建設における大規模3Dプリンティング：技術とトレンド

建設業界における大規模3Dプリントの変革的な影響についてご覧ください。この包括的な記事では、ロボットアームとガントリプリンター、主要材料、プリントプロセスの段階を検証し、建設技術における革新と将来の課題を浮き彫りにします。

大規模3Dプリンティング：建設とインフラにおける革新

この記事では、建設における大規模3Dプリントに関連するいくつかの重要なセクションを取り上げます。まず、この業界の意義と現在のトレンドについて概説します。続いて、大型3Dプリンターの種類を詳述し、ロボットアーム式プリンターとガントリー式プリンターにスポットを当て、それぞれの利点と限界について説明します。次に、使用される材料について説明します。 3Dプリンティング 様々なセメント系材料、WAAM用金属合金、新しい複合印刷材料など。

3Dプリンティングは、通常低迷している建設業界において、先進的なイノベーションとして台頭してきています。プロセスを自動化し、新しい計画の見通しを可能にすることで、3Dプリンティングは、スケジュールを短縮し、無駄を減らし、一般的に建設業の生産性と持続可能性を高めることを約束します。この記事では、建設用途における大規模3Dプリンティングの変革効果の概要を説明します。進歩の現状、将来の方向性、内在する困難について考察します。

建設業界における大型3Dプリンタの種類

大規模 3Dプリンター 建設産業で使用されるプリンターは、主にロボットアームプリンターとガントリープリンターの2種類に分類されます。この2つのタイプは、セメント系材料から建設部品を層ごとに組み立てるために、添加物製造を使用します。

ロボットアーム3Dプリンタ

ロボットアームの大規模な3Dプリントは、プリントヘッドに取り付けられたマルチピボットロボットコントローラで構成されています。このロボットアームは、6レベルの機会を通して高い適性と柔軟性を提供します。これは、従来の3ハブガントリフレームワークとは対照的に、より複雑な数学的形状を達成することを考慮しています。一般的なタイプは、移動式コンクリートポンプをプリントヘッドとして後付けした建設機械です。コンクリート搬送システムとプリントヘッドは機械に搭載され、ブームがロボットアームとして機能します。 プロトタイピングにおける3Dプリンティング アルゴリズム。アピス・コー社のような企業も、移動可能なプラットフォームに設置されたロボットアームを利用しています。

これにより、複数ユニット構造の印刷に機動性が生まれます。しかし、印刷中にロボットがさらに移動するため、制御と品質に問題が生じる可能性があります。スケールを拡大するために、Zhangらによって実証されたように、複数のロボットを連携させることができます。衝突のない移動は、協調経路計画ソフトウェアによって保証されます。課題は、ロボットのリーチによって制限される印刷可能領域の狭さです。これを克服するために、Keatingらは、追跡可能な移動ベースにアームを取り付け、現場での自律的な製作を可能にしました。

ガントリー3Dプリンター

ガントリープリンターは、建築における大規模な3Dプリントのための最も広く研究されているオプションです。Contour Craftingは、複数のオーバーヘッドガントリを使用する初期のパイオニアでした。典型的な設計では、プリントヘッドを搭載した水平移動ビームが、X軸、Y軸の固定レールまたは柱に沿って移動します。たとえば、ラフバラ大学やスペツァビアのプリンターは、建物全体を印刷することができます。COBODのBOD2やWASPのCrane WASPのようなモジュール構成は、スケールをさらに拡大します。交換可能な複数のユニットを必要に応じて組み立てることで、造形サイズは理論上無制限になります。ガントリープリンターは、制御が簡単で精度が高く、コンクリートミックスに粗骨材を使用できるなどの利点があります。しかし、可動性が限られているため、新しい建物の建設場所ごとに現場での組み立て/解体が必要です。

建築3Dプリンティング用素材

大規模な3Dプリント建設では、主要なプリント可能材料はセメント系材料と 金属合金.また、これらを組み合わせた複合印刷技術も注目されています。

セメント系材料

コンクリートによる建設用3Dプリントに一般的に使用される材料には、セメントコンクリート、ジオポリマー、繊維強化コンクリートなどがあります。セメントコンクリートは、大規模3Dプリンティング用に最も広く研究されている材料です。しかし、印刷に必要なレオロジー特性を達成するために、従来の骨材は砂のような微細な代替物に置き換えられることがよくあります。これにより、収縮ひび割れ感受性は低下しますが、複合材料は弱くなります。ジオポリマーは、セメントの一部を置き換えることができるアルミニウムケイ酸塩バインダーです。

WAAM用金属材料

大規模な3Dプリントは、ワイヤーと曲げを加えた物質製造（WAAM）プロセスを利用します。通常扱われる金属は、ステンレス、チタンの組み合わせ、アルミニウムなどです。WAAMは、建設業界の主要部品の製造に応用されています。

複合3Dプリンティング材料

繊維、スチールケーブル、マイクロケーブルで補強されたセメント系材料の研究。有望なアプローチは、コンクリート 3Dプリント材料 ロボットアームを使用して構築された鉄骨構造の周囲。しかし、熱管理に関する統合の課題が存在します。このセクションでは、建設用3Dプリントに使用される主な材料について、その概要を詳しく説明します。

3Dプリントプロセス

建設用の大規模な3Dプリントプロセスは、モデルの開発、材料の製造/輸送、レイヤーの蒸着、および品質管理で構成されます。

モデル制作

デジタルモデルは、接線連続性を使用して非平面レイヤーにスライスされ、厚さの異なるレイヤー間の移行をよりスムーズにします。 3Dプリント金属 技術。この戦略により、層間の接触面が一定に保たれます。

材料の生産と輸送

現場での大規模印刷では、中断を避けるため、コンクリートは通常、バッチプラントから生コンで搬入されます。しかし、最適なレオロジーを達成するために、輸送後、できればポンプ圧送後に追加の混合が必要になる場合があります。促進剤は、押し出し直前に導入することができます。

レイヤーデポジション

ガントリプリンターでは、プリントヘッドがスライスされたモデルに従ってツールパスに沿って材料を堆積させ、連続したレイヤーを構築します。ロボットプリンターでは、プログラムされた軌道に沿ってエンドエフェクターで材料を押し出します。 3Dプリンティングツール 速度、層厚、および材料の流れは、幾何学的精度と強度発現に影響します。継続的なフィードバックにより、リアルタイムのレオロジー制御が可能です。

品質管理

これには、フレッシュ状態と硬化状態の特性のモニタリングが必要です。レオロジーは非常に重要であり、押出エネルギーの定量化などにより、インラインで評価されます。センサーは寸法、均質性、硬化を追跡します。非破壊検査は機械的性能を評価します。プロセスデータとシミュレーションは、混合物の設計と戦略を改良します。品質管理は、設計と製造のフィードバックループを閉じます。

その他の考慮事項

大規模なプロジェクトでは、材料配送のロジスティクスを考慮した広範な事前計画が必要です。コンポーネントの組み立ては、モノリシックプリントの後に行われます。ハイブリッドアプローチは、型枠建設に大規模3Dプリントを統合します。環境コンディショニングと促進剤の投与には評価が必要です。

機械的特性

の機械的挙動 持続可能な3Dプリンティング 構造要素は、レイヤーベースの製造に起因する異方性を示します。さらに、印刷プロセスによる幾何学的な不正確さが、さらなる変数をもたらします。

強度特性

圧縮強度は、圧密圧力により印刷層の長手方向に最も高くなります。強度は横方向に低下し、最も拘束硬化の少ない層に対して垂直方向には最小になります。同様の傾向は曲げ挙動にも影響します。試験では、フレッシュコンクリートが固化する前に最も自由に沈降する印刷層に対して垂直方向で最小強度を示します。横方向の拘束や補強がないと、沈下によって層間のコヒーレンスが弱まります。強度の異方性は、異なる構築方向にわたって10%を超えます。繊維混入はこれを緩和し、応力を均一に分散させます。構造設計では、等方性を仮定するのではなく、強度の方向性を考慮する必要があります。

コンポジット3Dプリンティング

マイクロケーブルコンクリートのような補強された3D印刷混合物は、普通のセメントペーストよりも優れています。マイクロケーブルはひび割れを抑制し、衝撃による剥落を抑制します。複合材料は、補強材とマトリックスの相乗効果を利用し、構造的役割のために特性を最適化します。 食物繊維たっぷりのペースト 鋳造や押し出し成型の同等品よりも荷重が大きく、界面結合が優れていることが証明されています。複合材料は、従来は従来の建築に限られていた要求の厳しい構造用途に、大規模な3Dプリンティングを確立します。

結論

結論として、この記事では、建設業界における大規模3Dプリント技術の影響と進歩について詳しくレビューしました。主なプリンターの種類であるロボットアームとガントリー・システムの詳細な概要を述べ、それぞれの動作原理、事例、利点/制限について概説しました。このレビューでは、建設3Dプリンティング研究で注目されている主要な印刷可能材料（コンクリート印刷用のセメント系組成物、ワイヤーアーク積層造形で対象となる金属合金）についても分析しました。複合補強のアプローチについても議論しました。

全体として、このレビューでは、効率性の向上、カスタマイズ、オフサイトのプレハブ化の可能性を提供し、建設イノベーションを推進する大規模3Dプリンティングの影響力のある役割が強調されています。しかし、幾何学的な予測不可能性、不均一性、長期的な挙動特性に関する課題については、本格的な実現可能性と利点を最大化するための集中的な取り組みが必要です。技術の成熟とともに 3Dプリンティングの使用法 建築環境が将来的に進化するための触媒としての能力は、今後さらに高まるでしょう。

よくあるご質問

Q: 大規模建設で使用される3Dプリンターの主な種類は何ですか？

A: この記事では、大規模な3Dプリンティングは主にロボットアームプリンターとガントリープリンターに分類されると考察しています。ロボットアームプリンタは、プリントヘッドとマルチハブロボットコントローラを使用し、ガントリプリンタは、平らな移動バーにプリントヘッドを設置します。

Q: 建築用途で3Dプリントできる材料は何ですか？

A: 主要な印刷可能材料は、実質的な印刷のためのセメント系材料と、ワイヤー曲げ付加物製造法（WAAM）による金属複合材料です。さらに、これらを組み合わせた複合強化材のアプローチも登場しています。

Q: 建設用の大規模な3Dプリントプロセスには、通常どのような進歩があるのでしょうか？

A: 概略された主な段階は、コンピューターによるモデル作成、材料の作成/輸送、レイヤーのステートメント、新規および固化特性の品質管理です。

Q: 3Dプリントは建設にどのようなメリットをもたらしますか？

A: 特徴的な利点としては、機械化、計画の機会、スケジュールの短縮、浪費の減少、持続可能性のさらなる発展、慣習的な手法と比べた費用の減少の可能性などが挙げられます。

Q: 大規模な建設用3Dプリントには、実際にどのような困難があるのでしょうか？

A: 調査された制限は、スケールの制約、粗い総利用率、正規化の必要性、異方性特性、長距離走行の特徴づけに関係します。

Q:建設におけるこのイノベーションの将来はどうなるのでしょうか？

A: 効果の向上、カスタマイズ、オフサイト・ファブリケートを通じたイノベーションの推進におけるその役割は、進歩が成熟し、課題が解決されるにつれて高まるものと思われます。