JP7130978B2 - 構造物形成方法及び構造物形成システム - Google Patents

Description

本発明は、セメント系材料等で構成される造形材を積層して構造物を形成する構造物形成方法及び構造物形成システムに関する。

立体の構造物を形成する場合、３次元（３Ｄ）プリンターを利用することがある。この３Ｄプリンターは、ノズルから材料を吐出させながらノズルを移動させて層を形成し、形成した層を徐々に積み重ねることにより立体形状を形成する。更に、各層の形状を変更することにより、複雑な立体形状を形成することもできる。

このような３Ｄプリンターによるコンクリート構造物の設計も検討されている（例えば、非特許文献１参照。）。この非特許文献１においては、セメント系材料で構成されたインクをノズルから吐出して、このノズルを取り付けたロボットアームを所定の方向に動かして層を形成し、この層を積み重ねて、構造物を形成する。

大林組、「特殊なセメント系材料を用いた３Ｄプリンターを開発」、［online］、［平成３０年１月３１日検索］、インターネット< http://www.obayashi.co.jp/press/news20171013_1>

コンクリート等のセメント系材料は、高い圧縮強度を有するが、引張強度は低い。このため、３Ｄプリンターを用いてセメント系材料で形成したコンクリート構造物について、高い引張強度を有する構造が求められていた。

上記課題を解決する構造物形成方法は、３Ｄプリンタのノズルから吐出可能な流動性と積層可能な固さとを有する造形材を、前記ノズルから吐出させながら前記ノズルを水平方向に移動させた後で、前記ノズルの高さ位置を、順次、高くして、前記造形材からなる各層を積み上げることにより構造物を形成する方法であって、複数の孔が形成された外側に露出する第１面を有し、前記造形材よりも高い引張強度を有する材料で構成され、前記吐出された造形材が前記第１面側から孔に流入して内部で留まる長さを有した板状部材の複数を一方向に整列して連結して構成される骨格部を、前記板状部材が鉛直方向に延在するように配置し、前記板状部材の面と直交する前記水平方向に移動するノズルから吐出された前記造形材を、前記孔を通過して前記骨格部内に押し込まれて前記内部で留まるように吐出しながら、前記骨格部の側方で前記ノズルを移動させる。

本発明によれば、ノズルから吐出させた造形材を積層して、高い引張強度を有する構造物を形成することができる。

実施形態における構造物形成システムを説明する全体の概念図。 実施形態におけるブロックの構成を説明する要部の正面図。 実施形態における構造物形成方法の説明図であって、（ａ）は最下層を形成した状態、（ｂ）は２層目を形成した状態、（ｃ）は最上層まで形成した状態を示す。 変更例を説明する図であって、（ａ）はブロックの両面からモルタルを吐出する場合、（ｂ）はブロックの裏面までモルタルが吐出した場合、（ｃ）は２つの板を備えたブロックを示す。

以下、図１～図３を用いて、構造物形成方法及び構造物形成システムを具体化した一実施形態を説明する。本実施形態では、高い圧縮強度を有する構造物を形成する造形材として、セメント系材料のモルタルを用いる。そして、このモルタルを吐出するノズルを、高い引張強度を有する材料（例えばカーボンファイバー）で構成される骨格部（ブロック）に沿って移動させて形成した層を積み重ねることにより構造物を形成する。

図１に示すように、本実施形態の構造物形成システム１０は、ノズル２０、ロボットアーム２５、側面部材２７及び制御装置３０を備えている。
ノズル２０は、その先端部（図中の左側端部）が縮径し、その先端が開口した吐出口２０ａを有している。ノズル２０の吐出口２０ａと反対側の端部には、ホース２１の端部が接続されている。ホース２１は、圧送ポンプ（図示せず）に接続されている。この圧送ポンプの圧力により、ホース２１を介してノズル２０に、モルタルが供給される。そして、ノズル２０に供給されたモルタルは、吐出口２０ａから（水平方向に）吐出される。

ノズル２０には、取付部２４を介して、移動手段としてのロボットアーム２５が取り付けられている。ノズル２０は、このロボットアーム２５に支持され、このロボットアーム２５の動きに従って水平方向や上下方向に移動する。ロボットアーム２５は、制御装置３０の制御部３１からの指示によって移動が制御される。本実施形態の制御部３１は、移動時においてもノズル２０からのモルタルの吐出方向が常に水平方向になるように、ロボットアーム２５を制御する。

更に、ノズル２０の側部には、ノズル２０の中心軸と平行となるように、側面部材２７が取り付けられる。側面部材２７は、ノズル２０から吐出されるモルタルに当接する長さを有し、吐出されたモルタルの側面（本実施形態では上面）を平坦にする。

制御装置３０は、制御部３１、図示しない入力部及び出力部を備えている。入力部は、キーボードやポインティングデバイス等を備え、形成する構造物に関する情報を制御部３１に供給する。出力部は、ディスプレイ等を備え、入力された情報や形成する構造物の経路等を表示する。

制御部３１は、制御手段（ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等）を備え、構造物形成処理を行なう。そのため、記憶部に格納された構造物形成プログラムを実行することにより、制御部３１は、積層管理部３１１、移動制御部３１２及び吐出量制御部３１３として機能する。

積層管理部３１１は、構造物を形成するために、積層させるモルタルの経路を管理する処理を実行する。
移動制御部３１２は、経路に応じてノズル２０を移動させるロボットアーム２５の動きを制御する処理を実行する。
吐出量制御部３１３は、ノズル２０から吐出するモルタルを圧送するポンプを制御する処理を実行する。

次に、図１～図３を用いて、ノズル２０による構造物形成時に用いるブロック５０について説明する。このブロック５０は、構造物の一端部を構成し、構造物形成後に、片面がモルタルに埋め込まれる。本実施形態では、構造物として、鉛直方向に立設された長方形状の壁を形成する場合を想定する。この場合、構造物の鉛直方向の縦断面形状に対応させた形状（直方体形状）のブロックを用いる。

図１に示す直方体形状のブロック５０は、カーボンファイバーなどの引張強度が高い材料で構成されている。ブロック５０は、複数の板状部材５１と複数の柱状部材５２，５３とから構成される。本実施形態では、同じ長方形状の板状部材５１を、一定間隔で配置する。柱状部材５２，５３は、角柱形状であり、隣接する板状部材５１を連結するように配置される。ここで、柱状部材５２は、ブロック５０において表面（モルタルを積層する面）近傍に配置され、後述する孔ｈ１を形成する孔形成部材として機能する。また、柱状部材５３は、柱状部材５２と同じ形状であり、柱状部材５２よりもブロック５０の内部側（奥側）に配置される。

更に、図２に示すように、複数の柱状部材５２，５３は、板状部材５１の配置方向において、一直線上となるように配置されている。このため、ブロック５０の表面には、隣接する板状部材５１と上下の柱状部材５２とが正面視で格子形状が形成されて、孔ｈ１が形成される。

図３に示すように、各柱状部材５２，５３は、板状部材５１の長辺方向及び短辺方向に、間隔を置いて、整列して配置される。更に、柱状部材５２は、ノズル２０から吐出された１層分のモルタルが上下段の２つの孔ｈ１に押し込まれるような間隔で配置される。柱状部材５２の上下に配置された孔ｈ１は、ブロック５０の内部において連通する。
また、本実施形態の板状部材５１の幅（短手方向の長さ）は、ブロック５０の内でモルタルが留まる長さを用いる。

＜構造物形成方法＞
次に、図１～図３を用いて、構造物形成システム１０を用いた構造物形成方法（作用）について説明する。

図１に示すように、板状部材５１が垂直方向になるようにブロック５０を立設させる。
そして、制御部３１の積層管理部３１１は、立設させたブロック５０の位置を取得する。具体的には、積層管理部３１１に、ブロック５０の端部の座標と、ブロック５０の形状及び寸法（横幅及び高さ）に関する情報とを、入力する。積層管理部３１１は、入力されたブロック５０の端部の座標を吐出開始位置と特定し、ブロック５０の形状及び寸法に応じてノズル２０の移動経路を特定する。ここでは、ブロック５０の形状及び寸法に基づいて、ブロック５０の吐出表面（板状部材５１と直交する垂直面）全体に対してモルタルを吐出する移動経路を特定する。具体的には、ブロック５０に対してノズル２０を水平方向に同じ高さで移動させた後、１段上方に移動させ、この高さで、ノズル２０を水平方向に移動させることを繰り返す移動経路を特定する。

そして、制御部３１の積層管理部３１１は、ロボットアーム２５を制御して、ノズル２０を吐出開始位置に移動させる。例えば、吐出開始位置として、ブロック５０の吐出表面の一方側（図３（ａ）の右側）で、ブロック５０の下層の端部に移動させる。この場合、積層管理部３１１は、ブロック５０に所定距離だけ離間させてノズルの吐出口２０ａを対向させ、ノズル２０の側面部材２７が上側で水平となるように、ロボットアーム２５の姿勢を制御する。

そして、制御部３１の移動制御部３１２は、吐出開始位置から、移動経路に沿ってノズル２０を移動させる。この場合、制御部３１の吐出量制御部３１３は、ノズル２０の移動速度に応じた吐出量で、ノズル２０にモルタルを供給する。そして、ノズル２０からモルタルを吐出させながら、吐出開始位置からブロック５０の終端部までノズル２０を移動させることにより、モルタルの最下層Ｌ１を生成する。

この場合、図３（ａ）に示すように、ノズル２０から吐出された最下層Ｌ１のモルタルは、ブロック５０の孔ｈ１に押し込まれる。そして、このモルタルは、柱状部材５２の後ろ側に回り込み、係止部ａ１，ａ２を形成する。係止部ａ１は、柱状部材５２の上側から後ろに回り込み、係止部ａ２は、下側から回り込んで形成される。そして、これら係止部ａ１，ａ２は、柱状部材５２の裏面（ノズル２０側とは反対側の面）に接触し、一体化される。また、板状部材５１に押し込まれたモルタルは、裏面の柱状部材５２の近傍で、ブロック５０の内部で留まる長さを有する。
更に、図１に示すように、ノズル２０の移動に伴って、ノズル２０の側面部材２７は、モルタルの最下層Ｌ１の上面を平坦にする。

そして、最下層Ｌ１の生成が終了した後、この最下層Ｌ１に積み重なる新たな層Ｌ２を形成する。具体的には、ノズル２０の吐出口２０ａをブロック５０の表面に対向させた状態で、最下層Ｌ１の上に新たなモルタル層を積むように、ノズル２０を上方に移動させる。そして、ノズル２０の吐出口２０ａからモルタルを吐出させながら、移動経路に沿ってブロック５０の終端部までノズル２０を移動させて、新たな層Ｌ２を形成する。

この場合、図３（ｂ）に示すように、新たな層Ｌ２を形成するモルタルも、柱状部材５２の後ろ側に回り込み、係止部ａ１，ａ２を形成する。この層Ｌ２の最下部の係止部ａ１は、最下層Ｌ１の上の係止部ａ２と一体化される。そして、層Ｌ２が完成した場合には、この層Ｌ２の上に、同様にして、新たな層を形成する。

図３（ｃ）に示すように、以上のことを繰り返して、ブロック５０の上端部までモルタルを吐出させて、モルタルを積層させる。これにより、モルタルの端部にブロック５０を配置した壁（構造物）が完成する。

以上、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、ブロック５０にノズル２０の吐出口２０ａを対向させ、この吐出口２０ａからモルタルを吐出させながらノズル２０を移動させて、ブロック５０の孔ｈ１にモルタルを押し込んで、モルタルを積層させる。これにより、モルタルが、高い引張強度を有するブロック５０に一体化されて、引張力に強い壁（構造物）を形成することができる。

（２）本実施形態では、ブロック５０は、吐出したモルタルが内部に留まる幅を有する。これにより、形成した壁の端部はブロック５０と構成されるため、モルタルの積層痕を目立たなくすることができる。

（３）本実施形態では、ブロック５０の孔ｈ１は、柱状部材５２を用いて形成される。柱状部材５２の上下に配置された孔ｈ１は、ブロック５０の内部において連通される。この場合、孔ｈ１に押し込まれたモルタルが、柱状部材５２の後ろ側に回り込んで係止部ａ１，ａ２を形成する。そして、この係止部ａ１，ａ２が後ろ側から柱状部材５２に係合する。これにより、ブロック５０の柱状部材５２にモルタルが係止されるので、モルタルとブロック５０とを強固に一体化させることができる。

（４）本実施形態では、板状部材５１が垂直方向になるように配置したブロック５０に対して、水平方向からモルタルを吐出する。これにより、構造物の自重等により強い引張力が加わる鉛直方向に板状部材５１が配置されて、引張力に強い構造にすることができる。

（５）本実施形態では、ノズル２０には、側面部材２７が設けられている。これにより、ノズル２０から吐出したモルタルの上面を平坦にするとともに、モルタルの上方への逃げを抑止し、孔ｈ１にモルタルをスムーズに押し込むことができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態においては、ブロック５０の一方の表面側からモルタルを吐出した。モルタルを吐出する表面は、ブロックの片面だけに限らず、両面でもよい。

具体的には、図４（ａ）に示すように、ブロック５０よりも幅のあるブロック５５の一方の表面（図の右側の面）に、上述した実施形態の方法で、モルタルを積層した後、この反対側の面（裏面）に、ノズル２０を配置する。そして、この裏面においても、ノズル２０の吐出口２０ａをブロック５０に向けた状態で、ブロック５５の最下部の角からノズル２０を移動させる。そして、制御部３１は、ロボットアーム２５を制御してノズル２０を移動させながら、ノズル２０の移動速度に応じた吐出量で、ノズル２０にモルタルを供給して、裏面に最下層Ｌ３を形成する。

この場合、最下層Ｌ３のモルタルは、反対側の最下層Ｌ１と一体化する。そして、裏面の最下層Ｌ３が形成された後には、表面においてモルタルを吐出した場合と同様に、最下層Ｌ３の上に新たな層を順次、形成する。
これにより、モルタルの内部にブロック５０を埋設して、引張力に強い構造物を形成することができる。

・上記実施形態においては、ノズル２０から吐出したモルタルがブロック５０の内部に留まり、裏面に吐出しない幅を有するブロック５０を用いた。ブロックの大きさは、これに限られない。例えば、図４（ｂ）に示すように、上記実施形態のブロック５０の短手方向の長さを短くしたブロック５６を用いてもよい。このブロック５６は、一方の表面から吐出されたモルタルが裏面まで到達する幅を有する。

・上記実施形態においては、ノズル２０を水平方向に延在させて、ブロック５０の側面に対してモルタルを水平方向に吐出した。モルタルを吐出する方向は、水平方向に限られない。例えば、ブロック５０の側面を上面とした状態で配置し、このブロック５０の上方にノズル２０を配置し、吐出口２０ａから下方のブロック５０に向けてモルタルを吐出してもよい。

・上記実施形態においては、複数の板状部材５１と複数の柱状部材５２，５３とを有するブロック５０を、造形材を吐出する骨格部として用いた。骨格部の構成は、これに限られず、全て柱状部材で構成した骨格部でもよい。この場合には、ブロックの表面の孔が、ブロックの中心側において、柱状部材の上下方向だけでなく、左右方向においても連通する。これにより、モルタルを、ブロックと更に一体化することができる。また、複数の板状部材５１を交差させるように組み合わせてブロックを構成してもよい。

更に、構造物に用いる骨格部を、上述した構造物形成システム１０を用いて予め形成してもよい。具体的には、構造物形成システム１０のノズル２０に、モルタルの代わりに、造形材よりも高い引張強度の骨格部を構成する材料を供給する。そして、ノズル２０の吐出口２０ａから、骨格部を構成する材料を吐出しながらノズル２０を移動させて、骨格部を形成する。

また、ブロック５０の代わりに、複数の孔が形成された薄板を骨格部として用いてもよい。更に、図４（ｃ）に示すように、複数の板６１を柱状部材６２で連結した部材６０を用いてもよい。この場合、板６１には、複数の孔ｈ２が形成した金属板で構成してもよい。そして、板６１が孔形成部材として機能する。更に、構造物の部分に応じて孔の大きさを変更してもよい。この場合には、部分毎に、必要な引張力を算出し、この引張力に応じた大きさの孔を用いる。また、表面に形成される孔と、裏面に形成される孔の大きさを変更してもよい。例えば、表面側の外形状と裏面側の外形状とが異なる場合には、それぞれの外形状に対応させて、必要な引張力に応じた大きさの孔を用いる。

・上記実施形態のブロック５０は、直方体形状としたが、形成する構造物の形状に応じた形状であればよい。例えば、円筒形状の構造物を形成する場合には、この形状に応じて円弧形状のブロックを用いる。

・上記実施形態においては、骨格部としてのブロック５０をカーボンファイバーで構成した。骨格部は、骨格部は、引張力に強い材料で構成されれば、カーボンファイバーで構成される場合に限られず、例えば金属により構成してもよい。また、上記実施形態においては、造形材としてモルタルを用いた。造形材は、高い圧縮強度を有する構造物を構成する材料であって、ノズルから吐出して積層可能な材料であればよく、例えば、流動状態の石膏であってもよい。

ａ１，ａ２…係止部、ｈ１，ｈ２…孔、Ｌ１，Ｌ３…最下層、Ｌ２…層、１０…構造物形成システム、２０…ノズル、２０ａ…吐出口、２１…ホース、２４…取付部、２５…ロボットアーム、２７…側面部材、３０…制御装置、３１…制御部、５０，５５，５６…ブロック、５１…板状部材、５２，５３，６２…柱状部材、６０…部材、６１…板、３１１…積層管理部、３１２…移動制御部、３１３…吐出量制御部。

Claims (4)

1. ３Ｄプリンタのノズルから吐出可能な流動性と積層可能な固さとを有する造形材であってモルタル又は石膏である造形材を、前記ノズルから吐出させながら前記ノズルを水平方向に移動させた後で、前記ノズルの高さ位置を、順次、高くして、前記造形材からなる各層を積み上げることにより構造物を形成する方法であって、
   骨格部は、
   複数の孔が形成された外側に露出する第１面を有し、
   前記造形材よりも高い引張強度を有する材料で構成され、
   前記吐出された造形材が第１面側から孔に流入して内部で留まる長さを有した板状部材の複数を一方向に整列して連結して構成され、
   前記骨格部を、前記板状部材が鉛直方向に延在するように配置し、
   前記板状部材の面と直交する前記水平方向に移動するノズルから吐出された前記造形材を、前記孔を通過して前記骨格部内に押し込まれて前記内部で留まるように吐出しながら、前記骨格部の側方で前記ノズルを移動させることを特徴とする構造物形成方法。
2. 前記骨格部には、前記孔を形成する複数の孔形成部材が離間して設けられており、
   前記孔形成部材によって区画された複数の孔を、前記骨格部の内部で連通させたことを特徴とする請求項１に記載の構造物形成方法。
3. 前記骨格部は、前記第１面とは異なる外側に露出し複数の孔を有する第２面を有し、
   更に、前記板状部材の面と直交する前記水平方向に移動するノズルから吐出された前記造形材を、前記第２面の孔から通過して前記骨格部の内部で留まるように吐出しながら、前記第２面の側方で前記ノズルを移動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物形成方法。
4. ３Ｄプリンタのノズルから吐出可能な流動性と積層可能な固さとを有する造形材であってモルタル又は石膏である造形材を吐出するノズルを移動させる移動手段と、
   前記移動手段の移動制御及び前記ノズルからの前記造形材の吐出制御を行なう制御部とを備え、
   前記造形材を前記ノズルから吐出させながら前記ノズルを水平方向に移動させた後で、前記ノズルの高さ位置を、順次、高くして、前記造形材からなる各層を積み上げることにより積層して構造物を形成する構造物形成システムであって、
   前記構造物は、骨格部を備え、
   前記骨格部は、
   複数の孔が形成された外側に露出する第１面を有し、
   前記造形材よりも高い引張強度を有する材料で構成され、
   前記吐出された造形材が前記第１面側から孔に流入して内部で留まる長さを有した板状部材の複数を一方向に整列して連結して構成され、
   前記制御部は、前記板状部材の面と直交する前記水平方向に移動するノズルから吐出された前記造形材を、前記板状部材が鉛直方向に延在するように配置した前記骨格部の前記孔を通過して前記骨格部内に押し込まれて前記内部で留まるように吐出しながら、前記骨格部の側方で前記ノズルを移動させることを特徴とする構造物形成システム。

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