ハルビン工業大学: 3D プリント建物が環境性能 (材料、プロセス) に与える影響を研究し、3D プリント建物構造の設計を指導します。

はじめに: 3D プリント建設技術は、資源効率の向上、建設生産性の向上、サポート構造なしで複雑な形状を構築する能力など、持続可能な開発に大きな利点があると考えられています。 3D プリントされたコンクリート材料は、フライアッシュ、シリカフューム、スラグなどの産業廃棄物を使用して材料を節約するとともに、持続可能性の利点ももたらします。それで、これはどの程度持続可能なのでしょうか?数値で定量化または限定することはできますか?

南極熊は、2022年3月11日に中国のハルビン工業大学（深圳）経済管理学院、シンガポールの南洋理工大学、米国ペンシルベニア州立大学産業製造工学部の研究者らが共同で「産業廃棄物を使用したコンクリート製品の3Dプリントと従来の鋳造法の環境性能の比較研究」と題する研究論文を発表したことを知った。この記事では、3Dプリント技術の環境的利点と関連する問題について考察します。具体的な研究結果を見てみましょう。

研究者らは、ライフサイクルアセスメント（LCA）を通じて、従来の材料と比較して、3Dプリント可能なコンクリート材料（産業廃棄物）の使用による環境への影響を調査しました。コンクリート鋳造または 3D プリントに適用された 2 種類のコンクリート材料、セメント系コンクリートおよびポリマーコンクリートの衝撃結果を比較しました。結果は、廃棄物をセメントの代替品として使用すると環境上の利点が得られることを示していますが、この環境上の利点は、3D コンクリート印刷に使用されるポリマーコンクリートの活性剤含有量が増加すると減少します。上記の材料レベルの LCA 結果に基づいて、本研究ではさらに印刷レベルの LCA 研究を実施し、コンタークラフティング法を使用して構築されたさまざまな形状のコンクリート部品のライフサイクル環境影響を調査しました。結果は、3D コンクリート印刷の潜在的な環境上の利点が建物の複雑さとともに増加することを示しています。

LCA は研究ツールです。ライフサイクルアセスメント (LCA) は、製品システムの入力、出力、および潜在的な環境への影響をライフサイクル全体にわたって評価する方法です (ISO、2006)。環境への影響の定量的な結果を提供するため、3D プリント構造の環境性能についてより信頼性の高い結果を提供できます。具体的な LCA 研究手順については、記事の最後にある記事リンクで確認できます。

△ 機能単位とシステム境界の定義（LCA評価用）

まず、研究者らは、3D プリントおよび鋳造コンクリート製品に使用されるさまざまな材料の環境パフォーマンスへの影響について比較研究を実施しました。研究者らは、コンクリートの注入や 3D プリントに使用される 2 つのコンクリート材料、つまり OPC ベースのコンクリートとポリマーコンクリートを比較しました。結果によると、ジオポリマーコンクリートは産業廃棄物が約 20% 多く発生し、OPC ベースのコンクリートよりも環境に優しい代替品と考えられていますが、3D プリントに適用した場合の性能は OPC ベースのコンクリートより優れているわけではありません。これは、ポリマーコンクリートには活性剤の含有量が多く含まれており、これが印刷可能な材料の構築性にとって非常に重要だからです。

△コンクリート製造における環境影響へのさまざまなプロセスの寄与

第二に、研究者らは、3Dプリント製造方法と従来の製造方法が環境性能に与える影響を研究した。結果は、3D コンクリート印刷の潜在的な環境上の利点は建物の複雑さとともに増加し、型枠の再利用の時間が長くなるにつれて減少することを示しており、3D コンクリート印刷方法は反復のない自由形状のコンクリート構造物の建設に適していると結論付けています。

△3Dプリント型枠を使用して構築されたコンクリート部品のLCA結果（従来の型枠を使用した注入方法の値に基づく）

研究者の比較結果は、建設業界で働く人々にとっても実用的な意味合いを持つ。
●まず、コンタークラフト工法で構築された部品構造は、従来の鋳造に比べて構造強度が弱い可能性があるため、設計を最適化する必要があります。さらに、輪郭加工されたプロセスコンポーネントの構造特性を確保するために追加の対策が必要になる可能性があり、これにより環境負荷が増加する可能性が高く、無視することはできません。

●さらに、3D プリントの潜在的な環境上の利点は、実際のプロジェクト設計と密接に関連しています。構築方法を選択する際には、構築されるオブジェクトの複雑さと再現性を考慮する必要があります。

●最後に、3D プリント技術は、環境に大きな影響を与えることなく、より複雑な要素を構築する可能性を秘めています。

同時に、記事では、デザインの不必要な過度の複雑さを避けるために、製造前に美的嗜好（装飾に複雑な壁を使用するなど）と機能的考慮事項（仕切りに単純な直線の壁を使用するなど）のバランスを取る必要があると指摘しています。 3D プリントと従来の建設方法が環境への影響に関して一定のバランスを達成できるバランスポイントを特定するために、さらなる努力を行う必要があります。構造の複雑さの定義と分類は重要であり、それに基づいてトレードオフポイントを決定し、最も適切な製造設計の選択を容易にすることができます。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134310

ハルビン工業大学: 3D プリント建物が環境性能 (材料、プロセス) に与える影響を研究し、3D プリント建物構造の設計を指導します。

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