JP2021028159A - 構造物構築用の３ｄプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】構築可能な構造物の大きさ、つまり上面形状の大きさに実質的に制約がなく、低コストかつ比較的短時間で構造物を構築できる構造物構築用の３Ｄプリンタを提供する。【解決手段】構造物構築用の３Ｄプリンタ（１）は、軌陸車からなる第１の車両（５）と、該第１の車両に設けられている多関節ロボットアーム（１０）と、該多関節ロボットアーム（１０）の先端に設けられているノズル部（１１）とから構成される。ノズル部（１１）は多関節ロボット（１０）により駆動され、水硬化性硬化体が押し出されて構造物を構築するようになっている。本発明は、第１の車両（５）が地面に敷設されている軌道（３）上を走行するようになっている。さらに、軌道（３）上には第１の車両（５）に付随して走行する第２の車両（６）が設けられ、この第２の車両（６）には水硬化性硬化体を混練するミキサ（１４）と、該水硬化性硬化体の材料を貯蔵するサイロ（１３）とが設けられる。【選択図】 図１

Description

本発明は、自動制御により駆動されるノズル部を備え、該ノズル部からコンクリート等の水硬化性硬化体を押し出して立体的な建築物、構造物を製造する構造物構築用の３Ｄプリンタに関するものである。

製造業の分野において利用が促進されている３Ｄプリンタは、ＣＡＤデータ等に基づいて立体的な成形品を自動的に製造することができるので、少量の製品の製造を低コストで実施でき優れている。近年は建築分野においても３Ｄプリンタの適用が進んできている。建築分野で使用される３Ｄプリンタは、材料として速硬コンクリート等の水硬化性硬化体を使用して、これを３次元的に自動制御により駆動されるノズル部から押し出すようになっている。建築用の３Ｄプリンタには、ノズル部の駆動方式によっていろいろなタイプがある。例えば特許文献１の図１９に示されているようなガントリ式のタイプの３Ｄプリンタにおいては、離間して平行に敷設された直線状の一対のレール上をガントリが走行するようになっている。ノズル部はこのガントリに設けられ、ガントリに対して上下方向に駆動されると共にガントリの幅方向にスライドされるようになっている。つまりガントリ式の建築用３Ｄプリンタにおいては、レール方向をＸ方向、ガントリの幅方向をＹ方向、上下方向をＺ方向としてノズル部が自由に３次元的に駆動されるようになっている。この３Ｄプリンタによって建築される建築物は一対のレールで挟まれたエリアになる。これに対して、ノズル部が多関節ロボットアームの先端に設けられている建築用３Ｄプリンタも周知である。多関節ロボットアームは、例えば自走する車両に設けられている。アウトリガーにより車両を地面に固定し、多関節ロボットアームを駆動してノズル部を３次元的に駆動する。ノズル部は所定の半径内で駆動されることになり、建築物は３Ｄプリンタの近傍に建築される。

特表２００７−５１８５８６号公報

ガントリ式の３Ｄプリンタであっても、多関節ロボットアーム式の３Ｄプリンタであっても、任意の形状の建築物を建築でき優れている。しかしながら、解決すべき課題も見受けられる。例えばガントリ式の３Ｄプリンタの場合には、一対のレールで挟まれたエリア内にしか建築物を建築できないという問題がある。ノズル部がガントリ内でしか移動できないからであり、建築したい建築物の大きさ、つまり建築物の上面形状が一対のレール間の幅を超える場合には建築することができない。さらにはガントリ式の３Ｄプリンタの場合には、レール方向つまりＸ方向にノズル部を繰り返し移動させる必要があるとき、必要なエネルギーが大きくなり、効率が低下するという問題がある。ノズル部をＸ方向に繰り返し駆動する場合、レールに沿ってガントリ全体を繰り返し走行させなければならない。ガントリ全体は重量が大きいのでこれを駆動するにはエネルギーを要し、駆動に必要な時間も長くなってしまう。多関節ロボットアーム式の３Ｄプリンタの場合には、ノズル部は多関節ロボットアームによって駆動されるので必要なエネルギは小さく効率は高い。しかしながら３Ｄプリンタの近傍にしか建築物を建築できないという問題がある。ノズル部が多関節ロボットアームによって駆動される範囲を超えて駆動できないからである。このような範囲を超えてノズル部を駆動したい場合には、一旦アウトリガーを車両内に引き込み、車両を必要な距離だけ移動し、再びアウトリガーにより車両を地面に固定する必要がある。このようにすると、建築物の上面形状が大きくても建築することはできる。しかしながら、アウトリガーの待避、車両の移動、アウトリガーの設置を繰り返す必要があり時間がかかるしコストも大きくなるという問題がある。さらには、材料である水硬化性硬化体の供給についても問題がある。材料である水硬化性硬化体は所定のミキサによって混練されるが、ミキサは３Ｄプリンタの近傍に設置される必要がある。３Ｄプリンタの車両を移動する毎に、ミキサも移動しなければならず移動のためのコストが嵩む。

従って本発明は、建築物等の構築可能な構造物の大きさ、つまり上面形状の大きさに実質的に制約がなく、低コストでかつ比較的短時間で建築物、構造物を構築できる構造物構築用の３Ｄプリンタを提供することを目的としている。さらに本発明においては、構造物構築用の３Ｄプリンタに対して低コストで建築材料を供給することができるような３Ｄプリンタを提供することも目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、構造物構築用の３Ｄプリンタは、第１の車両と、該第１の車両に設けられている多関節ロボットアームと、該多関節ロボットアームの先端に設けられているノズル部とから構成される。ノズル部は多関節ロボットにより駆動され、水硬化性硬化体が押し出されて構造物を構築するようになっている。そして本発明においては、第１の車両は地面に敷設されている軌道上を走行するように構成される。さらに、軌道上には第１の車両に付随して走行する第２の車両が設けられ、この第２の車両には第１の車両に供給する水硬化性硬化体を混練するミキサと、該ミキサに水硬化性硬化体の材料を供給するサイロとが設けられるように構成する。

すなわち請求項１に記載の発明は、第１の車両と、該第１の車両に設けられている多関節ロボットアームと、該多関節ロボットアームの先端に設けられているノズル部とからなり、前記多関節ロボットにより駆動される前記ノズル部から水硬化性硬化体が押し出され建築物等の構造物を構築するようになっている３Ｄプリンタであって、前記第１の車両は地面に敷設されている軌道上を走行するようになっていることを特徴とする構造物構築用の３Ｄプリンタとして構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記第１の車両は前記軌道を走行するための軌道用車輪と前記軌道以外の路面を走行するための路面走行手段とを備え、前記軌道用車輪と前記路面走行手段とが切り換え可能になっている軌陸車であることを特徴とする構造物建築用の３Ｄプリンタとして構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記軌道上には前記第１の車両に付随して走行する第２の車両が設けられ、前記第２の車両には前記第１の車両に供給する水硬化性硬化体を混練するミキサと、該ミキサに水硬化性硬化体の材料を供給するサイロとが設けられていることを特徴とする構造物構築用の３Ｄプリンタとして構成される。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの項に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記軌道上には前記第１の車両に付随して走行する第３の車両が設けられ、前記第３の車両には前記第１の車両に電力を供給する発電機が設けられていることを特徴とする構造物構築用の３Ｄプリンタとして構成される。

以上のように、本発明は、第１の車両と、該第１の車両に設けられている多関節ロボットアームと、該多関節ロボットアームの先端に設けられているノズル部とからなり、多関節ロボットにより駆動されるノズル部から水硬化性硬化体が押し出され建築物等の構造物を構築するようになっている構造物構築用の３Ｄプリンタを対象としている。つまり、いわゆる多関節ロボットアーム式の構造物構築用の３Ｄプリンタを対象としている。そして本発明によると、第１の車両は地面に敷設されている軌道上を走行するようになっている。そうすると多関節ロボットアーム式の構造物構築用の３Ｄプリンタにおける欠点である、構築可能な構造物の大きさに制約がある、という問題が解決する。つまり、構造物構築用の３Ｄプリンタは軌道上を任意の位置に移動して多関節ロボットアームを駆動できるので、軌道を適切に敷設していれば実質的に構築できる構造物の大きさ、つまり構造物の上面形状の大きさに制約はない。また第１の車両の移動は軌道上を走行させるだけでいいので時間もかからず必要なエネルギも小さくて済む。これによって低コストで比較的短時間で構造物を構築できる効果が得られる。他の発明によると、第１の車両は軌道を走行するための軌道用車輪と軌道以外の路面を走行するための路面走行手段とを備え、軌道用車輪と路面走行手段とが切り換え可能になっている軌陸車として構成されている。例えば路面走行手段をいわゆるキャタピラー（登録商標）と呼ばれる無限軌道から構成すると、建築現場において軌道が敷設されていない場合であっても建築現場を自由に走行して所望の建造物を建造することができる。また路面走行手段を車道走行用の車輪から構成すると、一般道を自走することができるという効果が得られる。さらに他の発明によると、軌道上には第１の車両に付随して走行する第２の車両が設けられ、第２の車両には第１の車両に供給する水硬化性硬化体を混練するミキサと、該ミキサに水硬化性硬化体の材料を供給するサイロとが設けられている。構造物構築用の３Ｄプリンタにおいては混練した水硬化性硬化体をどのように供給するか、という点に課題があるが、この発明によって効率よく水硬化性硬化体を３Ｄプリンタに供給できることが保証される。これによってさらに低コストで効率よく構造物を構築できる。他の発明によると、軌道上には第１の車両に付随して走行する第３の車両が設けられ、第３の車両には第１の車両電力を供給する発電機が設けられている。そうすると、構造物構築用の３Ｄプリンタに必要な電力が、常に３Ｄプリンタの近傍から供給されることが保証されるので、３Ｄプリンタを移動するときに電源ケーブルの引き回し等の問題がないという優れた効果が得られる。

地面に敷設された軌道と、該軌道上を走行する本実施の形態に係る構造物構築用の３Ｄプリンタとを示す図で、その（Ａ）は上面図、その（Ｂ）は正面図である。 地面に敷設された軌道と、該軌道上を走行する本発明の他の実施の形態に係る構造物構築用の３Ｄプリンタの正面図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態に係る構造物構築用の３Ｄプリンタ１は、図１の（Ａ）、（Ｂ）に示されているように、所定の軌道３上を走行するようになっている。軌道３すなわちレール３は、建築したい建築物つまり構築したい構造物の近傍に予め地面に敷設されている。レール３は直線状に敷設されていてもよいし、構築したい構造物の上面形状に合わせて、湾曲していてもよい。あるいはレール３は環状に敷設されていてもよい。このように敷設された軌道３上に本実施の形態に係る構造物構築用の３Ｄプリンタ１は走行自在に設けられている。

本実施の形態に係る構造物構築用の３Ｄプリンタ１は、第１の車両５、第２の車両６、第３の車両７から構成され、これら第１〜３の車両５、６、７は互いに連結されている。本実施の形態においては、第１〜３の車両５、６、７は、いわゆる軌陸車からなる。すなわち第１〜３の車両５、６、７は、地面等の路面を走行するための路面走行手段、つまりキャタピラー（登録商標）と呼ばれている無限軌道５ａ、６ａ、７ａと、軌道３上を走行するための軌道用車輪５ｂ、５ｂ、６ｂ、６ｂ、７ｂ、７ｂとを備えている。図１の（Ｂ）には、第１〜３の車両５、６、７は、軌道用車輪５ｂ、５ｂ、６ｂ、６ｂ、７ｂ、７ｂによって軌道３上を走行するようになっているが、これらの軌道用車輪５ｂ、５ｂ、６ｂ、６ｂ、７ｂ、７ｂは、車輪を支持する支持部材が回動して上側に跳ね上げられるようになっている。上側に跳ね上げられると、無限軌道５ａ、６ａ、７ａによって地面を走行できる。

このような第１の車両５には、多関節ロボットアーム１０が設けられ、この多関節ロボットアーム１０の先端にノズル部１１が設けられている。従って多関節ロボットアーム１０を制御すれば、所定の半径内においてノズル部１１を任意の位置に駆動することができる。ノズル部１１からは速硬コンクリート等の水硬化性硬化体を押し出すことができ、所望の構築物を構築することがができる。第１の車両５は軌道３上を走行できるので、構築したい構築物の大きさや形状によって、適宜第１の車両５を移動させながら建築することができる。

第２の車両６には、第１の車両５側に水硬化性硬化体を供給するための装置が設けられている。すなわち第２の車両６には、水硬化性硬化体の材料であるセメント、細骨材等の粉体を貯蔵するサイロ１３、このサイロ１３から材料の供給を受けて混練水、混和剤等と共に混練するミキサ１４とが設けられている。なお、混練水、混和剤が貯蔵されているタンクは図１には示されていないが、第２の車両６に設けられている。ミキサ１４によって混練された水硬化性硬化体は、供給管１５を介して第１の車両５の多関節ロボットアーム１０に連続的に供給されるようになっている。従って、多関節ロボットアーム１０に設けられているノズル部１１から、連続的に水硬化性硬化体を押し出すことができる。

第３の車両７には、第１、２の車両５、６に電力を供給するための発電機１７が設けられている。発電機１７は例えばディーゼルエンジンによって発電するようになっており、図１には示されていないが軽油等を貯蔵する燃料タンクも第３の車両７に設けられている。発電機１７によって発電された電力は多関節ロボットアーム１０、ミキサ１４等に供給されるようになっている。

本実施の形態に係る建築用３Ｄプリンタ１はこのように第１〜３の車両５、６、７から構成されているので、外部から材料や電力の供給を受ける必要がなく、軌道３上を所望の位置に走行して、構築物を構築できるようになっている。なお、多関節ロボットアーム１０、ミキサ１４、発電機１７等を制御するコントローラは、第１〜３の車両５、６、７のいずれかに１台設けられていてもよいし、車両毎に設けられていてもよい。

本実施の形態に係る構造物構築用の３Ｄプリンタ１は色々な変形が可能である。例えば、第１〜３の車両５、６、７において無限軌道５ａ、６ａ、７ａの代わりに道路走行用の車輪を設けてもよい。図２には、他の実施の形態に係る構造物構築用の３Ｄプリンタ１’が示されているが、第１〜３の車両５、６、７には、それぞれ軌道３上を走行するための軌道用車輪５ｂ、５ｂ、６ｂ、６ｂ、７ｂ、７ｂは設けられているが、無限軌道等の路面走行手段は設けられていない。このように、３Ｄプリンタ１’を軌道３上でのみ使用できるように構成することもできる。他の変形も可能であり、第１の車両５のみを軌陸車から構成し、第２、３の車両６、７を図２に示されているような軌道３上でのみ使用できる車両から構成してもよい。さらに他の変形も可能である。例えば第２、３の車両６、７は必ずしも必須ではない。サイロ１３、ミキサ１４、発電機１７は第１の車両５にまとめて搭載するようにしてもよい。あるいは、サイロ１３、ミキサ１４、発電機１７は地面に設置しておき、所定の供給管と電力線によって第１の車両５に水硬化性硬化体と電力とを供給するようにしてもよい。

１ 構造物構築用の３Ｄプリンタ
３ 軌道
５ 第１の車両
５ａ 無限軌道
５ｂ 軌道用車輪
６ 第２の車両
６ａ 無限軌道
６ｂ 軌道用車輪
７ 第３の車両
７ａ 無限軌道
７ｂ 軌道用車輪
１０ 多関節ロボットアーム
１１ ノズル部
１３ サイロ
１４ ミキサ
１５ 供給管
１７ 発電機

Claims (4)

1. 第１の車両と、該第１の車両に設けられている多関節ロボットアームと、該多関節ロボットアームの先端に設けられているノズル部とからなり、前記多関節ロボットにより駆動される前記ノズル部から水硬化性硬化体が押し出され建築物等の構造物を構築するようになっている３Ｄプリンタであって、
   前記第１の車両は地面に敷設されている軌道上を走行するようになっていることを特徴とする構造物構築用の３Ｄプリンタ。
2. 請求項１に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記第１の車両は前記軌道を走行するための軌道用車輪と前記軌道以外の路面を走行するための路面走行手段とを備え、前記軌道用車輪と前記路面走行手段とが切り換え可能になっている軌陸車であることを特徴とする構造物建築用の３Ｄプリンタ。
3. 請求項１または２に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記軌道上には前記第１の車両に付随して走行する第２の車両が設けられ、前記第２の車両には前記第１の車両に供給する水硬化性硬化体を混練するミキサと、該ミキサに水硬化性硬化体の材料を供給するサイロとが設けられていることを特徴とする構造物構築用の３Ｄプリンタ。
4. 請求項１〜３のいずれかの項に記載の３Ｄプリンタにおいて、前記軌道上には前記第１の車両に付随して走行する第３の車両が設けられ、前記第３の車両には前記第１の車両に電力を供給する発電機が設けられていることを特徴とする構造物構築用の３Ｄプリンタ。

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