JP2024053973A - 建築用３ｄプリンタシステム - Google Patents

Abstract

【課題】鉄筋が入っても使用可能な建築用３Ｄプリンタシステムを得る。【解決手段】材料を噴出する噴出装置を３次元に移動させながら鉄筋構造物を生成する建築用３Ｄプリンタシステムである。そして、建物の３次元ＣＡＤデータを生成するＣＡＤ部と、鉄筋を挟むような型枠を積層するＮＣデータを生成するＣＡＭ部とを備え、前記型枠の間に材料を充填し鉄筋構造物を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、建築用３Ｄプリンタシステムに関する。

近年、３Ｄプリンタが実用化されており、小さな製品だけではなく、建築構造物の構築に応用する技術が種々提案されている。

例えば、特許文献１に記載された技術では、３Ｄプリンタで形成した構造に、後から鉄筋を挿入する作業が必要であるため、効率が悪いことを解消するための技術が開示されている。

すなわち、第１組成の第１モルタルを、孔部を区画しながら積層させることにより、外形を形成し、前記孔部に、第１組成とは異なる第２組成の第２モルタルを注入する。これによって、引張強度を有する構造物を、効率的に形成することができるとしている。

特開２０２０－２６６８６号公報

しかしながら、特許文献１は、モルタルによって形成される構造物と言っても、この構造物は外壁等であり、住宅のような大型の鉄筋が入る構造物に適用させたものではない。

また、住宅というのは、複雑な建物のものを要望するクライアントもいる。しかしながら特許文献１は、簡単な構造物用であるので、鉄筋が入った複雑な形状のものを作成するのに適してはいない。

本発明は、鉄筋が入る大型や複雑な構造の住宅を容易に低コストで形成することができる建築用３Ｄプリンタシステムを得ることを目的とする。

本発明は以上の問題に鑑みてなされたもので、請求項１に係る発明は、材料を噴出する噴出装置を３次元に移動させながら鉄筋構造物を生成する建築用３Ｄプリンタシステムであって、建物の３次元ＣＡＤデータを生成するＣＡＤ部と、鉄筋を挟むような型枠を積層するＮＣデータを生成するＣＡＭ部とを備え、前記型枠の間に材料を充填し鉄筋構造物を生成することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記建築用３Ｄプリンタシステムは３Ｄ駆動立体枠装置を備え、当該３Ｄ駆動立体枠装置は、複数本の起立した土台柱と、複数本の起立した土台柱の上端に設けられた多角枠体と、Ｘ軸方向に延伸したＸ軸ガイドレール上を移動するＸ軸キャリッジと、Ｙ軸方向に延伸したＹ軸ガイドレール上を移動するＹ軸キャリッジと、Ｚ軸方向に延伸したＺ軸ガイドレール上を移動するＺ軸キャリッジとを備え、前記噴出装置を３次元空間内に移動及び位置決め自在なことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記ＣＡＤ部は３次元ＣＡＤデータから鉄筋データを抽出する鉄筋データ抽出部を備え、前記ＣＡＭ部は、前記ＮＣデータを鉄筋が入る部分のＮＣデータと、鉄筋が入らない部分のＮＣデータに分類することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記建築用３ＤプリンタシステムはＮＣ制御部を備え、当該ＮＣ制御部は、前記噴出装置の移動速度、及び前記噴出装置から噴出する材料の量を制御することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、前記材料は所定量の原材料と所定量のセメント４５とをミキサーでミキシングしたモルタルであることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、前記材料は外形が１ｍｍ～３０ｍｍまでの骨材を含むことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、前記噴出装置から噴出する材料は幅が４０ｍｍ～１５０ｍｍであることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、前記型枠は厚さが５０ｍｍ～１００ｍｍであることを特徴とする。

以上のように本発明によれば、鉄筋が入る大型や複雑な構造の住宅を容易に低コストで得ることができる。

本実施の形態の建築用３Ｄプリンタシステムの概略構成図である。 ３Ｄ駆動立体枠装置の構成図である。 ＣＡＤ／ＣＡＭ部のブロック図である。 建築用３Ｄプリンタシステムの動作を説明するフローチャートである。 鉄筋が入った建築設計図を説明する説明図である。 鉄筋が入った構造物の形成方法を説明する説明図（１）である。 鉄筋が入った構造物の形成方法を説明する説明図（２）である。 鉄筋が入った構造物の形成方法を説明する説明図（３）である。 吐出装置の吐出口幅と型枠との幅を説明する説明図である。 鉄筋が入らない構造物の形成方法を説明する説明図である。 本実施の形態で得られる建築物の説明図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本例でＸ軸方向という場合は３Ｄ駆動立体枠装置１００を正面からみての左右方向をいう。Ｚ軸方向という場合も正面からみて上下方向とする。Ｙ軸方向も正面からみて前後方向であり、必要に応じて座標で示してある。また、本例では既に公知である技術は説明を省略する。

以下に本実施の形態の建築用３Ｄプリンタシステム１０について説明する。

図１は本実施の形態の建築用３Ｄプリンタシステム１０の概略構成図である。

本実施の形態の建築用３Ｄプリンタシステム１０は、事務所又は会社のＣＡＤ部２０と、現場側のＣＡＭ部５０と、３Ｄ駆動立体枠装置１００等で構成されたシステムである。ＣＡＤ部２０と、ＣＡＭ部５０とを総称して本実施の形態ではＣＡＤ／ＣＡＭ部１５と称する。

ＣＡＤ／ＣＡＭ部１５はコンピュータよりなるものであって、ＣＰＵ（Central ProcessingUnit）と、ＣＰＵ上で動作する制御プログラム等を格納したＲＯＭ（Read- only Memory）と、各種データを一時的に格納するためのＲＡＭ（Random access memory）（何れも不図示）を備えて構成されている。

鉄筋建築構造物１６０を構築するための、所定の原材料３０と所定量のセメント４５とをミキサー４０でミキシングしたモルタルを生成してこれをタンク１５０に蓄積する。このモルタルは外形が１ｍｍ～３０ｍｍまでの骨材を含んでもよい。

３Ｄ駆動立体枠装置１００側には、ＮＣ制御装置１７０が設けられている。このＮＣ制御装置１７０は、ＣＡＭ部５０からのＮＣデータに基づく噴出装置１２０に対する制御データを生成して、３Ｄ駆動立体枠装置１００のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を駆動するサーボモータを制御するように構成されている。さらに、噴出装置１２０の移動速度、及び噴出装置１２０から噴出する材料（モルタル等）の量を制御する。ＮＣ制御装置１７０は、コンピュータよりなるものであって、ＣＰＵと、ＣＰＵ上で動作する制御プログラム等を格納したＲＯＭと、各種データを一時的に格納するためのＲＡＭ（何れも不図示）を備えて構成されているものである。

前述の３Ｄ駆動立体枠装置１００は、図１に示すように、鉄筋建築構造物１６０を構築するエリアに構築されている。例えば、組み立て式であってよい。これにより、搬送が簡単になり建築物の製作コストも削減される。

以上のように、本システムの概要は、鉄筋建築構造物１６０を構築するエリアに構築され、材料（モルタル等）の噴出装置１２０を３次元的に移動させながら鉄筋構造物１６０を構築するレール付きの３Ｄ駆動立体枠装置１００と、鉄筋構造物１６０の設計図を生成すると共に、この設計図に基づくＮＣデータを３Ｄ駆動立体枠装置１００に送信するＣＡＤ／ＣＡＭ部１５とを備えた建築用３Ｄプリンタシステム１０である。なお、３Ｄ駆動立体枠装置１００はレールの上に設置されるので一旦設置してからでも、微調整でき、正確な建築構造物を製作することが可能となる。

ＣＡＤ／ＣＡＭ部１５は、設計図を記憶した記憶部と、設計図にコーナ部分が存在するかどうかを判定し、コーナ部分が存在しない場合は、その箇所の材料（モルタル等）の噴出装置１２０がレール上を直線的に搬送させるＮＣデータを順次、３Ｄ駆動立体枠装置１００に送信し、コーナ部分が存在する場合は、材料（モルタル等）の噴出装置１２０がそのコーナの曲線Ｒでレールを搬送させるＮＣデータを３Ｄ駆動立体枠装置１００に送信する。ＮＣデータを受信した３Ｄ駆動立体枠装置１００は材料（モルタル等）を所定場所に積層しながら建築構造物を製作する。

図２を参照する。この３Ｄ駆動立体枠装置１００は、土台柱（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ）の上に四角枠体１０５を設け、地面には基礎が設けられている。各々の土台柱は基礎のレール上を移動できるように構成されている。

建築用３Ｄプリンタシステム１０は３Ｄ駆動立体枠装置１００を備え、当該３Ｄ駆動立体枠装置１００は、複数本の起立した土台柱と、複数本の起立した土台柱の上端に設けられた多角枠体と、Ｘ軸方向に延伸したＸ軸ガイドレール上を移動するＸ軸キャリッジと、Ｙ軸方向に延伸したＹ軸ガイドレール上を移動するＹ軸キャリッジと、Ｚ軸方向に延伸したＺ軸ガイドレール上を移動するＺ軸キャリッジとを備え、噴出装置１２０を３次元空間内に移動及び位置決め自在である。

詳しく説明する。３Ｄ駆動立体枠装置１００は、４本の土台柱（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ）を備える。土台柱（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ）は方形の隅に垂直に配置される。この土台柱（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ）の上端には四角（方形）枠体１０５が設置されている。

また、土台柱１００ａと土台柱１００ｃの間にはＹ軸ガイドレール１００ｅが備えられている。土台柱１００ｂと土台柱１００ｄの間にはＹ軸ガイドレール１００ｆが備えられている。このガイドレール１００ｅとガイドレール１００ｆはＺ軸キャレッジとして機能する。すなわち、Ｙ軸ガイドレール１００ｅとＹ軸ガイドレール１００ｆはＺ軸方向に移動及び停止可能に構成されている。

Ｙ軸ガイドレール１００ｅと、Ｙ軸ガイドレール１００ｆの間にはＸ軸ガイドレール１００ｇが備えられている。

４本の土台柱（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ）には溝型のＺ軸ガイドレールが形成されている（不図示）。この溝型にガイドされて、Ｙ軸ガイドレール１００ｅとＹ軸ガイドレール１００ｆはＺ方向に移動及び停止可能に構成されている。

Ｘ軸キャリッジ１００ｊはＸ軸ガイドレール１００ｇに沿ってＸ軸方向に移動及び停止が可能である。Ｙ軸キャリッジ１００ｈは、Ｙ軸ガイドレールに沿ってＹ軸方向に移動及び停止が可能である。さらに、Ｚ軸キャレッジ１００ｉ（このＹ軸ガイドレール１００ｅとＹ軸ガイドレール１００ｆ）は土台柱（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ）に形成された溝型のガイドレールに沿ってＺ軸方向に移動及び停止可能に構成されている。

Ｘ軸キャリッジ１００ｊには、材料（モルタル等）の噴出装置１２０が備えられている。この、噴出装置１２０は移動しながら材料（モルタル等）を噴出し、積層して建築構造物を作製する。

材料（モルタル等）の噴出装置１２０は、タンク１５０に連結されたパイプ１４０に連結されている。タンク１５０には、材料排出装置（不図示）が備えられて、排出力を自在に調整できるように構成されている。

鉄筋構造物１６０を構築するための、所定の原材料３０と所定量のセメント４５とをミキサー４０でミキシングしたモルタルを生成してこれをタンク１５０に蓄積しておく。このコンクリートには外形が１ｍｍ～３０ｍｍまでの骨材を含んでもよい。

図３を参照する。ＣＡＤ／ＣＡＭ部１５は、ＣＡＤ部２０と、３次元ＣＡＤデータメモリ２１と、鉄筋データ抽出部２２と、鉄筋データメモリ２３と、建築図面データメモリ２４を備えている。

さらに、ＣＡＤ／ＣＡＭ部１５は、ＣＡＭ部５０と、ＮＣデータメモリ５１とを備えている。ここで、ＣＡＤ部２０と、ＣＡＭ部５０とは、設計側と現場側の離れた位置に配置され回線で接続されているが、同一のコンピュータ内にＣＡＤ機能とＣＡＭ機能を持たせてもよい。

ＣＡＤ部２０は、家屋等の鉄筋構造物の３次元ＣＡＤデータを生成する。この３次元ＣＡＤデータには鉄筋データも含まれている。すなわち、設計図面には、例えば、壁のデータだけではなく、この壁に鉄筋が入る場合には壁のデータと鉄筋データとが合体したデータとして保存されている。

３次元ＣＡＤデータメモリ２１には、設計された鉄筋建築構造物の３次元ＣＡＤデータが保存される。ここでの、３次元ＣＡＤデータは中身が定義されたソリッドモデルとして記憶されている。

鉄筋データ抽出部２２は、３次元ＣＡＤデータを３次元ＣＡＤデータメモリ２１から読込み、構造物に鉄筋が入る範囲を特定する。これにより、どの範囲に型枠を形成するのか、どの範囲は型枠が不要なのかを識別することが可能となる。

鉄筋が入る範囲を鉄筋データとして鉄筋データメモリ２３に記憶する。また、鉄筋が入らない範囲を建築図面データとして、建築図面データメモリ２４に記憶する。

ＣＡＭ部５０は、鉄筋データメモリ２３及び建築図面データメモリ２４から、鉄筋データと建築図面データを読み込みＮＣデータを生成しＮＣデータメモリ５１に記憶する。ＮＣデータは鉄筋が入る部分のＮＣデータと、鉄筋が入らない部分のＮＣデータに分類されている。

ＮＣ制御装置１７０は、ＮＣデータメモリ５１より、ＮＣデータを読み込み、３Ｄ駆動立体枠装置１００を制御して、建築構造物を作製する。

図４を参照する。建築用３Ｄプリンタ１０の動作を示すフローチャート等を用いて説明する。ここでは、実際の鉄筋建築構造物を作製する部分を中心に説明する。

初めに、ステップＳ０１では、ＣＡＭ部５０がＮＣデータを生成しＮＣデータメモリ５１に記憶する。ここでＮＣデータは鉄筋有り用と鉄筋無し用に分類されている。

ステップＳ０３では、ＮＣ制御装置１７０が、ＮＣデータメモリ５１よりＮＣデータを読み込む。ここでは、１ステップ（１処理単位）毎に読み込みこむものとする。

ステップＳ０５では、ＮＣ制御装置１７０が、ＮＣデータメモリ５１より読み込んだＮＣデータを分類する。ＮＣデータは鉄筋が入る部分のＮＣデータと、鉄筋が入らない部分のＮＣデータに分かれている。

図５を参照する。建築物のＺ軸方向から見た図面である。鉄筋構造物Ｓが建築構造物の周りに複数存在し、それ以外の内部の複数の構造物は鉄筋が入らない部分である。

ステップＳ０７では、ＮＣ制御装置１７０が、鉄筋有りのＮＣデータか、鉄筋無しのＮＣデータかを判断する。鉄筋有りのＮＣデータの場合に処理はステップＳ０９に進む。鉄筋無しのＮＣデータの場合に処理はステップＳ１３に進む。

ステップＳ０９では、ＮＣデータより鉄筋情報の読込みを行う。ここで、鉄筋情報とは、鉄筋が入る範囲を含み、この範囲に型枠が形成されるようになる。

ステップＳ１１では、鉄筋を挟むように両側に型枠を形成する。そして、処理をステップＳ１５に進める。

図６に示すように、鉄筋Ｓを挟んで、型枠Ｗ１と型枠Ｗ２とが土台Ｂの上に形成される。ここで、図６はＹ軸方向から断面を見たものであり、図面の垂直方向に壁が延伸しているものである。

ステップＳ１３では、通常の構造物（壁等）を形成する。すなわち、鉄筋が入らない型枠がない場合で直接壁が形成される場合である。

図１０に示すように建築物のなかで鉄筋が無い部分の壁Ｗが形成される。

ステップＳ１５では、最後のＮＣデータか否かを判断する。最後のＮＣデータと判断した場合に処理は終了する。最後のＮＣデータではないと判断した場合に処理はステップＳ０３に戻る。

なお、上述では、ＮＣデータを鉄筋有りと鉄筋無しに識別可能にして、鉄筋が入る部分を型枠Ｗ１、Ｗ２を形成するようにしたが、ＣＡＤ部２０で鉄筋有りのときに型枠Ｗ１、Ｗ２を形成するようにＣＡＤデータを予め変換しておいてもよい。

以上により、図５に示す建築構造物の基礎が完成する。

図７を参照する。上述で構築された、鉄筋Ｓを挟むように形成された型枠Ｗ１と型枠Ｗ２の間に、モルタルＫをホース１７から流し込む。

図８に示すように、モルタルＫが型枠Ｗ１と型枠Ｗ２の同じ高さまでになったら完成である。

図９に示すように、噴出装置１２０から噴出する材料は幅ＷＤが４０ｍｍ～１５０ｍｍであってもよい。そして、これに対応して、型枠Ｗ１、Ｗ２は厚さＷＤが５０ｍｍ～１００ｍｍであってもよい。

図１１に示すように、建築物Ｈが完成する。

本発明の建築用３Ｄプリンタシステム１０は、鉄筋が必要な、大型で複雑な建築物に適用できる。

１０ 建築用３Ｄプリンタシステム
１５ ＣＡＤ／ＣＡＭ部
２０ ＣＡＤ部
３０ 原材料
４０ ミキサー
５０ ＣＡＭ部
１００ ３Ｄ駆動立体枠装置
１２０ 噴出装置
１５０ タンク
１６０ 鉄筋建築構造物
１７０ ＮＣ制御装置

Claims (8)

1. 材料を噴出する噴出装置を３次元に移動させながら鉄筋構造物を生成する建築用３Ｄプリンタシステムであって、
   建物の３次元ＣＡＤデータを生成するＣＡＤ部と、
   鉄筋を挟むような型枠を積層するＮＣデータを生成するＣＡＭ部とを備え、
   前記型枠の間に材料を充填し鉄筋構造物を生成することを特徴とする建築用３Ｄプリンタシステム。
2. 前記建築用３Ｄプリンタシステムは３Ｄ駆動立体枠装置を備え、
   当該３Ｄ駆動立体枠装置は、
   複数本の起立した土台柱と、
   複数本の起立した土台柱の上端に設けられた多角枠体と、
   Ｘ軸方向に延伸したＸ軸ガイドレール上を移動するＸ軸キャリッジと、
   Ｙ軸方向に延伸したＹ軸ガイドレール上を移動するＹ軸キャリッジと、
   Ｚ軸方向に延伸したＺ軸ガイドレール上を移動するＺ軸キャリッジとを備え、前記噴出装置を３次元空間内に移動及び位置決め自在なことを特徴とする請求項１記載の建築用３Ｄプリンタシステム。
3. 前記ＣＡＤ部は３次元ＣＡＤデータから鉄筋データを抽出する鉄筋データ抽出部を備え、
   前記ＣＡＭ部は、前記ＮＣデータを鉄筋が入る部分のＮＣデータと、鉄筋が入らない部分のＮＣデータに分類することを特徴とする請求項２記載の建築用３Ｄプリンタシステム。
4. 前記建築用３ＤプリンタシステムはＮＣ制御部を備え、
   当該ＮＣ制御部は、前記噴出装置の移動速度、及び前記噴出装置から噴出する材料の量を制御することを特徴とする請求項３記載の建築用３Ｄプリンタシステム。
5. 前記材料は所定量の原材料と所定量のセメント４５とをミキサーでミキシングしたモルタルであることを特徴とする請求項４記載の建築用３Ｄプリンタシステム。
6. 前記材料は外形が１ｍｍ～３０ｍｍまでの骨材を含むことを特徴とする請求項１記載の建築用３Ｄプリンタシステム。
7. 前記噴出装置から噴出する材料は幅が４０ｍｍ～１５０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の建築用３Ｄプリンタシステム。
8. 前記型枠は厚さが５０ｍｍ～１００ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の建築用３Ｄプリンタシステム。