3Dプリントコンクリート技術の開発の分析

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-3 15:32 に最後に編集されました。

3D プリント技術はコンクリート産業の発展にとって大きなチャンスであり、3D プリントコンクリート技術もコンクリート産業の発展にとって重要な方向性となっています。この点では中国は大きな優位性を持っている。南極熊はこれまで、上海銀創、北京市通州の北京華上騰達工貿有限公司などの建設用3Dプリンターについて広く報道してきたが、甘粛省の農家も独自の建設用3Dプリンターを構築している。次に、南極熊は、国内外の3Dプリントコンクリート技術とその材料および施工の発展状況と最新の進歩、および3Dプリントコンクリート技術の現在の技術的困難について簡単に紹介し、3Dプリントコンクリート技術の将来を展望し、可能な研究方向を提案します。
近年、3Dプリント技術は「第三次産業革命」のランドマーク技術として、時代の流れをリードし、さまざまな研究分野に急速に進出しています。3Dプリントは、工業デザイン、航空宇宙、医療に至るまでの主要分野に登場しており、伝統的な社会生産に大きな影響を与え、将来の世界を変える創造的な技術となるでしょう。同様に、3Dプリント技術とコンクリート技術を組み合わせた3Dプリントコンクリート技術は、間違いなくコンクリートの発展における大きな転換点となるでしょう。南極熊は、3Dプリント技術を起点として、3Dプリントコンクリート技術の発展状況と建設業界への貢献を紹介します。3Dプリントコンクリート技術の理解と既存の問題を組み合わせ、3Dプリントコンクリート技術の将来の展望と研究動向を展望します。
コンクリート材料は現代社会において最も重要な土木材料の一つであり、人類社会の発展と建設に計り知れない貢献をしてきました。しかし、社会科学技術の発展に伴い、コンクリートの生産と応用における高エネルギー消費や高汚染などの問題が徐々に顕著になり、コンクリート材料の発展に対する大きな障害となっています。持続可能な社会発展のニーズに適応するために、コンクリート自体の性能は徐々に高強度、高性能へと進化しており、同時に新技術の出現もコンクリートの持続可能な発展に新たな方向性を与えています。

3Dプリントコンクリート技術
3Dプリントコンクリート技術は、3Dプリント技術に基づいて開発され、コンクリート建設に適用される新しい技術です。その主な動作原理は、設定された印刷プログラムに従って、3次元ソフトウェアの制御下で構成されたコンクリートスラリーを押し出し装置に通し、ノズルから押し出して印刷し、最終的に設計されたコンクリート部品を得ることです（図2（a）を参照）。 3Dプリントコンクリート技術は、印刷工程において、従来のコンクリート成形工程における型枠工程を必要としません。これは最新のコンクリート型なし成形技術です。 2012年、英国ラフバラー大学の研究者らが新しいタイプのコンクリート3D印刷技術を開発しました。コンピュータソフトウェアの制御下で、3D印刷機（図2（b）参照）は、押出成形を高度に制御できるセメント系スラリー材料を使用して、コンクリートパネルや壁に正確に配置された穴の印刷を完了し、超複雑な大型建築部品の設計と製造を実現し、独特な外観のコンクリート建築への扉を開きました。

1. 3Dプリントコンクリート<br /> 3Dプリントコンクリート技術の登場により、通常のコンクリートではもはや技術のニーズを満たすことができず、コンクリートの性能に対してさらなる要求が提示され、それは生コンクリートの施工性能と硬化コンクリートの機械的性質と耐久性に反映されています。英国ラフバラー大学のTT Leらはこれに関する関連研究を行っています。生コンクリートペーストが 3D プリントの要件を満たすには、特定の性能要件を満たす必要があります。 1つ目は押し出し性です。3Dプリントコンクリート技術では、コンクリートスラリーが押し出し機の前端にあるノズルから押し出されて印刷されます。したがって、スラリーの粒子サイズはノズル開口部のサイズによって決まり、大きな粒子の凝集体の発生を防ぎ、印刷プロセス中の詰まりを防ぎ、スラリーのスムーズな押し出しを確実にするために厳密に制御する必要があります。

第二に、コンクリートペーストは凝集性が良好でなければなりません。一方では、凝集性が良好であれば、ペースト自体の特性により、ノズルからの押し出しプロセス中にコンクリートが中断されることがなくなり、印刷漏れを回避できます。他方では、3Dプリントは最終製品を得るために層ごとに積み重ねていくものです。したがって、層間の組み合わせは3Dプリントコンクリートの弱点であり、硬化性能に影響を与える重要な要素です。凝集性が良好であれば、印刷層の悪影響を最小限に抑えることができます。最後に、押し出し性と凝集性は、印刷の初期段階と硬化後のパフォーマンスを保証できますが、印刷プロセス全体がスムーズに進行することを保証することは困難です。 3D コンクリート印刷プロセス中、印刷された部品は、崩壊、傾斜、または印刷構築を妨げるその他の現象がなく、良好な状態に保たれる必要があります。これにより、コンクリートスラリーの施工性に関する要件が提示されます (図 3 を参照)。

3D プリントコンクリート技術は、硬化コンクリートの性能にも大きな影響を与えるでしょう。印刷工程では、コンクリートがストリップ状に押し出されます。ストリップ間の結合問題は、硬化した印刷コンクリートの細孔構造を決定する重要な要素です。凝集力が低いと、印刷されたコンクリート構造内に大きくて多数の細孔が生じます（図4（中央）を参照）。これもコンクリートの耐久性に大きな影響を与えます。強度の面では、印刷技術を使用するとコンクリートの強度が低下し、印刷されたコンクリートの強度は同じ混合比の成形コンクリートよりも低くなります。同時に、印刷によりコンクリートの強度にさまざまな異方性特性が生じ、強度は印刷方向によって決まります。さらに、水中養生も印刷コンクリートの性能に大きな影響を与え、他の研究者の研究でも確認されています[7]。主な理由は、水中養生が印刷コンクリートの微細構造に一定の改善効果をもたらし、印刷プロセスによって生じた細孔を埋め、印刷コンクリートのさまざまな特性を向上させるためです。

2. 3Dプリントコンクリートの建設

3Dプリントされたコンクリートが研究者の視野に現れると、3Dプリントされた建物も誕生しました。イタリアの研究者エンリコ・ディーニは、世界初の大型建築用 3D プリンターを発明しました。プリンターの底には、マグネシウム接着剤を噴射できる数百個のノズルが付いています。接着剤の上に砂を吹き付けると、徐々に石の固体に成形されます。接着剤と砂が層ごとに結合することで、最終的に石造りの建物が形成されます。彼は、建築材料を使用して高さ 4 メートルの建物を印刷することに成功しました (図 5 を参照)。これを基に、彼はオランダの建築家ヤンヤップ・ルイセナールスと協力し、この3D建設プリンターを使用して「メビウスの輪」形の建物を印刷し、ヨーロッパの3Dプリントコンテストに参加しました[8]。これは、建設業界における3Dプリントコンクリート技術の大胆な実践です。最近、上海市青浦区に3Dプリント住宅が一棟登場した。開発者の馬一和はリサイクルされた建築廃棄物とガラス繊維をプリント材料として使い、自社設計の組み立てプリント機械を採用し、24時間で面積200平方メートルの建物10棟の「プリント」を完成させた。しかし、使用されている材料と構造の耐荷重と耐久性は、まだ検討に値する。

これまでにも、オランダの建設会社が建物のプリントを開始している。その建設は、主に3Dプリンターでプリントしたプレハブ部品を積み木のように積み重ねることでプリントを完成させる。コンクリートを3Dプリントする過程では、コンクリートストリップが層ごとに積み重ねられ、必然的に印刷された部品の表面に段差効果が現れます。表面は粗く不均一で、外観に影響を与えるだけでなく、精度誤差を引き起こす可能性もあります。図6から、印刷された部品の表面に横縞があり、層がはっきりしており、表面の平坦性を向上させる必要があることがはっきりとわかります。このような問題に対処するために、通常は 2 つの方法が使用されます。1 つは印刷ノズルの直径を小さくし、段差の高さを下げる方法です。この方法では印刷速度が低下し、施工効率に影響します。同時に、表面が理想的な平坦度に達することを保証できません。もう 1 つは、成形後に後続の平滑化を実行する方法です。この方法では繰り返し作業が必要であり、時間がかかり、労働集約的です。 3Dプリント構築プロセスにおけるこれらの問題を解決するために、南カリフォルニア大学のBehrokh Khoshnevis教授はContour Craftingを提案しました。輪郭構築プロセスは、3D プリント技術を使用して建物を建設するプロセスであり、輪郭印刷システム (押し出しシステム) と内部充填システム (充填システム) の 2 つの部分で構成されます (図 7 (左) を参照)。原理は、最初に外部の輪郭を印刷し、次に内部に材料を充填してコンクリート部品を形成することです。

輪郭構築プロセスの最大の特徴は、ノズルにこてが追加されていることです（図7（右）を参照）。こてにより、建物を印刷しながら表面を平らにすることができ、3D印刷表面の凹凸の問題を効果的に解決します。さらに、輪郭構築プロセスにより、建物を 3D プリントしながらコンクリート部品の補強を実現でき、さらに高層ビルのプリント構築を試すこともできます。 3Dプリント技術に基づく、こてによる輪郭施工プロセスには多くの利点があります。一方では、印刷中に建物の表面が平らにされるため、印刷された建物の表面の滑らかさと精度が向上し、繰り返しの施工が避けられます。同時に、印刷された各層の厚さを増やすことで、建物の施工効率を向上させることができます。2,500平方フィートの家を24時間以内に印刷できます。さらに、印刷設計に充填システムが存在することで、必要に応じて内部の材料を充填することができ、印刷された建物の構造性能が大幅に向上します。

3. 3Dプリントコンクリートの問題点

現在の3Dプリントコンクリート技術は研究開発の試行段階にあり、その性能と応用はまだ探索段階にあるため、いくつかの問題は避けられません。
（１）原材料の問題従来の成型コンクリートと比較すると、 3Dプリントコンクリートは原材料に対する要求がより厳しく、通常のセメントでは建築性能と印刷技術の両方の要求を同時に満たすことができない可能性があります。粗骨材と細骨材に対する品質要求はより高くなり、新しい粉砕プロセスシステムを採用する必要が生じる可能性もあります。コンクリートシステムにおける混和剤の役割と作用メカニズムも変化する可能性があります。

（２）配合理論の問題点3D プリントコンクリート技術では、凝集性、押し出し性、施工性など、コンクリートのフレッシュミックス特性に特別な要求が課されます。同時に、プリントプロセスはコンクリートのその後の硬化特性に大きな影響を与えますが、これは水セメント比や砂比などのパラメータを調整するだけでは満たすことができません。既存のコンクリート配合理論に従って製造されたコンクリートが、3Dプリントの作業性要件をよりよく満たし、印刷および硬化後の機械的特性と耐久性指標の要件を達成できるかどうかはまだ不明です。3Dプリントコンクリート技術によりよく適応するには、新しい観点から新しい理論を提案する必要があります。

（３）ソフトウェアの問題：従来のコンクリート建設とは異なり、3Dプリントコンクリートは、まずコンピューター上でモデルを構築し、その後、自動化プログラムによって物理的なオブジェクトに変換する必要があります。そのため、設計ソフトウェアは3Dプリントコンクリート技術の準備段階の重要な部分となり、ソフトウェアと現実の変換をどのように実現するかが、プリントコンクリートの開発に不可欠なステップになります。

（４）モールディング高さの問題現在の3Dプリントコンクリート技術は、まだ平面拡張の段階にある機械を使用しており、低層で大面積の建物の建設に適しています。しかし、広く使用されている高層ビルを印刷することはまだできず、最初にプレハブ部品を印刷してから組み立てることによってのみ実現できます。同時に、数十階の建物を印刷するには、大規模な建物の構造強度の問題と建物内の鉄筋の印刷の問題を解決するために、巨大な3Dプリンターを設計する必要があります。さらに、3Dプリントコンクリートは、生産プロセス、安全対策などに大きな変化をもたらし、多かれ少なかれ問題を引き起こすことになるため、研究者によるさらなる研究と発見が必要です。

3Dプリントコンクリートの展望

科学技術の発展に伴い、最前線の肉体労働に従事する人はますます少なくなっています。労働集約型のコンクリート建設業界は大きな課題に直面するでしょう。3Dプリント技術と組み合わせた3Dプリントコンクリート技術の出現は、間違いなく大きな恵みであり、非常に広い発展の見通しを持っています。 3Dプリントコンクリート技術は、建設プロセス中の型枠の支持と解体の面倒な手順を排除し、建設プロセスを大幅に簡素化し、建設速度を10倍以上に高めます。また、コンクリートを十分に利用し、セメントの使用を減らし、建物の耐用年数を延ばし、建設廃棄物の発生を減らし、重複建設を減らすことができます。同時に、3Dプリント機械は少数の技術者の制御のみを必要とし、建設労働者の数を減らすことができ、これは今日の社会の発展傾向と一致しています。さらに、3Dプリントコンクリート技術は、さまざまな形状の建物のプリントを実現でき、環境に対する要求が低いため、宇宙探査に応用し、宇宙基地の建設を迅速に完了することができます。

現在、3Dプリントコンクリート技術は開発の初期段階にあり、3Dプリントコンクリート技術の普遍的な応用を実現するためには、存在する主要な技術的問題を解決する必要があります。 3D プリントコンクリート技術の今後の研究開発は、以下の側面から行うことができます。

（1）コンクリート材料に関する研究英国ラフバラー大学のTT Leらは3Dプリントコンクリートに関する研究を実施し、3Dプリントコンクリートに必要な特性をいくつか提案しているが、現段階では主に3Dプリントコンクリート技術の初期の理解に基づいており、より体系的、理論的、詳細な研究が欠けている。 3Dプリントコンクリート技術が急速に発展するためには、コンクリートの原料と調合理論について体系的かつ徹底的な研究を行う必要があります。そのため、性能要件に応じて、新しいコンクリート配合理論と新しい原材料要件を改善する必要があります。これは、3Dプリントコンクリート技術の開発における主要な研究課題にもなります。

（２）支援ソフトウェア及びハードウェアに関する研究3Dプリントコンクリート技術は、コンピュータソフトウェアと印刷機械の共同作業のプロセスです。ソフトウェア制御の印刷装置を介してコンピュータ内の3次元モデルを物理的なオブジェクトに変換し、自動化プロセスとよりよく統合して、最高の効果を達成するには長いプロセスが必要です。

（３）印刷技術に関する研究印刷方向の順序をいかに合理的に整え、プリントヘッドの全周方向の上昇を制御するかは、印刷効率を決定する重要な要素であり、今後の研究においても注目すべき側面である。同時に、現在の3D建築印刷技術で達成できる印刷高さは大きく制限されており、社会の発展によりコンクリート建築は徐々に高層化の方向に発展しており、高層印刷を実現し、構造強度と耐久性の問題を解決するには、新しい印刷技術が必要です。
補強とその他の問題。

この記事の出典：馬衛静、江正武、蘇玉鋒（教育部同済大学先進土木工学材料重点実験室）
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