JP7225327B2 - コンクリート３ｄプリンティング吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート材料の3Dプリンティング（付加製造）のための吐出装置に関するものである。

コンクリート材料は、セメント、水、砂、砂利（砕石）から成り立っている。これらの材料を混ぜ合わせ、型枠に流し込み、さらに振動を与えることで密実なコンクリート構造物ができる。

このようなコンクリート構造物を、付加製造技術を用い製作するには、非特許文献1の付加製造方法で挙げられている材料押出方式が候補になる。ただし、この方法では、材料の粒の細かさが優先され、特許文献１の段落０００５又は特許文献２の段落０００６に記載の方法のように、前記コンクリート材料から砂利を除いた、モルタルが用いられる。

しかし、既存のコンクリート構造物の施工を、付加製造に置き換えるにあたり、強度の観点、材料調達の観点から、砂利を含んだコンクリートが求められると考えられる。

特開２０１７－１８５６４５号公報 特開２０１８－８６７４７号公報

特許庁、「平成25年度特許出願技術動向調査報告書（概要）3Dプリンター」、平成26年3月

セメント系の材料を利用して構造物を付加製造技術で製作する際に、硬化後の強度の観点から、砂利を含んだコンクリートが要求される、という課題がある。

材料調達及び経済性の観点からも、より安価な砂利で満たされるコンクリートが要求される、という課題がある。

また、特許文献１の図１に示すように、吐出した材料が折り曲がると、特にコンクリート材料の場合では、ひび割れが入ってしまう。付加製造では吐出後に振動締め固めをしないので、このひび割れがそのまま残り、構造物の欠陥になってしまう、という課題がある。

また、特許文献２に示すノズルのように、単に重力によって、あるいは圧力をかけて押し出すと、コンクリート材料の場合では、ひび割れ又は空隙、崩れの欠陥ができやすく、吐出直後に吐出した材料を自立させることが難しい、という課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、コンクリート材料に適した3Dプリンティングの吐出機構を持つ、コンクリート3Dプリンティング吐出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のコンクリート3Dプリンティング吐出装置は、コンクリート材料を用いて3Dプリンティングにより構造物を製造するための吐出装置であって、吐出口の吐出口内側に吐出後の形状を成形する成形部を有し、成形部で成形したコンクリート材料を吐出口外側に途切れることなく連続して押し出す機構を持ち、押し出しの開始及び停止を自由に制御することができる機構を備えることを特徴とする。

また、吐出後の形状に合わせて、吐出口の幅を変化させることができ、成形部を水平面で折り曲げることができ、成形部の幅を変化させる機構を持つことができる。

また、材料をポンプで供給する際に、成形部に送るコンクリート材料を一時的に蓄えておくタンクを備え、吐出口から連続して吐出できるように成形部に送り出す機構を持つことができる。

本発明によって、自由な造型が可能である付加製造の特性を生かしつつ、構造物に必要な強度を持つコンクリート材料を用いた付加製造が可能になる。

吐出口前に一旦材料を集めた上で、成形して送り出す機構にすることで、既存のポンプ圧送システムを利用することができ、経済的である。

また、製造の自動化が可能となり、建設現場の生産性向上に大きく貢献する。

コンクリート３Ｄプリンティング吐出装置全体図の一例である。 成形部断面図の一例である。 成形部平面図の一例である。 幅の変化部を製作するため、ベルトコンベアの位置を移動させることにより成形部の幅を変化させている様子の成形部平面図である。 幅の変化部を製作するため、ベルトコンベアの位置を移動させることにより成形部の幅を変化させている様子の成形部平面図である。 幅の変化部を製作するため、ベルトコンベアの位置を移動させることにより成形部の幅を変化させている様子の成形部平面図である。 幅の変化部を製作するため、ベルトコンベアの位置を移動させることにより成形部の幅を変化させている様子の成形部平面図である。 湾曲部を製作するため、ベルトコンベアの位置を移動させることにより成形部を湾曲させた成形部平面図である。 押出機構部断面図の一例である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

実施例１は、コンクリート3Dプリンティング吐出装置の一例である。

図１は、コンクリート3Dプリンティング吐出装置の全体図である。コンクリート3Dプリンティング吐出装置は、成形部１、押出機構部２、材料供給部３からなる。

まず、コンクリート材料を、コンクリート材料圧送配管１２を介して、材料供給部３に送る。一般的に、コンクリート材料を配管で圧送する場合、材料を途切れなく連続して送り出すことは不可能であり、配管の中で途切れ途切れになっている。そのため、一旦、材料供給部３に材料を蓄積する必要がある。

材料供給部３に蓄積して、途切れをなくした材料を押出機構部２に送る。押出機構部２では、図５に示すように、押出機構の回転部１７に接続した押出機構の押出板１８によって、途切れがないように成形部１に成形前のコンクリート材料１６を押し出すようにして送り出す。下部及び側面にはベルトコンベア１３が設置してあり、押出機構の回転部１７の回転速度と同調して動くことにより、成形前のコンクリート材料１６の途切れを防ぐことができる。

成形部１では、図２に示すように、上面均し器可動部９を介して上面均し器８が設置してある。上面均し器可動部９が図２の左右に動き、振動を与えながら上面均し器８で成形中のコンクリート材料１４の上面を均すことにより、成形する。

製作する部材に応じて、押出機構の回転部１７の作動・停止を、吐出口開閉扉７の開閉動作と連動させる。

図１に示すように、成形部１から、付加製造において新たな層になる吐出されたコンクリート材料５が、付加製造において下層になる層４の上に滑らかに積み上げられることにより、積層構造の部材を製作していく。

成形部１及び押出機構部２、材料供給部３からなるコンクリート3Dプリンティング吐出装置は、架台１０により支持される。吐出装置接続部１１を介して、図示しないが、吐出装置全体を支持しながら、所定の吐出位置に安定して移動かつ姿勢を保持する制御機構を持つクレーン又はロボットアームに接続する。

実施例２は、成形部１の幅可変機構の一例である。

図３に示すように、成形中のコンクリート材料１４の幅の両端は、ベルトコンベア１３により固定され、幅が一定になっている。この幅を小さくする機構を図４Aから図４Dに示す。

成形部１の押出機構部２の側から、ベルトコンベア１３の位置を移動させ、幅を小さくして所定の幅にする。成形中のコンクリート材料１４の送り出しの速さに応じて、ベルトコンベア１３の位置を移動させる。これにより、幅変化部１５は、成形中のコンクリート材料１４の送り出しの速さに応じて移動し、吐出される。

実施例３は、成形部１の湾曲機構の一例である。

図３に示すように、直線状に製作する場合、成形中のコンクリート材料１４の幅の両端に、ベルトコンベア１３を左右対称に配置している。図４Eに示すように、ここから湾曲させる場合、左右の一方のベルトコンベア１３内のローラーの間隔を広げ、もう一方のベルトコンベア１３内のローラーの間隔を狭め、湾曲部を製作する。

なお、湾曲部を製作する場合、成形部１の湾曲機構を使わずに、吐出口６を曲線部に沿って移動させながらコンクリート材料を吐出するだけだと、曲線部外側の材料が途切れてしまう。そのため、吐出前の成形部１が、吐出後と同じ形状になるようにする必要がある。

本発明は、以上説明した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、当分野において通常の知識を有する者により可能な実施形態の変更は、本発明に含まれる。

なお、使用するコンクリート材料は、図示しないが、本発明が実施可能な程度の流動性、及び吐出後に安定して自立する性質が必要である。

１ 成形部
２ 押出機構部
３ 材料供給部
４ 付加製造において下層になる層
５ 付加製造において新たな層になる吐出されたコンクリート材料
６ 吐出口
７ 吐出口開閉扉
８ 上面均し器
９ 上面均し器可動部
１０ 架台
１１ 吐出装置接続部
１２ コンクリート材料圧送配管
１３ ベルトコンベア
１４ 成形中のコンクリート材料
１５ 幅変化部
１６ 成形前のコンクリート材料
１７ 押出機構の回転部
１８ 押出機構の押出板

Claims (1)

1. コンクリート材料を用いて３Ｄプリンティングにより構造物を製造するための吐出装置であって、
   吐出口の前記吐出口内側に吐出後の形状を成形する成形部を有し、
   前記成形部の側面及び下面がコンクリート材料のＵ字状の流路を形成し、
   前記成形部に成形中のコンクリート材料の上面を均すための上面均し機構を有し、
   前記成形部で成形したコンクリート材料を前記吐出口外側に途切れることなく連続して押し出す機構を持ち、
   押し出しの開始及び停止を自由に制御することができる機構
   を備えたことを特徴とするコンクリート３Ｄプリンティング吐出装置。
   
   
   

Images