プレハブ建築における3Dプリント技術の応用と動向

出典：新素材新装飾

3Dプリンティング技術は、ノズルを通して原材料を流し、三次元スライスモデルに従って材料を層ごとに積み重ねることで、物理的な物体を直接得る技術です。この技術は、独自の製造方法により、モデルの形状の自由度が大幅に向上し、手作業への依存度が低減し、原材料と時間が節約され、エネルギー消費量と排出量が少ない新興技術です。新エネルギー、ビッグデータ、人工知能などの新興技術との国境を越えた統合やマルチシナリオの重複アプリケーションを容易に実現でき、第四次産業革命の重要なサポートと革新技術を構成します。建設業界における 3D プリント技術の応用は 1990 年代後半に始まり、世界中の多くの企業や大学が研究と参加を行い、現在までに 40 種類を超える印刷技術が登場しています。 3D プリント技術に関する研究は、主に材料比率と構築方法に焦点を当てており、3D プリント技術の詳細な議論や分類はほとんどありません。

1 3Dプリント技術の分類とプレハブ建築におけるその応用<br /> 米国材料試験協会（ASTM）と国際標準化機構（ISO）が共同で発表した3Dプリント技術規格では、3Dプリントはステレオリソグラフィー、材料噴射、バインダー噴射、粉末床溶融結合、材料押し出し、指向性エネルギー堆積、および薄材料積層の7つのタイプに分類されています。現在、国内外の建設業界では、バインダー噴射、材料押し出し、粉末床溶融結合、および指向性エネルギー堆積の4つの主要なタイプが使用されています。

材料の押し出しは、ノズルを通して材料を絞り出し、層ごとに堆積させるプロセスです。この方法はクランプ氏によって発明されました。印刷材料を高温のノズルから押し出して堆積させる必要があるため、熱溶解積層法とも呼ばれています。商業化され、建設業界や安価な個人用3Dプリンターで徐々に広く使用されるようになりました。例えば、Khoshnevis 氏が開発した輪郭加工技術、Gosselin 氏らが開発した XtreeE と呼ばれる 6 軸ロボットアーム印刷技術、そして最も広く使用されているコンクリート印刷技術などです。

バインダージェッティングは材料押し出しの逆で、バインダーがインクとして機能し、液体バインダーを材料の各層に選択的に噴射して粉末を結合し、粉末材料を層ごとに堆積させます。この技術は、成形速度が速く、カラー印刷が可能で、サポートが不要という特徴があり、小型で高精度の部品の印刷に適しています。1997年にペグナ社によって初めて提案されました。

粉末床溶融結合は、レーザーと電子ビームをエネルギー源として使用し、金属材料の粉末の層を選択的に溶融するプロセスです。この種の技術は主に建物の金属やガラス部品の製造に使用され、材料の無駄を減らし、生産効率を向上させるのに役立ちます。

指向性エネルギー堆積法は、熱エネルギーを使用して材料を溶かし、層ごとに堆積させます。主に大型の金属部品の印刷や損傷した金属部品の修復に使用されます。薄板積層プロセスについては、Fabrisonic 社は建設業界で金属部品の製造に使用できる超音波 3D プリントシステムを開発しましたが、製造コストが高いため、建設業界ではまだうまく適用されていません。

建設業界で効果的に適用できる 3D プリント技術は、主に材料押し出し、バインダージェッティング、粉末床溶融結合であることが実際に証明されています。表1は、プレハブ建築における3Dプリント技術の応用を時系列でまとめ、それぞれの技術の特徴を紹介します。 3Dプリント技術の発展の道筋から、建設業界における3Dプリントの発展プロセスは、オフサイトからオンサイトおよびモバイルへ、単一材料から複数材料および複合材料へ、壁の印刷から建設関連のプラスチック部品、金属部品、ガラス部品などの印刷へと移行していると結論付けることができます。大型ガントリー印刷システムと小型ロボットおよび無人航空印刷システムの両方があります。

2 つのアプリケーションシナリオ
2.1 設計フェーズ

3D プリントは、非標準コンポーネントにおいて、生産コストが低く効率が高いという明らかな利点があり、プレハブ建物のパーソナライズされた設計のためのソリューションを提供します。従来の製造技術では、構造の複雑さは製造コストと正の相関関係にあります。そのため、製品設計は製造レベルによって大きく制限され、建築設計は比較的単純な形になることが多いです。3Dプリントは、「製造のための設計」から「設計のための製造」への移行を促進するのに役立ちます。 3Dプリンティング技術は、3Dプリンティング、BIM、顧客、設計者を含むデータ共有クラウドプラットフォームの構築に貢献し、顧客と設計者間のコミュニケーションを促進し、サプライチェーンの情報化とデジタル化を推進します。 BIM と組み合わせた 3D プリントの印刷プロセスは、BIM - 3D モデル - スライス - レイヤーの結合 - 3D プリント - 物理オブジェクトです。 BIMは3Dプリントにデータサポートを提供し、プレハブ建築物のプリントに正確な空間位置情報を提供し、高精度プリントを完成させるのに役立ちます。また、拡張現実技術、熱画像技術、レーザー技術などと組み合わせて、建物の視覚化を向上させることもできます。開発された情報ネットワークと完全かつ包括的な建設プロジェクト情報データベースは、多者間のコラボレーションを促進し、建物の設計と建設を保証し、サプライチェーンの運用効率を向上させ、建設業界の変革とアップグレードを促進します。さらに、3Dプリントはトポロジー最適化の実現にも役立ちます。形状と構造を変更することで、より少ない材料でより多くの機能を実現し、建物の品質を確保し、建物の重量を軽減できます。同時に、断熱材や防音材など、他の材料を隙間に埋めて建物を強化することもできます。

2.2 印刷段階

建築用 3D プリントおよび組み立てプロセスを図 1 に示します。これは主に複数階建ての建物に適用されます。まず工場で部品を印刷し、建設現場で基礎が完成したら、部品を建設現場に運んで組み立て、その後、現地でコンクリートを流し込み、最後にファサードを修正します。このプロセスは、プレハブ建築の建設方法に似ています。 3D プリントは単一の壁を印刷するだけでなく、建物の外装や内装の家具部品も印刷し、最終的には組み立てて完成した建物を得ることができます。プレハブ建築では、3D プリントを使用してコンポーネントテンプレートを印刷することもできます。型枠はプレキャストコンクリート部品の製造において重要な装置および設備であり、その品質は部品の成形および品質に直接影響します。現在、鋼製型枠は部品メーカーで広く使用されている型枠であり、剛性が高く、変形が小さく、耐用年数が長いという特徴がありますが、投資コストが高く、リサイクル率が低いという欠点があります。 Laing O'Rourke が開発した FreeFAB ワックステンプレートを使用すると、小型のノズルからプレファブリケーションコンポーネントテンプレートを印刷できます。このようなワックステンプレートは、低精度で迅速に作成でき、その後、フライス加工技術を使用して正確な形状にカットできます。使用後は、材料を加熱してリサイクルし、再利用できます。実証的研究によると、FreeFAB により全体的な金型製造時間が 6.5 倍短縮されることがわかっています。ワックス型枠は入手しやすく、コストも低いものの、このタイプの技術は、プロセスと材料の面でさらなる調査と検証が必要です。木製の型枠のように加熱または湿潤時に変形するかどうか、その剛性と印刷速度が大規模なコンクリート部品の製造をサポートできるかどうかなど、さらなる研究と調査が必要です。

2.3 建設段階

建設現場では、部品の組み立てに大きな誤差が生じるという問題に直面することが多く、その結果、現場で部品を交換したり、工場に返送して再製造する必要が生じることも少なくありません。 3D プリントでは、現場で必要な不足部品や充填物をスキャンして印刷できるため、製造、建設、現場での修正にかかる時間が短縮されます。 MIT は、急速に押し出されたフォームをテンプレートとして使用し、現場で必要なコンポーネントを設計、スキャン、印刷するモバイルデジタル建設プラットフォームを開発しました。 3Dプリントでは、特殊なスリーブやハンガー、部品などを現場で印刷することもできます。また、修復が必要な箇所を検出し、3Dプリントを使用して損傷した箇所に直接修復または印刷することもできます。たとえば、シーメンスは、ガスタービン燃焼器の表面の損傷部分を削り取り、新しい材料層を 3D プリントして燃焼器の動作を維持したり、新しい設計要件を満たしたりすることで、燃焼器を修理します。

2.4 物流段階

プレハブ建築部品の生産速度は遅く、使用前に事前に生産して工場や建設現場に保管する必要があることがよくあります。しかし、建築部品はサイズが大きく壊れやすいため、輸送、保管、持ち上げる際に厳重に保護する必要があり、物流と保管に対する要求が高くなります。 3D プリントにより柔軟な生産が可能になり、在庫圧力が軽減されます。メーカーは、3D プリントのオンデマンド生産機能を使用して、顧客が必要とする部品をタイムリーに生産し、在庫コストを削減し、サプライチェーンがいつでも新しいパートナーを追加できるようにし、スペアパーツ在庫の準備と投資を削減し、需要に対応するために設計を更新するための関連コストを投資することができます。さらに、3D プリントのトポロジー最適化機能により、建築部品が軽量化されるため、輸送中や保管中の保護の難しさも軽減される可能性があります。

3Dプリント技術の3つの開発動向
3.1 非標準建築物

実証的研究によれば、コンクリートの印刷とプレファブリケーションのコストによって全体の建設コストを 25% 削減することができ、そのコスト削減は主に型枠と労働力によるものであることがわかっています。単一の壁を印刷する場合、コンクリートを印刷するコストが高くなります。コンポーネントの複雑さは、3D プリントの費用対効果と生産性に直接比例することがわかります。

クリミら[6]は、フランスの建設会社を例に、プレハブ工法とコンクリート造の施工速度と損益分岐点について議論した。経験的証拠によれば、コンクリート印刷の生産速度はプレキャスト生産よりも速く、現場打ち生産よりもはるかに速いことが示されています。これは、3D印刷が高度に自動化されており、24時間連続して実行できるためです。ただし、建設時間が1日8時間に制限されている場合、プレキャスト生産の効率はコンクリート印刷の効率よりも高く、3D印刷された部品の後続の表面テクスチャ処理に必要な時間は考慮されません。最後に、コストに基づいて 3D プリントと従来の建設方法の損益分岐点を計算しました。 3D プリントのコストは一定ですが、従来の方法のコストは生産量に反比例します。前者は小ロット生産や複雑な部品の製造に適しており、後者は大規模生産に適しています。したがって、時間とコストの節約は、建設業界に 3D プリントを適用する利点ではないかもしれません。パーソナライズされたカスタマイズ、複雑な構造の製造、柔軟な生産が主な利点です。

3.2 安定性と多機能性を備えたインク材料

Mohan らは、現在のコンクリート印刷の主な問題は材料の安定性と耐久性であり、3D 印刷の本来の柔軟性を失うことなく、優れた引張強度と延性を備えた材料のさらなる研究が必要であるとまとめました。アントンらは、学際的なコラボレーションと実験を通じて、カスタマイズされた柱状部品用の自動3Dコンクリート印刷プレハブプラットフォームを開発しました。このプラットフォームは、複雑な構造の柱状プレハブ部品の製造に使用され、安定した硬化環境を提供し、複雑な構造のコンクリート印刷を実現します。その目的は、プレハブ建築における大規模部品3D印刷の応用を促進することです。結果は、コンクリートで印刷されたプレハブ柱状部品の耐久性はまだ改善する必要があることを示しています。屋外で10か月放置した後、部品にひび割れが発生し、屋外環境への直接暴露には適しておらず、耐久性が低いことが判明しました。さらに、3Dプリントコンクリートの現在の幾何学的複雑さはまだ限られており、印刷システムを継続的に改善し、安定した効率的なインク材料と印刷速度を見つける必要があります。複雑な構造部品の印刷には明らかな利点がありますが、プレハブ柱が比較的従来型である場合、従来の建設方法と競合するほどの強さはありません。

新しいインク材料は建築に力を与えることができます。ウィンサンは、産業廃棄物、建設廃棄物、鉱山残渣、石炭鉱石などのリサイクル廃棄物をインク材料として使用しており、現在はインクへのグラフェンの添加を開発中です。グラフェンは光学、機械、電気の分野で優れた性能を持ち、電磁波や音波を吸収でき、熱伝導性、電気伝導性、耐水性に優れています。実験では、インク1リットルあたり0.35グラムのグラフェンを加えると、セメントの需要が半分に減り、建物の強度、圧縮抵抗、曲げ抵抗が大幅に向上し、コンクリートの熱吸収によって排出される大量の温室効果ガスが削減されることが分かりました。インク1リットルあたり0.8グラムのグラフェンを加えることで、建物の防水性が400％向上し、耐久性も向上します。

3.3 法律や規制の改善

現在、3Dプリント建設企業や類似企業が直面している主な問題は、3Dプリント建築物の受入基準や仕様が欠如しており、関連する法律や規制が不明確であることです。 3Dプリント建物に使用されるインク材料は従来のコンクリートに似ていますが、構造上大きな違いがあります。そのため、3Dプリント建物の受け入れ基準は従来の建物とは異なり、3Dプリント建設技術が成熟し安定した状態に到達するには長い期間の調査と研究が必要です。このプロセスには、大学や研究機関との協力が必要です。現状では、農村部の建物には複雑な承認や承認が必要ないため、短期的には 3D プリント建物の適用シナリオのほとんどが農村部になる可能性がある。

4 結論 建設業界は、BIM とプレファブリケーション生産によって建設効率と建物の品質が向上し、プロジェクトコストが削減され、建設の安全性が向上したものの、デジタル化と自動化の度合いが最も低い業界の 1 つです。しかし、テンプレートベースと大量生産の生産方法は、建物の均質化と標準化をもたらしました。3Dプリントは複雑な構造を低コストで製造し、パーソナライズされた設計を満たすことができますが、プレハブ建築への大規模な応用はまだ実験と研究の段階にあります。成熟した信頼性の高い技術とプロセスはまだなく、材料の安定性と耐久性にはさらなる研究と探求が必要です。本稿では、プレハブ建築における 3D 印刷技術の現状と今後の発展方向についてまとめています。この技術には大きな展望と市場がありますが、複数の材料と複数のプロセスを使用した印刷方法を研究するには、依然として学際的な研究が必要です。

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