中国建築材料研究所: コンクリート 3D プリントが新たな消費者ニーズを満たす方法

出典：中国建材ニュース

人々の低炭素と環境保護に対する意識が徐々に高まるにつれ、消費者のパーソナライゼーションとグリーン化に対する需要はますます高まっています。 3Dプリントは、新たな科学技術革命と産業変革をリードする中核技術の一つとみなされており、製造生産ラインの柔軟性の向上、低コストでのグリーン製品の生産、大量生産からパーソナライズされたカスタマイズへの製造生産方法の変革の促進など、明らかな利点があります。

しかし、新たな消費者の要求を満たす過程で、コンクリート 3D プリントの利点をどのようにより有効に活用できるでしょうか?どのような課題に直面していますか?次の開発の方向性は何でしょうか?最近、中国建築材料研究院コンクリート科学工程研究所の副所長である王振迪氏は、中国建築材料ニュースとのインタビューで自身の見解を述べた。

▲ コンクリート 3D プリント彫刻「対話」© 中国建築材料科学研究所
Q: 我が国におけるコンクリート 3D プリントの現在の開発状況はどうなっていますか?諸外国と比べてどのような差があるのでしょうか？

王振迪：コンクリート 3D プリントは 20 世紀に提案されて以来、過去 10 年間で急速な発展を遂げており、特に中国では進歩が非常に有望です。学術界では、多数の研究者がコンクリート3Dプリントの研究に取り組んでいます。現在、中国はコンクリート3Dプリント材料の開発、施工性評価、界面接着、構造自動化補強において画期的な進歩を遂げており、大型橋梁、住宅、都市庭園彫刻、緊急施設などの3Dプリントと実証アプリケーションも実現しています。産業界では、コンクリート3Dプリントの生産と応用に従事する新興企業が数多く登場しています。関連する印刷製品は多くの国や地域に輸出され、積極的な実証の役割を果たしています。全体として、私の国は他の国々と並んで走っています。過去 5 年間で、我が国のコンクリート 3D プリントへの研究開発投資は飛躍的に増加しました。今後5年間も増加し続けると予想されます。

しかし、ギャップも見るべきです。国内のコンクリート3Dプリントは基本的に押し出し技術に基づいています。粉末床印刷技術やその他の印刷技術の研究に関する報告はほとんどありません。印刷技術は比較的単一であり、技術の百花繚乱を形成していません。海外では、インテリジェントな動的テンプレート鋳造や粉末床印刷プロセスにおいて、すでに数多くの実用化が達成されています。さらに、独創的な研究の不足、追跡研究の多さ、組織的かつ公共的な体系的な研究の不足などのギャップが現状です。

Q: 近年の消費者からの新たな需要に応えて、コンクリート 3D プリントはどのような進歩を遂げましたか?パーソナライゼーションとグリーン開発の観点から見た 3D プリントの利点は何ですか?

▲ 野良動物のために作られた3Dプリント建築作品「Meowwood」© Wang Zhendi、中国建築材料科学研究所：近年、認知レベルでは、コンクリート3Dプリントの神秘性が徐々に薄れつつあり、これは技術の進歩と推進と切り離せないものです。

技術的なレベルでは、具体的な 3D プリント材料は徐々に豊富になってきています。具体的な 3D プリント技術の応用と開発には、材料が鍵となります。材料の品質は、印刷性、機械的特性、収縮、長期使用性能に関係します。現在、中国では、ケイ酸塩セメント系印刷材料、硫酸アルミネートセメント系印刷材料、ジオポリマー印刷材料、石膏系印刷材料など、さまざまな材料システムを使用した印刷の成功事例があります。印刷材料の量によって、3D 印刷技術の適用範囲が大きく決まります。既存の 3D プリント材料は、基本的に建築材料や建設の分野におけるほとんどのニーズを満たしています。

3Dプリントは標準化においても大きな進歩を遂げており、業界および協会グループの標準の数は徐々に増加しており、3Dプリントされたコンクリート材料と構造性能の評価に優れた基盤を提供しています。この方向では、わが国は諸外国よりわずかに先行しています。

私の国は自動化強化の分野で重要な進歩を遂げました。海外で使用されている層間横補強技術とは異なり、わが国の科学研究機関、大学、工程局などの機関は、層間縦補強において画期的な進歩を遂げ、自動層間縦補強を実現し、コンクリート3Dプリントの引張強度とせん断強度を大幅に向上させました。

もう一つの非常に重要な点は、わが国では、住宅建設、橋梁、造園、市営彫刻、緊急施設などの応用実証プロジェクトが多数実施されており、コンクリート3Dプリントの能力と利点が証明され、コンクリート3Dプリント業界全体の進歩が促進されていることです。

3D プリント技術が徐々に推進され、応用されるにつれて、その利点は業界内外で広く認識されるようになりました。 3Dプリントは「グリーン鋳造」や「フレキシブル鋳造」技術とも呼ばれ、金型を使わない成形が実現できるだけでなく、高精度、高精細、グリーン環境保護などの利点があり、鋳造業界の変革とアップグレードを支援する重要な科学技術の力となっています。

Q: あなたは長年コンクリート 3D プリントの分野で働いており、業界の発展を目の当たりにしてきました。この分野での主な仕事は何ですか?こうした取り組みは、業界の発展を促進する上でどのような役割を果たしましたか?

王振迪：中国建築材料研究院は、中国で最も早くコンクリート 3D プリントの研究を行った機関の 1 つです。近年、チームは主にコンクリート3Dプリントの基礎研究を行ってきました。まず、建設要件を満たす3Dプリントセメント系材料を開発し、コンクリートの印刷可能範囲を確立し、3Dプリントセメント系材料の設計と組成制御の原則を示し、貫入抵抗に基づく現場印刷性評価方法を確立して、印刷可能なセメント系材料の組成設計を導き、関連企業や機関による研究の重複を回避しました。

第二に、従来の直接引張法や三点曲げ法ではプリントコンクリートの界面接着強度を評価することが困難であったことに対応して、適用された圧縮応力を界面での引張応力に変換する改良型の「クロス法」が提案され、3Dプリントコンクリートの界面接着強度の評価の問題を解決し、建築材料業界の標準として策定され、業界の発展に公益的な貢献を果たしました。

3つ目は、国内外で初めて層間の長距離連続縦補強技術を開発し、補強検証後、曲げ・引張支持力が大幅に向上したことです。この技術は、ホッチキス式、釘式、垂直挿入式の自動補強プロセスを統合し、コンクリート3Dプリントの完全性と実用性の向上に貢献し、コンクリート3Dプリントの自動補強という国際的な問題に中国独自の解決策を提供します。

第4に、国際化の面では、RILEM TC-276 DFC（セメント系材料のデジタル製造）、RILEM TC-ADC（3Dプリントコンクリート材料と性能評価）、RILEM TC-PFC（フレッシュ3Dプリントコンクリートスラリーの性能要件とテスト）などの技術委員会の委員を務め、中国のコンクリート3Dプリントの技術進歩と主要な発展をいち早く国際的に宣伝しました。

第五に、特別招待編集長として、コンクリート3Dプリント研究に携わる国内外の著名な学者の著作を集めた「セメント系材料の3Dプリント」特集号の出版原稿を編集しました。原稿には、3Dプリントセメント系材料の設計、プリント可能な材料の探索、レオロジーと施工性、機械的特性の特性評価、応用シナリオとエンジニアリング応用事例など、最先端の研究方向における最新の研究進捗状況、セメント系材料の3Dプリント技術の発展を妨げる科学的問題と技術的困難に関する詳細な議論が網羅されており、国内の優れた科学研究者の努力を体現しており、業界にとって高い学術的参考価値とエンジニアリング指導的意義を持っています。

6つ目に、現在、「3Dプリントセメント系材料の用語」、「3Dプリントセメント系材料の界面結合強度評価方法」、「3Dプリントセメント系材料の収縮性能試験方法」という3つの建築材料業界標準を編集中です。その主な理由は、現在の業界には対応する標準と仕様がないため、コンクリート3Dプリントの応用と開発が制限されていることです。これも解決する必要がある緊急の問題の1つです。私たちは、より多くの専門家と学者がこの公益事業に参加し、業界にさらに貢献してくれることを願っています。

Q: 新たな消費者の需要を満たすという点で、業界で解決する必要がある主な問題は何だと思いますか?これらの問題は業界の発展にどのような影響を与えるのでしょうか?

王振迪：現時点での主な問題は、適切な応用シナリオが不足し、応用需要が不十分なことであり、それが産業化の進展の遅れにつながっています。一方では、コンクリート3Dプリントのコストと技術の成熟度の問題があります。全体的に、3Dプリントコンクリートのコストは有利ではなく、補強技術は十分に成熟しておらず、アプリケーション側の需要の勢いが不十分です。一方、コンクリート3Dプリントには必要な設計基準が欠けており、設計面で参考にできる事例や標準仕様がなく、一部の非標準の実証プロジェクトにしか適用できません。

さらに、技術レベルでは、自動化された補強には科学研究への継続的な投資が必要です。補強なしでコンクリートを 3D プリントすることは、構造設計仕様を満たさず、一般の人々に受け入れられることは困難です。

Q: コンクリート 3D プリントの高品質な開発を実現し、新たな消費者の需要に効果的に応える方法について、具体的な提案や意見はありますか?

王振迪：まず、国家の科学技術レベルでの政策支援を強化します。国はすでに金属積層造形分野に大きな特別支援を行っている。積層造形分野の一つであるコンクリート3Dプリントは、まだ特別な科学技術投資を受けていない。第13次5カ年計画期間中、他の特別プロジェクトに散発的に研究開発投資が行われるのみで、国家科学技術レベルの特別支援には含まれていなかった。業界団体は積極的に呼びかけ、科学技術部、中国国家自然科学基金、主要新材料プロジェクトの重要な研究開発計画を調整し、3Dプリントコンクリート材料、主要技術の統合とエンジニアリングの応用に関する基礎研究のフルチェーン設計と投資を行い、国家レベルでコンクリート3Dプリント技術の急速な発展を促進することを推奨します。

2つ目は、具体的な3Dプリント人材チームの構築を加速し、独自のコア技術を積極的に育成することです。コンクリート3Dプリントは学際的な分野であるため、材料科学や機械自動化の知識だけでなく、優れたコンピュータのバックグラウンドも必要です。現在、そのような複合的な才能が不足しています。教育レベルでは、大学に3Dプリントのコースや専攻を開設し、さまざまなタイプの革新的な3Dプリントの人材を育成し、学界と産業の急速な発展のための基本的な人材保証を提供する必要があります。科学技術レベルでは、高品質の科学技術革新チームグループの育成を加速し、我が国の具体的な3Dプリント分野の発展を支援し、現在および将来の我が国の具体的な3Dプリント業界の発展ニーズを満たすための中核力を形成する必要があります。

3つ目は、コンクリート3Dプリントの標準評価システムを段階的に改善することです。設計、施工、検収、実験室試験、評価などの各段階における技術標準のニーズを満たす標準システムの構築を加速し、コンクリート3Dプリント業界の発展の障害を取り除き、我が国のコンクリート3Dプリント技術の急速な発展と進歩を促進します。第四に、コンクリート3Dプリントの応用端需要を積極的に誘導し、応用需要側からの開発を推進します。コンクリート3Dプリント産業の発展方向を計画し始め、3Dプリントの技術研究開発と基礎研究を重視し、コンクリート3Dプリントの応用ニーズをサポート・指導し、政策と税制上の優遇措置を提供し、大企業と建設部門がコンクリート3Dプリント技術の発展を推進する主体となることを奨励し、応用側からの経済的・技術的利益を伴う実際のニーズを創出することで、コンクリート3Dプリント産業の発展レベルを大幅に向上させることができます。

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