コーネル大学は、建物が時間の試練に耐えられるかを学生に探究するコンクリート3Dプリントクラスを提供しています。

2022年5月14日、アンタークティックベアは、ニューヨークのコーネル大学サーストンホールの地下にあるボベイ民間インフラ実験施設が最近、産業用3Dプリントロボットを購入したことを知りました。重さ約6,000ポンドのこの機械は、大型構造物を3Dプリントする能力を備えており、将来的に建設業界に変化をもたらす可能性がある。
ボヤイ研究室の技術サービスマネージャーであるジェームズストレイト氏と、土木環境工学助教授のスリラミヤネール氏は、コーネルフォントの大きな文字 C の 3D プリントを監督しています。チャリサ・キング・オブライエン/提供
3D プリントの利点は数多くあり、持続可能な材料、効率的な生産速度、大量の廃棄物の排除などがそのほんの一部です。そのため、多くの産業分野ではすでに日常の生産に 3D プリントを導入しており、将来のプロジェクトにも適用する方法を模索しています。
3D プリントの市場はここ数年で大幅に成長しており、自動車製造、航空宇宙、さらにはバイオメディカル産業にとって不可欠な要素となっています。しかし、コンクリート印刷の世界では、積層造形技術はまだ他の分野ほど進んでいません。すでに多くのプロジェクトが実現されている一方で、建設技術者や研究者は、3D プリントされた構造物が今後数年間でどのように時の試練に耐えられるかなど、まだ多くの疑問を抱いています。
これらの残された疑問に対するさらなる答えを見つけるために、ニューヨーク州イサカのコーネル大学は最近、コンクリート 3D プリントの分野での研究に役立つこの重量級ロボットを購入しました。「ロボットによる石工（レンガ積み）、リサイクルプラスチックを使った印刷、大規模な金属印刷は、科学と研究、技術とエンジニアリングの両面で、進歩の余地が大いにある刺激的な分野です」とコーネル大学の土木環境工学教授デレク・ワーナー氏は語る。「印刷された建物を実際に使用できる範囲に近づけるためには、建築プロセスを制御する多くのパラメータのスケーリングを調査する必要があります。これは、パフォーマンスを制御するいくつかの現象にも当てはまります。さらに、新しい技術を早期にスケールアップすると、常に未知の驚きが起こります。」
革新的な産業用ロボット<br /> 前述のように、IRB 6650S と呼ばれる 3D プリントロボットは、重量が約 6,000 ポンドで、約 13 フィートの長さのロボットアームと、約 12 フィートのトラック上に設置された印象的な構造になっています。 2月初旬に研究所に到着したこのハイテク機器をコーネル大学が所有することで、世界でもごく少数の教育機関しか持っていない数多くの研究機会が開かれることになる。とりわけ、このシステムにより、工学部の学生はロボット構築の研究を行うことができ、現場で直接経験を積むことができるようになります。
△ボベイ土木インフラ研究所複合施設に新たなテナントが入居。建設をより持続可能なものにするために、大型構造物を3Dプリントできる重さ約6,000ポンドの産業用ロボットだ。チャリッサ・キング・オブライエン/提供土木環境工学助教授のスリラミヤ・ネール氏は、「私たちは学生たちに、今まさに起こっている最先端技術について学ぶ新たな機会を与えています。知識が深まるほど、変化の推進者になれるだけでなく、限界も発見できるようになります」と説明した。
ロボットシステム自体について、彼女は次のように結論づけました。「ロボットシステムは多用途で柔軟性があります。私たちがロボットシステムを使用する方法の 1 つはコンクリートの 3D プリントですが、他の用途にも使用できます。たとえば、溶接機やレーザーシステムを取り付けたり、レンガを積み上げたり、鉄筋を結んだりすることもできます。そこでの面倒なプロセスの多くは自動化できます。」
コンクリート 3D プリントのプロセス<br /> コンクリート印刷作業にはチームの協力が必要です。 1 つのグループは、あらかじめ混ぜ合わせたモルタルを混ぜ、混合物の水分含有量を減らしてホースからの流れを改善する減水剤などの添加剤を混ぜ込みます。別のグループはロボットのコントローラーを操作して、システムを流れる混合物の量を調整します。混合物がロボットの押し出しヘッドとノズルに到達すると、硬化添加剤が導入され、注入時に材料が厚くなります。
「下の層は、印刷する次の層を保持できるほど硬くなければなりません」とストレイト氏は言う。「しかし、次の層を上に印刷したときにくっつかないほど硬くしてはいけません。そこに接着力が必要ですが、押しつぶされてしまうほど柔らかくしてはいけません。」このプロセスは労働集約的ですが、うまく行けば、3D 印刷によって型が不要になり、無駄な材料を少なくして型破りな形状を作成することもできます。
「歩道などのコンクリートを流し込むときは必ず、型を作らなければなりません。労力と材料が必要で、そのすべてに長い時間がかかります。コンクリート構造に変更を加えるたびに、型を修正するか、新しい型を入手して、そのための労力を費やす必要があります。対照的に、コンクリートの 3D プリントは、コンピュータープログラムをクリックするだけで完了します。
ナイア氏は、秋に教える新しいコース「持続可能性と自動化：建設の未来」にこのシステムを統合し、学生が自分の分野で今後起こる変化に備える手助けをすることを計画している。
現在、このシステムはモルタルを使用して 3D プリントされており、技術的には最大 4 mm の大きさのポリマーのペーストです。これより大きいと詰まりが発生し、ポンプシステムが損傷する可能性があります。しかし、ナイア氏のチームは、より大きな骨材を使用し、より重い荷重に耐えられる鋼繊維コンクリートを印刷するための独自の押出機ヘッドを構築するつもりだ。これにより、ラボでブリッジのコンポーネント全体を 3D プリントしてテストする道が開かれます。
△ 土木環境工学助教授のスリラミヤ・ナイル氏（左）が率いるチームが、ボベイ研究室で3Dプリント用のモルタルを準備している。
ネール氏はまた、メーカーがあらかじめ混合した材料に頼るのではなく、チームが独自の混合物を作って印刷できるようにしたいと考えている。「これらの材料の二酸化炭素排出量は現在非常に高いです」と彼女は言う。「ですから、3D プリント材料に関連する二酸化炭素排出量を削減することがもう一つの目標です。」

コーネル大学は、建物が時間の試練に耐えられるかを学生に探究するコンクリート3Dプリントクラスを提供しています。

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