3D プリンティングは固形廃棄物の合理的な利用を実現するのにどれくらい遠いのでしょうか?

出典：中国建材ニュース

一般的に「3D プリンティング」として知られる付加製造技術は、1980 年代に誕生し、機械、コンピューター、数値制御、材料を統合したインテリジェントな製造技術です。 3D プリント技術は、当初はプラスチック製品しか印刷できませんでしたが、現在では金属、セラミック、プラスチック、コンクリートなど、さまざまな材料を印刷できるようになりました。現在、3Dプリンターは住宅、自動車部品、衣類を印刷できるだけでなく、頭蓋骨、心臓、血管、人工器官なども印刷でき、人々の生活に大きな役割を果たしています。

私の国は固形廃棄物の主要生産国です。天然資源の不足と固形廃棄物による環境汚染の二重の圧力に直面している中、固形廃棄物の多角的な資源利用を開発することが、我が国の資源ジレンマを解決し、持続可能な経済社会の発展を達成する唯一の方法です。 3D プリンティングと固形廃棄物の利用を効果的に組み合わせるにはどうすればよいでしょうか?固形廃棄物の合理的な利用を実現するために、他にどのような作業が必要ですか?最近、中国珪酸塩学会固形廃棄物及び生態材料支部と中国建材新聞社が共催し、中国珪酸塩学会固形廃棄物及び生態材料支部の于連副秘書長が司会を務めた第12回「固形廃棄物利用強強四者交流活動」では、多くの専門家が「3Dプリントと固形廃棄物利用の革新的発展」について意見を交換し、固形廃棄物資源利用の発展をさらに促進し、3Dプリント技術と固形廃棄物利用の融合を加速しました。
△写真は南京グリーン付加製造研究所が提供した代表的な3Dプリントプロジェクトです。
3Dプリントには明らかな利点がある

現在、コンクリート3Dプリント材料のコストは、従来の建築材料に比べて高すぎます。印刷材料の砂やセメント質材料の一部を固形廃棄物で置き換えると、ユーザーの観点からコストを効果的に削減できます。

従来の建設技術と比較して、コンクリート3Dプリント技術は、テンプレートが不要、省力、材料の節約、総コストの低さ、設計の自由度の高さ、施工効率の高さ、人員の安全リスクの低さなどの利点があり、国内外で広く注目を集めています。

この点について、東南大学材料科学工学部教授で南京グリーン付加製造研究所所長の張亜梅氏は、従来の建築技術では、型枠を設置し、補強材を配置し、コンクリートを流し込む必要があるが、高層ビルが当たり前で人件費がますます高騰している今日の世界では、これは安全上の危険をもたらすだけでなく、建設コストも上昇させると述べた。コンクリート 3D プリント技術は、デジタルモデルに従ってコンクリートを印刷材料として使用し、層ごとに印刷して 3 次元構造またはコンポーネントを形成する技術です。現在、押し出し成形に基づく 3D プリント技術は国内外で広く使用されており、主にロボットアームコンクリート 3D プリントとトラスコンクリート 3D プリントの 2 つのモードがあります。「型枠を使用する従来の建設技術と比較すると、コンクリートの3Dプリントは一般的に低炭素です。建物の設計がパーソナライズされるほど、より多くの型枠が消費され、多くの型枠が一度使用されるため、大量の廃棄物が発生するからです」と張亜美氏は述べた。

多くの 3D プリントプロセスの中で、コンクリート 3D プリントは比較的急速に発展しました。杭州観力智能科技有限公司の研究員である田観飛氏は、その理由として、第一に、押し出し印刷速度が非常に速い、つまり、コンクリート3Dプリントの単位時間当たりの効率が他のプロセス（FDM、SLS、Dシェイプなど）よりも数桁速いこと、第二に、印刷材料のコストが低いことが挙げられると考えています。金属3Dプリントとプラスチック3Dプリントの材料コストは、コンクリート3Dプリントよりも1桁または2桁高くなります。

固形廃棄物が3Dプリント材料になるかどうかという問題について、田冠飛氏は、コンクリート3Dプリント材料の現在のコストは、従来の建築材料に比べて高すぎると述べた。固形廃棄物をプリント材料の砂やセメント質材料の一部に代用すれば、ユーザーの観点からコストを効果的に削減できる。しかし、固形廃棄物の供給源とその組成の安定性は印刷材料にとって非常に重要です。組成が不安定な場合、印刷材料は比率とプロセスを常に調整する必要があり、特別な注意が必要です。
△写真は代表的な3Dプリントプロジェクト。南京嘉義精密機械製造有限公司/提供。開発スピードが比較的速いことに加え、具体的な3Dプリントは国内の応用面と需要面では依然として遅れをとっている。この点について、北京宇宙智能建設技術有限公司の張永紅ゼネラルマネージャーは、わが国の現在の建築3Dプリント技術は世界をリードする立場にあるが、商業化、宇宙3Dプリント、政策支援の面では海外が先行していると指摘した。現在、コンクリート3Dプリントの応用は主に米国、中国、ヨーロッパ、オーストラリアに集中しています。わが国でも、多数の大学、研究機関、企業がこの業界に参入しています。主な応用対象は、軍事訓練兵舎、車両隠蔽構造、前哨基地、住宅、オフィス、別荘、哨舎、バス停、隔離室、書店、トイレ、花壇、花壁、海岸線、フォント、標識、景観などの建物です。「コンクリート3Dプリント技術は急速に発展しており、中国で大きな応用の可能性を秘めているが、標準設定、原価計算、建築許可、廃棄物のリサイクル、炭素排出量の削減など、すべての関係者の共同推進が必要だ」と張永紅氏は述べた。

いくつかの問題は無視できない

コンクリート3Dプリント技術の急速な発展の背後には、国内外の同業者が共同で解決しなければならない問題がまだ多く残っており、その中でも、コンクリート3Dプリントの低炭素発展をどのようにさらに実現するかが課題の1つとなっている。

「デュアルカーボン」の目標は人類の生存と発展に関係しています。この文脈で、3D プリントは低炭素なのでしょうか?現在の主な問題は何ですか?この点について、張亜美氏は、現在のコンクリート3Dプリント技術は、特にいくつかの工学プロジェクトにおける主要な応用において、すでに国内外で一定の影響を与えており、国内外の業界関係者からも広く注目されていると述べた。しかし、コンクリート3Dプリント技術の急速な発展の背後には、国内外の同業者が共同で解決しなければならない問題がまだ多く残っており、その中でも、コンクリート3Dプリントの低炭素発展をどのようにさらに実現するかが課題の1つとなっている。

「コンクリート3Dプリントはテンプレートを必要とせず、材料を節約できるため、本質的に低炭素技術です。しかし、3Dプリント技術のさまざまな側面をさらに重視すると、現在大量に使用されているコンクリート3Dプリント材料は低炭素ではないことがわかります。」張亜美氏は、現在広く使用されているコンクリート3Dプリント技術はモルタル3Dプリントに基づいており、セメントの消費量は一般的に830±230kg / m3で、流し込みコンクリートの約2倍であると指摘しました。材料の源からコンクリート3Dプリントの高炭素排出量問題を解決することが急務です。これを実現するための主な方法としては、コンクリート中のセメントクリンカーの量を減らすこと、セメントに代わる新しい低炭素セメント質材料を開発すること、粗骨材を使用すること、コンクリート原料の代わりに固形廃棄物をリサイクルすること、高耐久性/超高耐久性の 3D プリントコンクリートを開発することなどが挙げられます。

具体的な 3D プリント技術は多分野にわたるため、材料、設計、設備の分野だけに頼って理想的な応用効果を達成することは困難です。これについて、張永紅氏は、住宅建築の各分野には建築設計、構造設計、配管・電気設計、施工組織・管理などが含まれるとし、現在、国内のコンクリート3Dプリント技術は技術先行の状況にあり、技術の上流と下流の専門職の統合が十分に進んでいないため、建築デザイナーとの統合を強化し、デザイナーがコンクリート3Dプリント製品のプレゼンテーションに力を入れられるようにする必要があると述べた。「デザイナーにとって、まず注目するのはコンクリート3Dプリントの設計方法です。なぜなら、新しい技術が導入されたとき、デザイナーがそれを実行したい場合、設計方法と生産プロセスを組み合わせる方法を見つけなければならないからです。しかし、コンクリート3Dプリントプロセスは従来の建設プロセスとは大きく異なります。設計方法の観点から、デザイナーはそれを再構築する必要があると考えています。これは、デザイナーが今後注力する重要な問題です。また、需要側から見ると、建築3Dプリントと顧客のニーズをどのようにうまく組み合わせるかも、今後検討すべき課題の1つです。」と張永紅氏は強調しました。

コンクリートの3Dプリント技術は、設計、構造、材料、設備、ソフトウェア、装飾と密接に関連しています。設計者や建設作業員は、機械が可能な限りインテリジェントになり、人手が最小限で済むことを望んでいますが、この技術の普及にはまだいくつかの困難があります。田冠飛氏は、問題の一つは設備の不便さが広範囲に及んでいることだと指摘した。 3D プリントに携わったことがある人なら誰でも、プリントプロセスには機器の輸送、設置、プリントのデバッグ、クリーニングなど多くの作業が伴い、非常に面倒であり、利便性、高精度、高速性を実現するために、プロセスと材料に応じて継続的に改善および最適化する必要があることを知っています。第二に、コンクリートの 3D プリント中に鉄筋を配置するプロセスは、ほとんどが手作業で行われます。つまり、機械がプリントし、人間が鉄筋を配置するため、最も重要な構造上の問題は、鉄筋をどのように配置するかということです。 3 つ目は材料の問題です。コンクリート 3D プリントはデジタルかつインテリジェントであり、設計、材料、構造、機械、ソフトウェアなどの分野が関係します。これは相互統合プロセスです。美観に優れ、全体的なコストを制御できる材料をどのように配合するかをさらに検討する必要があります。 4番目はソフトウェアとアルゴリズムです。現在、国産設備のソフトウェアは独自開発されることはほとんどなく、ほとんどが海外のオープンソースソフトウェアを使用しています。この観点から見ると、我が国の3Dプリント技術は急速に発展していますが、まだ学ぶべきことがたくさんあります。

固形廃棄物の利用は合理的である必要がある

固形廃棄物の利用は「デュアルカーボン」目標を達成するために重要な社会的意義を持っていますが、3Dプリントコンクリートの構造は従来のコンクリートとは異なります。また、固形廃棄物はさまざまな発生源から発生し、その性能は大きく変動します。コンクリートの3Dプリントプロセスに適用する場合、合理的に対処し、科学的かつ合理的な利用を重視する必要があります。

コンクリート 3D プリントの出現と徐々に普及して以来、材料は常にコンクリート 3D プリントの推進に対する大きな障害となってきました。 3Dプリント技術と固形廃棄物の組み合わせに関して、張亜美氏は、従来のコンクリートと比較して、コンクリート3Dプリント技術で使用される粗骨材の量は非常に限られており、粗骨材の制約のないコンクリートはひび割れが発生しやすいと指摘した。コンクリート構造物では、鉄筋は引張応力に耐えることができますが、コンクリートの 3D プリントは、世界的に見ても補強の問題をまだ十分に解決できていません。したがって、材料科学の観点から、3Dプリント技術と固形廃棄物の組み合わせなどの問題を客観的に見る必要があります。

「固形廃棄物の利用は『デュアルカーボン』目標を達成する上で重要な社会的意義を持っていますが、3Dプリントコンクリートの構造は従来のコンクリートとは異なります。また、固形廃棄物はさまざまな発生源から発生し、その性能は大きく変動します。コンクリートの3Dプリントプロセスに適用する場合、合理的に考え、科学的かつ合理的な利用を重視する必要があります。」張亜美氏は、固形廃棄物はコンクリート3Dプリント技術で長い間使用されており、コンクリート3Dプリント技術の長期性能に特別な注意を払う必要があると述べました。コンクリートの印刷要件を満たす必要があり、収縮のない長期性能を含む機械的特性を満たす必要があり、長期変形性能要件とひび割れがないことに注意する必要があり、耐久性に注意する必要があり、安全性、経済性、低炭素を確保する必要があります。
△写真は北京宇宙智能建設技術有限公司が提供する3Dプリント建物と製品です。応用面では、標準が技術を推進する唯一の方法です。固形廃棄物を印刷材料として使用するための基準と仕様の要件と策定について、田冠飛氏は、固形廃棄物を具体的な 3D 印刷材料として使用するための技術基準が必要であると述べました。まず、固形廃棄物は、鉱業、工業冶金、建築廃棄物など、多くの発生源から発生します。環境保護と有害物質の観点から重視する必要があり、建築材料と印刷物の環境保護要求に準拠する必要があります。第二に、固形廃棄物を混合したコンクリート 3D プリント材料は、固形廃棄物を含まないモルタルコンクリートとほとんど変わらず、印刷可能な硬化時間、印刷性、施工性、設計強度が要件を満たす必要があります。

「コンクリート3Dプリント施工技術を積極的に推進したいのであれば、標準化の面でやるべきことがまだたくさんある」と張亜美氏は指摘した。これに関して、わが国では現在、「コンクリート3Dプリント技術規則」、「3Dプリントコンクリート混合物性能試験方法」、「3Dプリントコンクリート基本機械的性質試験方法」などの標準が発行されており、「3Dプリントコンクリート収縮試験方法標準」や「3Dプリントコンクリートプレキャスト部品品質受入標準」などの標準も準備中である。しかし、コンクリート3Dプリント技術の大規模な推進を実現するためには、わが国は材料、設備、製品、設計、施工、受入などの面に関するより多くの標準を策定する必要がある。

明るい将来展望<br /> 現在、我が国が製造業強国を築くための総合戦略が国家レベルで決定され、製造業において大規模から強力への歴史的な飛躍を達成しなければならないことが明確に述べられています。現在、具体的な3Dプリントには業界や企業が協力して解決しなければならない問題がまだ多くありますが、私たちは揺るぎなくこの道を歩み続けなければなりません。

3D プリント材料の開発は、ポリマー材料、金属材料、セラミック材料へとプロセスを経てきました。現在、3Dプリント技術の活力を反映して、あらゆる分野で新しい素材が次々と登場しています。コンクリート 3D プリントには、将来的に課題とチャンスの両方があります。

△写真は3Dプリントされた建物と製品。杭州観力智能科技有限公司/張永紅提供によると、コンクリート3Dプリントのプロセス自体から見ると、パーソナライズされたカスタマイズと制限のないデザインに最も適しているという。多品種少量生産の製品は3Dプリントによる生産に適しています。コンクリート 3D プリントの利点は、パーソナライズされた建設、災害後の復興、南極の科学研究、無人地域、砂漠、月、火星などの過酷な環境や極端な環境での建設においてより顕著になります。

田冠飛氏は、現在のコンクリート3Dプリント市場の応用率は非常に低く、わが国の建築土木市場規模の約10万分の1を占めており、無視できると述べた。コンクリート3Dプリント技術は建設自動化の一形態です。現在の建設・土木工事の自動化レベルが比較的低いことを考慮すると、コンクリート3Dプリントを積極的に開発することは、我が国の製造大国化の進展と無人化・自動化された建設現場の実現を支援する上で大きな意義があります。

「現在、我が国が製造大国を築くための全体戦略は国家レベルで決定されており、大規模から強力への歴史的な飛躍を達成することが明確に提案されています。現時点では、具体的な3Dプリントには業界と企業が協力して解決する必要がある問題がまだ多くありますが、私たちは揺るぎなくこの道を歩み続けなければなりません」と張亜美氏は述べた。

イノベーションの面では、新しい材料、新しい技術、新しい機器の面で、将来的に具体的な 3D プリントに大きな余地があります。コンクリート3Dプリントの施工効率と印刷設備の輸送と解体を改善する方法について、田冠飛氏は、コンクリート3Dプリントは材料を麺状に絞り、指定された経路で積み重ねるパスタマシンのようなもので、水平方向の前進速度と積み重ねる各層の厚さが影響要因であると述べました。将来的には、現在の単一のプリントヘッドをデュアルプリントヘッド、さらには複数のプリントヘッドに変更することも考えられます。また、比較的小さな面積を占めるプリンターをリンクまたは調整して印刷施工を行うこともできます。

コンクリート 3D プリント設備をインテリジェントかつシンプルにする方法に関して、張永紅氏は、コンクリート 3D プリントで最も広く使用され、主流となっている構造はガントリー構造とロボット構造であると考えています。両デバイスの知能レベルは高くなく、印刷プロセス中に依然として人間の介入が必要であるため、機器を軽量かつシンプルにすることが非常に重要です。これは、今後の具体的な 3D プリント装置の開発方向でもあります。張亜美氏は、現在コンクリート3Dプリント建物の全体的な建設進捗に影響を与えている主な要因は補強の問題であると指摘した。コンクリートの印刷自体は比較的時間がかかりますが、構造物の水平および垂直の接続（梁、スラブ、柱など）の構築にも時間がかかることがよくあります。小さな家の場合、コンクリートの印刷時間は数十時間しかかからないかもしれませんが、その後の梁、スラブ、柱の現場打ち工事のため、プロジェクト全体には数か月かかることがよくあります。そのため、コンクリート3Dプリント建物の効率を向上させるには、コンクリート3Dプリントプロセスに適合した補強技術や新しい構造の開発にも注意を払う必要があります。

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