JP2019147338A - 3dプリンタ用ノズル装置および3dプリンタ装置並びにこれを用いた建造物の構築方法、粘性材料の供給方法および製作物構築装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特に、現場打ちで積層工法を採用する大型製作物の場合、この問題はより顕著である。そのため、繰り返し積層により、高精度な製作物を安定的に製作するには、吐出ノズルから吐出される粘性材料の流量を一定に保つことが重要である。
そのため、粘性材料供給手段として、例えば高揚程大容量に適用できる往復ポンプを採用した場合であっても、シリンダ部での一時的な貯留によって往復ポンプによる脈動の影響を防止または抑制し、さらに、スクリュ搬送部による定量圧送によって吐出量を任意の流量で一定に制御しつつ吐出できる。
また、前記シリンダ部は、その内部が当該シリンダ部の上部から下部に向けて次第に縮径するように先細に形成されていることは好ましい。このような構成であれば、シリンダ部内の粘性材料をノズル部側に向けてより円滑に送りだせる。よって、ノズル部から粘性材料を定量供給する上でより好適である。
シリンダ部1には、貯留室1bの上部側方に、供給パイプ27が接続されている。供給パイプ27は、配送部としてのポンプ29を介して、貯留部としてのホッパ28に接続されている。ホッパ28内には、所定配合に練り混ぜられた粘性材料Cがプリント原料として蓄えられる。なお、ホッパ28とポンプ29との配置位置関係は問わない(例えば鉛直配置でも水平配置でもよい。)。
なお、残量検出センサ7の検出信号に限らず、モータ6の回転数から吐出量を概算し、その概算量に基づいて、シリンダ部1内の粘性材料Cの残量が所定量未満になるとポンプ29を作動させ、ホッパ28に蓄えられた粘性材料Cをシリンダ部1に供給するように構成してもよい。また、残量検出センサ7の検出信号とモータ6の回転数から吐出量を概算した概算量とから供給タイミングを決定してもよい。
なお、複数の溝または突条1tを形成する場合に、スクリュ搬送部1dの軸方向に沿って形成する例を示したが、これに限らず、粘性材料Cの移動に方向性を持たせることができればよいため、例えば、スクリュ3の螺旋方向に対して垂直方向に(つまりシリンダ側において斜め方向に、また、斜めに螺旋状に)複数の溝または突条1tを形成してもよい。
A(x)=αxA0
第一の材料供給装置20は、同図に示すように、クライミングクレーン同様に構成され、地上に立設されて継ぎ足し可能なマスト21と、ジャッキアップ装置が内蔵されてマスト21に沿って昇降可能なベースフレーム22とを備える。ベースフレーム22上には、旋回機構が内蔵された旋回台23と、旋回台23上に支持された多関節型のロボットアーム24とが搭載されている。
ポンプ50は、例えばコンクリートミキサ車60から必要なプリント原料Cを、一次側供給管27aを介して供給チャンバ28に補充可能になっている。供給チャンバ28の二次側には、原料供給管27の二次側供給管27bが接続されている。なお、ポンプ50は、モルタルやコンクリートのような重い粘性材料を高い揚程まで揚げることを想定し、往復ポンプ(例えばスクイーズポンプ)を使用している。
本実施形態では、第一の材料供給装置20による3Dプリンティング処理で橋脚部Fの外周殻壁11を構築後に、その外周殻壁11の内側を、自己充填性がある第二の粘性材料で充填して充填部17を構築する。
第一の材料供給装置20の3Dプリンティングでは、予め、構築しようとする橋脚部Fの3次元形状をコンピュータモデリングするとともに、そのモデリングされたデータから、数多くの薄層に分けられた外周殻壁11の輪郭の2次元データを生成して、3Dプリンティングに必要な基礎構築データが準備されている。そして、基礎構築データは、予め第一の材料供給装置20のコントローラの記憶装置に格納されている。
これにより、スクリュ3の停止直後に、その回転方向を正転方向から僅かに反転させるスクリュ正反転制御がなされる。そのため、吐出口近傍のプリント原料Cをノズル内に引き込み、3Dプリンタ用ノズル装置10のノズル部4からのプリント原料Cの垂れを防止または抑制することができる。
特に、本実施形態によれば、プリント原料Cには、高いチキソトロピー性により自立し、速硬性を有するセメント系材料等を主材とする配合を用いており、対象とする製作物の外周殻壁(外郭)を3Dプリンタで精緻に積層・構築できるため型枠が不要である。
さらに、フレッシュ性状が経時的に変化(硬化)するセメント系材料を主材とする粘性材料を対象とする場合には、材料性状の変化をモニタリングしながら絞り弁を調整する必要があることから、圧力調整機構が複雑となる。また、ポンプ起動時の吐出遅れや停止時の液ダレが生じ得るという問題もある。
これに対し、本実施形態のように、セメント系材料を主材とする粘性材料(例えばペースト、モルタル、コンクリート)を吐出するノズルの場合、構成材料の粒子径を考慮してノズルの吐出径を大きくする必要があり、自重による材料の垂れが深刻な問題となる。
また、3Dプリンタ用ノズル装置10において、ノズル部4は、その内部の断面形状が、横断面積の変化率が一定となるように先細に形成されているので、粘性材料の不意な閉塞または停留を効果的に防止する上で好適である。
例えば、上記実施形態では、供給ポンプ29としてスクイーズポンプを使用しているが、3Dプリンタ用ノズル装置10に接続するポンプの形式はこれに限定されず、例えば往復ポンプを用いる場合、例えば、ピストンポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ等であってもよいし、また、回転ポンプを用いる場合、例えば、歯車ポンプ(ギヤポンプ)、ベーンポンプ、ねじポンプ等でもよく、ポンプの形式は問わない。
詳しくは、この変形例では、シリンダ部1の下部とフレキシブル管51の上端部とはカプラ52で着脱可能に接続され、スクリュ搬送部1dの上部とフレキシブル管51の下端部とはカプラ53で着脱可能に接続されている。スクリュ搬送部1dの側面には、スクリュ駆動モータ54が付設され、スクリュ3は、スクリュ搬送部1d内に張り出す駆動機構55を介してスクリュ駆動モータ54により駆動可能になっている。スクリュ駆動モータ54の出力軸とスクリュ3の軸線とは、相互が並行に配置されており、駆動機構55は、例えばタイミングベルト等を介してスクリュ駆動モータ54の動力をスクリュ3に伝達可能に構成される。
このような構成であれば、貯留室1bとスクリュ搬送部1dとの配置関係を任意に設定できる。また、貯留室1bが大型化する場合であっても、貯留室1bを固定構造とし、可動部となるスクリュ搬送部1dを小型にできるので、その移動や姿勢制御が容易に行うことができる。
また、この実施例は、上記3Dプリンタ用ノズル装置10を、製作物構築装置として、X−Y−Z軸方向それぞれに移動可能な3軸移動テーブル装置(不図示)に搭載し、3Dプリンタ技術を用いた繰り返し積層作業により造形物や構造物等の製作物を構築した例である。
1c スクリュ搬送部連結部
1d スクリュ搬送部
1f シリンダ先端
1n シリンダ内壁
2 攪拌翼(撹拌部材)
3 スクリュ(回転部)
3s スクリュ表面
3t スクリュ先端
4 ノズル部
4m 飲み込み部
5 回転軸
6 駆動モータ
10 3Dプリンタ用ノズル装置
20 第一の材料供給装置(製作物構築装置:3Dプリンタ装置)
25 供給ヘッド
28 ホッパ(貯留部)
29 ポンプ(配送部)
30 コントローラ
40 コンクリートポンプ車両
C 粘性材料(プリント原料)
Claims (10)
- プリント原料とする粘性材料を一時的に貯留するシリンダ部と、
前記シリンダ部内に任意の定常速度で回転可能なスクリュを内蔵するとともに前記シリンダ部内の粘性材料をシリンダ部先端に向けて定量圧送するスクリュ搬送部と、
前記シリンダ部先端に設けられて前記定量圧送された粘性材料を吐出するノズル部と、
を備えることを特徴とする3Dプリンタ用ノズル装置。 - 前記粘性材料は、セメント系材料である請求項1に記載の3Dプリンタ用ノズル装置。
- 前記シリンダ部は、その内部に撹拌部材を備える請求項1または2に記載の3Dプリンタ用ノズル装置。
- 前記スクリュは、その先端が先細に形成されている請求項1〜3のいずれか一項に記載の3Dプリンタ用ノズル装置。
- 前記スクリュの停止直後に、その回転方向を正転方向から僅かに反転させるスクリュ正反転制御手段を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の3Dプリンタ用ノズル装置。
- 前記スクリュ搬送部の内壁素材は、前記スクリュの表面素材よりも摩擦係数が大きい素材が用いられている請求項1〜5のいずれか一項に記載の3Dプリンタ用ノズル装置。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の3Dプリンタ用ノズル装置と、混練りしたセメント系材料を貯留する貯留部と、該貯留部のセメント系材料をプリント原料として前記3Dプリンタ用ノズル装置のシリンダ部に供給する配送部と、を備えることを特徴とする3Dプリンタ装置。
- 請求項7に記載の3Dプリンタ装置を用い、
前記3Dプリンタ装置のノズル部から吐出したセメント系材料を積層して所望形状の建造物を構築することを特徴とする建造物の構築方法。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の3Dプリンタ用ノズル装置を用いて粘性材料を供給する方法であって、
前記粘性材料として、セメント系材料を主材とするものを用い、
ポンプから前記粘性材料を前記シリンダ部に供給して前記シリンダ部に前記粘性材料を一時的に貯留する材料貯留過程と、
前記スクリュ搬送部のスクリュを回転させて前記シリンダ部から前記ノズル部に前記粘性材料を押し出す材料押出過程と、
を含むことを特徴とする粘性材料の供給方法。 - 不連続にまたは脈動を伴って粘性材料を供給する粘性材料供給手段と、該粘性材料供給手段から供給される粘性材料を吐出する3Dプリンタ用ノズル装置と、を備え、該3Dプリンタ用ノズル装置を複数の軸方向に移動または姿勢制御して3Dプリンタ技術を用いた繰り返し積層作業により造形物や構造物等の製作物を構築する製作物構築装置であって、
前記3Dプリンタ用ノズル装置として、請求項1〜6のいずれか一項に記載の3Dプリンタ用ノズル装置を備えることを特徴とする製作物構築装置。
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