コンクリート3Dプリント市場には大きな可能性があります。CCCC第一公共事業研究所は、機器開発からシステム統合まで、「ソフト」と「ハード」の両方の能力を備えています。

南極熊紹介：調査報告によると、建築3Dプリントの市場規模は2032年に1000億米ドルに達する見込みです（「建築3Dプリントの市場規模は1000億米ドルに達する？レンガ移動の人手を大幅に削減」を参照）。現在、国内メーカーは10社以上が参加している。その中には、素晴らしい成果を達成した強力な企業部門もいくつかあります。 Antarctic Bear は最近、建築 3D プリントに関する一連の特別コンテンツを立ち上げ、この分野の最新の動向を明らかにしました。

南極熊は、中国交通第一道路測量設計研究所株式会社（以下、中国交通第一道路研究所）が2016年に構造インテリジェント建設の専門研究開発センターを設立して以来、コンクリート3Dプリント技術の研究開発に力を入れており、産業チェーン全体にわたって独創的な技術革新を実現していることに注目しました。今後、Antarctic Bear では、CCCC 第一工学研究所がコンクリート 3D プリントの分野で達成した一連の成果を連載形式でレポートする予定です。

コンクリート 3D 印刷技術チェーンの重要なリンクとして、機器は印刷材料の適用性、印刷スケール、複雑な構造や建設の実現可能性など、あらゆる側面を決定します。そのため、CCCC第一工学研究所は設備から始めて、コンクリート3Dプリントのための完全な技術システムを開発しました。工場プレハブ化では、互換性のあるマルチタイプの押し出し端とツール端を含むロボットアームとガントリータイプのコンクリート3Dプリンターを相次いで開発し、現場の現場コンクリート3D印刷設備の研究開発を実施しました。ソフトウェアの面では、比較的完全で効率的なコンクリート3D印刷インテリジェント制御システムを開発し、2022年に国際的にトップレベルとして認められました。

では、CCCC 第一工学研究所が世界的リーダーになることができたのは、どのようなソフトウェアとハードウェアの成果によるのでしょうか?

1. 産業用ロボットをベースにしたコンクリート3Dプリント装置

CCCC第一工程局は、購入したKUKA産業用ロボットをベースに、8メートルの外部追加軸を備えたロボットアーム3Dプリント設備を開発しました。元の印刷範囲に基づいて、片道6メートルの印刷スケールの拡張と最大作業半径2.7メートルを実現しました。拡張後、追加軸の移動速度は0.5m/s、印刷速度は0.3m/s、繰り返し位置決め精度は±0.06mm、定格荷重は120kgです。

△産業用ロボットをベースにしたコンクリート3Dプリント装置このコンクリート3Dプリント装置セットは、主に以下の印刷の問題を解決します。

（１）６軸連動精密制御を実現し、特に空間曲面、薄壁、ねじれ片持ち梁などの複雑な形状のコンクリート製品の印刷に適しています。
（２）印刷、ポンピング、押し出しの高度な結合の材料およびパラメータ要件を満たす。
（３）一日中印刷が中断されず、設備の安定性が高い。
（4）各種工具先端部や排出口との組み合わせにより高精度かつ正確な制御を実現します。

△写真は、高さ2.2メートル、1回の印刷時間25分の特殊形状のねじれ片持ち柱の印刷を示しています。
2. 10メートル大型5軸ガントリーコンクリート3Dプリント装置

CCCC第一工程局は、大規模でモジュール化され、拡張可能なガントリー型コンクリート3D印刷装置も開発し、大規模部品印刷の技術的障壁を突破しました。印刷範囲は10m×6m×3.6m、最大一方向印刷速度は0.5m/s、繰り返し位置決め精度は±0.2mm、定格荷重は100kgです。大スパン、大型コンクリート部品の印刷問題を効果的に解決し、一日中中断のない作業を実現できます。高精度の印刷要件を保証する前提の下で、コンクリート3Dプリントエンジニアリング建設にさらなる可能性を提供します。

△大型ダイナミックコラム5軸ガントリーコンクリート3Dプリント設備△ドアプレート石ブロック部品印刷、2.6×1.6×1.8m
3. ユニバーサル多機能コンクリート3Dプリントツールエンド

中国通信建設第一工程局は、第1世代の設備の研究開発を完了した後、長期の印刷テストと実際のエンジニアリングアプリケーションで3D印刷設備のツールエンドを継続的に改造およびアップグレードし、さまざまな印刷ニーズに対応し、印刷プロセスにおける実際的な問題を解決していると報告されています。

コンクリート印刷押出機の10種類以上の異なるタイプと仕様が確定し、対応する材料の押出速度、ポンプ圧力、ロボットアームの移動速度が決定され、さまざまな断面形状とサイズの印刷ニーズを満たし、3D印刷技術で実現できるコンクリート構造物の形状の多様性を拡大できます。

△ユニバーサル多機能コンクリート3Dプリントツールは、5世代のイノベーションを実現しました。ユニバーサルで、ロボットアームやガントリープリント機器に適応できます。連続からジャンプポイント、固定から回転、丸型ヘッドから長方形ヘッドへの反復を実現しました。印刷フロー、精度、効率、品質が継続的に向上し、4つの認可特許を取得しました。

（1）ポンプトラック直出しツールエンド：構造がシンプルで性能が安定しており、固定円形出口の印刷条件や実験的な印刷テストに適しています。問題解決: 印刷パスが不連続な場合、ブレークポイントでの印刷品質が低下します。

（２）同軸回転工具端：シンプルな構造、高い印刷精度、容易な清掃により、長方形の押し出し端印刷を実現します。解決すべき問題：印刷品質はポンプトラックの動作安定性に大きく影響され、部品の表面品質が悪い。

（３）スクリューブースターツールエンド：印刷された材料の二次加圧、より高密度の材料押し出し、およびより高い部品強度。解決すべき問題：円形出口を有する押し出し成形ヘッドによって印刷された部品の層間の接触面積が小さく、部品の強度が低く、大きなオーバーハングとねじれ印刷が崩れやすい。

（4）中空軸回転工具端：様々な仕様の長方形押出端の印刷を実現でき、設備構造がコンパクトです。解決すべき問題: プリントヘッドが大きく、印刷プロセスがロボットアームに干渉しやすくなります。

（５）伸縮・回転可能なツールエンド：伸縮補正機能と回転機能を統合し、より大きな矩形断面部品の印刷を実現します。克服すべき課題：材料貯蔵バレルに組み込まれた駆動回転機構は材料が蓄積しやすく、清掃時に死角が生じる、長期使用後の回転精度が低い、ロボットアームの作業スペースが限られているため高さのある部品の印刷ができない。

△コンクリート3Dプリントツールの5世代にわたる革新
4. コンクリート3Dプリントインテリジェント制御システム

2022年、国内のコンクリート3Dプリント技術のモデリングスライス、経路計画、印刷制御などの操作と実行リンクは比較的孤立しており、市場で主流のスライスおよび経路計画ソフトウェアは主にプラスチックなどの非コンクリート3Dプリント技術を対象としており、コンクリート3Dプリント技術に完全に適用することはできません。

そのため、既存の印刷設備システムの知能レベルが低い、設備の協調制御が弱い、印刷技術の制御性が悪い、大量のテストデータを収集して適用できない、経験データを蓄積するのが難しいなどの問題に対応するため、中国通信建設第一工程研究所は、既存の設備の研究開発に基づいて、さらに制御システムの研究を行い、比較的完全で効率的なハードウェアとソフトウェアを統合した具体的な3D印刷知能制御システムを開発しました。

△コンクリート3Dプリントソフトウェアとハードウェアを統合したインテリジェント制御システムアーキテクチャ全プロセスの3Dプリント制御システムは、フィールドバスアーキテクチャに基づいて設計されており、ロボットの動作制御、センシング、最新の通信、産業用イーサネットなどの最先端技術を統合し、コンクリート混合システム、材料ポンプシステム、産業用ロボットのソフトウェアとハードウェアシステム、3Dプリントツールエンドシステムなど、関連するすべてのソフトウェアとハードウェアをインテリジェントに統合して、システム全体の制御、監視、プロセスと機器全体の早期警告のセットを実現し、材料、環境、機器、パラメーターのリアルタイム調整、作業条件の監視、人間とコンピューターの相互作用、安全保護などの主要な技術的問題を解決します。

△制御システムは、システム設定、動作制御、プロセス制御、作業状況監視、データ監視と収集の5つの主要機能を含む、関連するすべてのソフトウェアとハードウェアの制御システムをインテリジェントに統合します。コンクリート3Dプリントの全プロセスの安全な監視、リアルタイムフィードバック、データ収集、バッチ収集と分析を実現し、3Dプリントコアテクノロジーの工場におけるマルチデバイスシステムの正確な調整を実現します。

△印刷システム制御および監視インターフェースその中で、マルチインジケーターシステムリアルタイム監視モジュールには、物質収支監視、ポンプ速度監視、印刷プロセス監視、環境監視などの機能が含まれており、さまざまな設備システムの連携効率が大幅に向上し、コア技術人員数への依存が大幅に軽減され、印刷効率が大幅に向上し、システムアプリケーションとコアテクノロジーアプリケーションの複製可能性が実現されます。

△安全監視システムとコンクリート3Dプリントソフトウェアとハードウェアの統合インテリジェント制御システムにより、コンクリート3Dプリントプロジェクトの生産とプロジェクト管理の効率が大幅に向上しました。現在、オペレーターの数は4人から1人に削減され、プロセスの複雑さが十分に軽減され、主要機器のCNC率は100％に達しました。インテリジェント制御システムの監視モジュールの実装により、運用上の安全リスクが効果的に軽減され、さまざまな機器の連携制御により施工効率が大幅に向上するとともに、製品の印刷品質も向上し、品質損失率が約 20% 削減されました。システム全体の応答時間は 100 ミリ秒以内で、コンクリート 3D プリント製造プロセスの高速動作を保証します。

現在、システムソフトウェアは4つのソフトウェア著作権を取得しており、2022年陝西省優秀工程調査設計賞（コンピュータソフトウェア部門）の最優秀賞を受賞し、「国際的にトップクラス」のレベルに評価され、業界の最前線をリードしています。

△2022年陝西省優秀調査設計コンピュータソフトウェア賞一等賞
5. 平面・空間経路フィッティング制御技術

また、CCCC第一工程研究所は平面経路と空間経路フィッティング制御技術も開拓し、層間の張り出し容量の悪さや材料密度分布の不均一さなど、従来の水平印刷の欠点を補い、任意の複雑な3次元斜め空間と片持ち構造で多自由度の柔軟な印刷を実現し、印刷姿勢と経路方向が最適な状態に達し、3件の発明特許を取得しました。

独自に開発した伸縮式回転工具先端をベースに、長方形の押し出し先端と組み合わせ、平面経路フィッティング技術を基盤として、高精度のコンクリート印刷制御を実現し、技術力は国内トップレベルに達しています。

△平面パスフィッティング技術（左）長方形押出端面印刷図（右）
△長方形プリントヘッド回転高精度印刷は、空間パスフィッティング技術に基づいています。斜め空間、曲面スライス、片持ち形状などの複雑な構造を簡単に実現でき、優れた結果が得られます。

△空間パスフィッティング技術に基づく曲線スライス部品の印刷
要約する

CCCC第一道路工学研究所は、長年にわたる継続的な研究開発を経て、コンクリート3D印刷技術の分野において、機器からシステム統合まで、産業チェーン全体の革新をゼロから実現しました。

●複雑な印刷問題を解決するためのロボットアームとガントリー装置。
●多様なニーズに応える多機能ツールターミナル。
●ソフトウェアとハードウェアを統合したインテリジェント制御システムにより、コンクリート 3D プリントの全プロセスのインテリジェントな監視が実現し、効率が向上し、品質が確保され、リスクが軽減されます。
●特殊形状部品の高精度施工を実現する平面・空間パスフィッティング制御技術。

今後も中国交通建設第一道路工程グループ株式会社は、技術革新によって業界の発展をリードし、交通、スマートシティなどの分野に新たな活力を注入していきます。

コンクリート3Dプリント市場には大きな可能性があります。CCCC第一公共事業研究所は、機器開発からシステム統合まで、「ソフト」と「ハード」の両方の能力を備えています。

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