊ）は、図４（ａ）における縦断面の模式図である。

この際、引張材５０の格子は、図４（ｂ）に示すように、壁面に対して充実部５１と空隙部５２とが千鳥状となるように形成することが好ましい。すなわち、壁面に対して千鳥状となるように、充実部５１と空隙部５２を連続して形成する。充実部５１とは、角筒状となった引張材５０の中央部を横断して架橋部が形成されることにより断面略Ｈ字状となった部分であり（図５参照）、空隙部５２とは、角筒状となった引張部のみから形成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、引張材５０（ＦＲＰ）の空隙部５２内に圧縮材４０（モルタル）を充填することができ、圧縮材４０と引張材５０とを強固に一体化することができる。なお、本実施形態では、引張材５０を格子状としているが、トラス形状やハニカム形状であってもよい。

＜積層構造物の施工手順＞
図示しないが、積層構造物の施工手順の一例を説明する。１階部分の基礎梁とスラブを造形した後、スラブ上に１層目の補強材（ＦＲＰ）を構築するとともに、モルタルを用いて、１層目の外壁材及び内壁材を構築し、１層目の外壁材及び内壁材の上部に２層目の補強材を構築する。なお、外壁材及び内壁材と、補強材の構築順序は、構築する積層構造物に対応させて適宜変更することができる。

続いて、構築した補強材の間にモルタルを吐出しながら、３層目及び４層目の補強材、外壁材及び内壁材を構築する。そして、補強材を連続して吐出して、１段目の構造物を構築し、このような手順を繰り返すことにより、窓枠を避けた壁部を構築する。続いて、窓枠を設置した後、窓枠上部の外壁材及び内壁材、補強材を造形して１階部分の造形を完了する。

２階部分では、１階部分の上部にデッキスラブを設置し、状態でモルタル及び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、床スラブを構築する。そして、１階部分と同様にして、２階部分の外壁材及び内壁材、補強材を構築し、デッキスラブを設置し、ＲＦスラブを造形する。続いて、ＲＦスラブに防水処理を施すとともに仕上げ材を施工する。また、外壁部分に防水処理を施すとともに仕上げ材を施工する。その後、所定の管理項目に関する完成検査等を経て積層構造物が完成する。なお、上述した例では、２階建ての積層構造物を構築しているが、構築する積層構造物は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 吐出ノズル
１１ 供給装置
１２ 貯留装置
１３ 加熱装置
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 圧縮材
５０ 引張材
５１ 充実部
５２ 空隙部
１００ 構築装置

Claims (3)

1. 複数の材料を積層して積層構造物を構築するための構築装置であって、
   それぞれ種類が異なる複数の材料を吐出する吐出ノズルと、
   前記吐出ノズルを移動させる移動装置と、
   所望形状の積層構造物を形成するために、前記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前記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構造物の構築装置。
2. 前記吐出ノズルは、少なくとも、セメント系材料及び樹脂系材料をそれぞれ吐出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層構造物の構築装置。
3. 複数の材料を積層して積層構造物を構築するための構築方法であって、
   吐出ノズルから、積層構造物を作成するための複数の材料をそれぞれ吐出しながら移動させ、
   前記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、所望形状の積層構造物を形成する、
   ことを特徴とする積層構造物の構築方法。

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