JP2020049864A - 建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 使用する材料の範囲が広く、設計通りの造形物を作成する。【解決手段】 横方向に材料を吐出するノズル本体１０の吐出口２０と、吐出口２０から延長して設けられ、吐出される材料の少なくとも上面及び左右側面に対向するコテ部３０とを備える。ノズル本体１０の材料送出経路の途中に、送出される材料のトラップ機構４０を設けるとともに、ノズルの回転軸上に吐出口２０を設ける。トラップ機構４０は、ノズル本体１０の材料送出経路を屈曲させた屈曲部からなる。【選択図】図１

Description

本発明は建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズルに関するものであり、詳しくは、３Ｄプリンタで建設構造物を作成する際に建設材料を吐出するためのノズルに関するものである。

近年、３Ｄプリンタが実用化されており、建設、医療、デザイン等、種々の分野における造形技術として、広汎な利用が期待されている。代表的な３Ｄプリンタは、流動性を有する材料（例えば、モルタルや樹脂等）をノズルから吐出させ、設計データに基づいて材料の吐出量や吐出位置を制御することにより、所望形状の造形物を作成するようになっている。従来、３Ｄプリンタに関する種々の技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された技術は、ノズル形状に特徴を有する３Ｄプリンタ技術を用いた建設構造物の構築装置に関するものである。この技術において、材料の送出経路の先端側に取り付けたノズルは、吐出する材料の断面が材料の吐出口において所望の形状となるように、材料の送出側から吐出側へ向かって内空形状を徐々に変化させた状態で形成されている。

特開２０１８−８６７４７号公報

上述したように、種々の分野で３Ｄプリンタが実用化されており、所望形状の造形物を作成するために、ノズルの形状や構造に種々の工夫がなされている。例えば、特許文献１に記載された技術では、構築する建設構造物の形状に応じて複数のノズルを作製し、作業の進行状況に応じてノズルを取り替えることにより、様々な形状の建設構造物を容易に構築することができるという利点があるが、自由な断面形状の造形物を作成するために、更なる工夫の余地があった。

３Ｄプリンタで建設構造物を構築する際には、下向きの吐出口を備えたノズルを用いて、材料を吐出しながらノズルを横方向に移動させて積層構造とするのが一般的である。このタイプのノズルを用いた構築装置では、材料の吐出方向と造形方向が直行するため、ひび割れが発するおそれがあり、使用する材料が制限されてしまう。

また、材料を積層させて建設構造物を構築する場合に、下方向（鉛直方向）に材料を吐出させると、造形物の断面形状の自由度が小さくなる。さらに、複数層に高く積み上げたり、一層の高さを大きくしたりする際に、造形物の上下の接触部分がずれてしまうことがあり、この場合には造形物が崩れてしまうため、設計通りの造形物を作成できるか否かは、吐出箇所の繰り返し精度に依存することになる。

また、ノズルの吐出口を横向き（水平方向）とした場合には、ノズルの回転軸上に吐出口が存在しない場合があり、造形方向と吐出口から吐出する材料の向きを合わせようとすると、ノズルの移動制御が複雑化す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、使用する材料の範囲が広く、設計通りの造形物を作成することが可能な建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズルを提供することを目的とする。

本発明に係る建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズルは、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、本発明に係る建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズルは、３Ｄプリンタで建設構造物を構築する際に、建設材料を吐出するためのノズルに関するものである。この建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズルは、横方向に材料を吐出するノズル本体の先端部に設けた吐出口と、吐出口から延長して設けられ、吐出される材料の少なくとも上面及び左右側面に対向するコテ部とを備えたことを特徴とするものである。

また、ノズル本体の材料送出経路の途中に、送出される材料のトラップ機構を設けるとともに、ノズルの回転軸上に吐出口を設けた構成とすることが可能である。トラップ機構は、ノズル本体の材料送出経路を屈曲させた屈曲部から構成することができる。

本発明に係る建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズルによれば、吐出される材料の少なくとも上面及び左右側面に対向するコテ部を有しているため、吐出された材料が盛り上がったり捻れたりした場合であっても、材料の上面をコテ部で均すことができるため、造形物の上面が均一かつ平坦なものとなる。このため、各層間において材料が接触する面積が大きくなり、造形物の安定性を増加させることができる。さらに、吐出した材料を密に積層できるため、構造上の強度を増加させることができ、複数層に高く積み上げたり、一層の高さを大きくしたりすることが可能となる。

また、ノズルの吐出口を横向き（水平方向）とした場合であっても、ノズルの回転軸上に吐出口を設けてあるため、造形方向と吐出口から吐出する材料の向きを合わることができ、ノズルの移動制御が容易なものとなる。この際、ノズル本体の材料送出経路の途中に、送出される材料のトラップ機構を備えているため、流動性が高い材料を使用した場合であっても、トラップ機構により材料の流下速度が調整され、吐出口から材料が垂れ落ちることがない。また、トラップ機構は材料送出経路を屈曲させた簡易な構造であるため、製造コストを低減することができるとともに、材料の詰まりを防止することができる。

本発明の実施形態に係る建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズルを斜め上から見た状態の斜視図。 本発明の実施形態に係る建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズルを斜め下から見た状態の斜視図。 トラップ機構を設けた横方向吐出型ノズルを斜め上から見た状態の斜視図。 トラップ機構を設けた横方向吐出型ノズルを斜め下から見た状態の斜視図。 コテ部の他の例を示す斜視図。 コテ部の他の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建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズル（以下、横方向吐出型ノズルと称する）を説明する。図１〜図６は本発明の実施形態に係る横方向吐出型ノズルを説明するもので、図１及び図２は横方向吐出型ノズルの斜視図、図３及び図４はトラップ機構を設けた横方向吐出型ノズルの斜視図、図５はコテ部の他の例を示す斜視図、図６はコテ部の他の例を示す断面模式図である。

＜横方向吐出型ノズルの概要＞
本発明の実施形態に係る横方向吐出型ノズルは、図１〜図６に示すように、ノズル本体１０の先端部に、横方向（水平方向）に材料を吐出する吐出口２０を設けるとともに、吐出口２０から吐出される材料の少なくとも上面及び左右側面に対向するコテ部３０を備えた点に特徴がある。

また、図３及び図４に示すように、ノズル本体１０の材料送出経路の途中に、送出される材料のトラップ機構４０を設けるとともに、ノズルの回転軸上に吐出口２０が位置するようになっている。

＜吐出口＞
本実施形態の吐出口２０は、ノズル本体１０の先端部で横向きに開口している。また、図１〜図６に示す吐出口２０の断面形状は四角形であるが、使用する材料や建設構造物の態様に応じて、他の形状であってもよい。

＜コテ部＞
ノズル本体１０の吐出口２０には、図１〜図５に示すように、吐出される材料の少なくとも上面及び左右側面に対向するコテ部３０を設けてある。このコテ部３０は、横向きに設けた吐出口２０に連通するように、ノズル本体１０を延長して設けたものである。図１〜図５に示す例で、吐出口２０が断面四角形状であるため、コテ部３０は下面が開放したコ字状となっている。なお、コテ部３０は、下面のすべてを開放するのではなく、吐出口２０側で下面の一部を閉鎖してもよい。吐出口２０から吐出された材料は、コテ部３０により、少なくとも上面及び左右側面が均される。

＜コテ部の形状＞
コテ部３０は、図６に示すように、種々の形状とすることができる。図６には、下面が開放した形状として、上面が凹状（断面半円状、断面三角形状）となったコテ部３０（図６（ａ）、（ｂ））、下面の一部が閉塞した形状として、上面が凸状（断面半円状、断面三角形状）かつ下面が凹状（断面半円状、断面三角形状）となったコテ部３０（図６（ｃ）、（ｄ））を示してある。

＜トラップ機構＞
トラップ機構４０とは、ノズル本体１０の材料送出経路において、送出される材料の流下を抑制し、流動性が高い材料であっても、吐出口２０から材料が漏れ落ちることを防止するための機構である。

トラップ機構４０は、図３及び図４に示すように、ノズル本体１０の材料送出経路を屈曲させて屈曲部を設けることにより形成している。また、このトラップ機構４０を設けることにより、ノズルの回転軸上に吐出口２０を位置させることができる。

ノズル本体１０の材料送出経路を送出される材料は、トラップ機構（屈曲部）４０において流下方向が略鉛直下方向から斜め下方向に変更されるため、吐出口２０から材料が漏れ落ちることを防止することができる。すなわち、略鉛直下方向にストレートに材料を流下させて吐出口２０から吐出する場合には、材料の送出を停止しても、材料の自重により材料が流下し、吐出口２０から漏れ出してしまう。このような態様に対して、トラップ機構４０を備えている場合には、材料の送出を停止すると、材料が屈曲部において一時的に貯留状態となるため、材料が吐出口２０から漏れ出すことはない。

＜付帯する機器及び材料＞
ノズル本体１０は、吐出口２０を横向きとした状態で、移動装置により所望の方向（３次元方向）へ移動可能に支持されている。また、ノズル本体１０には、圧送パイプを介して材料供給装置（材料貯留部、圧送ポンプ等を含む装置）が接続されている。ノズル本体１０から吐出する材料は、建設構造物の態様に応じて適宜選択するが、例えば、セメント系材料や樹枝系材料とすることができる。

＜建設構造物＞
本実施形態に係る横方向吐出型ノズルを用いて構築する建設構造物は、どのような形状のものであってもよいが、例えば、壁、中実又は中空の柱、方形・円錐形・円筒状等の建物、これらの複合建設物を構築することができる。

１０ ノズル本体
２０ 吐出口
３０ コテ部
４０ トラップ機構（屈曲部）

Claims (3)

1. ３Ｄプリンタで建設構造物を構築する際に、建設材料を吐出するためのノズルであって、
   横方向に材料を吐出するノズル本体の先端部に設けた吐出口と、
   前記吐出口から延長して設けられ、吐出される材料の少なくとも上面及び左右側面に対向するコテ部と、
   を備えたことを特徴とする建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズル。
2. ノズル本体の材料送出経路の途中に、送出される材料のトラップ機構を設けるとともに、
   ノズルの回転軸上に吐出口を設けたことを特徴とする請求項１に記載の建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズル。
3. 前記トラップ機構は、ノズル本体の材料送出経路を屈曲させた屈曲部からなることを特徴とする請求項２に記載の建設材料の積層に用いる横方向吐出型ノズル。

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