建設中の3Dプリンティングの進化

土木工学の添加剤の製造の輸送は、1980年代に初期の実験から始まります。ステレオリソグラフィが最初にレイヤーバイレイヤーの製作を実証した時。建設部門は、当初は、急速な試作、スケールモデルの作成、およびフォームワークモックアップのための3Dプリンティングを採用しました。2000年代半ばまでに、大規模な押出システムで進歩し、本格的な建築部品の印刷を可能にしました。今日、技術は、壁システム、橋のセグメント、さらには5メートル以上の解像度で5メートルのプリントを上回るまで、幅広い作業速度を上回るまで、幅広い作業速度を実現します。

建設におけるコア技術による付加価値製造

押出加工技術

コンクリート3Dプリントの最も一般的な方法は、ロボットガントリーやロボットアームがノズルを通して粘膜を突き出ます。材料は、冷間接合なしでヒューズをコントロール層に堆積しています。 ICON]のような企業は、この技術を使用して24時間に印刷された家を実証しました。

粉のベッドの融合およびバインダーのジェット機

粉末ベースのシステムは、粉末(砂、セラミック、または地質ポリマー)の薄い層に液体バインダーを適用し、粒子を選定して複雑な幾何学を作成します。これらの方法は、高分解成分を生成しますが、構造強度を達成するために、後処理熱処理が必要です。

ロボットアームの蒸着

特殊な押出機を備えた産業用ロボットアーム(KUKA、ABB)は、非平面形状、オーバーハング、およびカーブ構造を支持材料なしで印刷するための6軸自由を提供します。 この柔軟性は、建築ファサードとカスタムブリッジ要素にとって価値があります。

業界データがサポートする主な利点

土木工学における3Dプリンティングの利点は単なる理論的ではありません。それらはプロジェクト成果によって裏付けられます。

  • 材料廃棄物削減:]伝統的な構造は、切断とオーバーオーダーによる10〜15%の廃棄物を発生させます。 添加剤製造は、必要な材料だけを使用し、最も印刷されたプロジェクトで3%未満の廃棄物を切断します。 Stuttgart大学による研究では、従来の強化されたコンクリートに比べ、材料使用量が60%削減されました。
  • 建設スピード:] 典型的な単階建ての家は、従来の方法で4〜6週間かかります。 3D印刷は、構造シェルフェーズを2日間以内に減らすことができます。 []] ロシアのApis Cor[[[]]は、サイト上で24時間印刷されました。
  • Design Freedom:]曲線壁、有機形状、高価な形質やCNC型が必要なトポロジー最適化構造は、追加費用なしで生成されます。これにより、エンジニアは負荷経路を最適化し、材料の質量を削減することができます。
  • 総コスト削減:]]]プリンタ機器は、資本集中力、省力化、30〜50%の材料削減は、1,000平方メートルを超えるプロジェクトに対する初期投資をオフセットすることが多い。 ドロイトによるレポートは、大規模インフラ要素の25〜40%のライフサイクルコスト削減を推定した。

土木工学のスペクトルを渡る適用

住宅・商業ビル

壁、基礎および仕切りシステムはオンサイトかプレハブのパネルとして印刷されます。 ICONの「House Zero」は、テキサス州オースティンで、統合された実用的な椅子が付いている内部および外的な壁を印刷しました。 アプローチは労働および輸送の費用が高い遠隔位置の手頃な価格のハウジングのために特に説得力があります。

橋と歩行者の歩道

アムステルダムのMX3D鋼橋は、6軸ロボットによって印刷され、ステンレス鋼から溶接され、構造金属のための添加剤の製造を実証します。コンクリートの歩行者橋は、最大30メートルのスパンで、COBODとヨーロッパのWebuildによって印刷されています。 ]]]]MX3D橋は、リアルタイム構造健康監視のための埋め込まれたセンサーを含みます。

インフラの修理およびカスタム部品

老化インフラの非標準の修理部品を生産する3Dプリントエキサイル。カスタム排水格子、壁ブロックを保持し、マンホールカバーは、数週間から数時間までのリードタイムを削減する、要求に応じて印刷することができます。日本では、複雑な湾曲で海壁を復元するために印刷されたコンクリートセグメントが使用されています。

建築モデルと形態ワーク

大規模な砂プリンターは、風洞のテストとクライアントのプレゼンテーションのための詳細な建築モデルを生成します。さらに、カスタマイズされたコンクリート要素(例えば、ワッフルスラブ、リブ付きシェル)のための3Dプリントのフォームワークは、建築家が伝統的な彫刻家なしで複雑な幾何学を実装することができます。

実世界への影響を実証する事例

ICONのVulcanシステム(アメリカ)

ICONは、Vulcan IIプリンターを使用して、農村メキシコの50の家を印刷するために、住宅非営利団体と提携しました。 各500平方メートルの家庭は、ローカルのソースコンクリートで24時間以内に印刷されました。 ポスト占有調査では、従来の石工建設と比較して35%の内温度安定性とコスト節約を示しています。

COBOD BOD2(ヨーロッパ)

COBODのBOD2プリンターは、デンマークのコペンハーゲンに3階建てのビルを建設し、印刷された壁と一体化された補強ダクトを築きます。このプロジェクトは、ヨーロッパの建築コードの下で1秒あたりの100センチメートルのプリント速度を達成し、構造認証を保持しました。

MX3D 鋼鉄橋

アムステルダムのOudezijds Achterburgwal運河の12メートルの歩行者橋はガスメタルアーク溶接を使用して6軸ロボットによって印刷されました。 テストは40%によって設計要件を上回る負荷軸受け容量を明らかにし、橋の有機設計は慣習的な鋼鉄トラスに相対的に60%によって材料を減らす。

ワイドスプレッド展開の課題

素材の制約

現在の印刷可能なコンクリートは、繊維強化が欠けているか、または、独自の添加剤が必要で、耐スラムプ性と印刷性を実現しています。 鋼補強の統合は困難です。 一部のアプローチは、ポストテンションバーのプリント無効やプリントファイバの使用にアプローチしますが、ボンド強度試験は、分散性を示しています。 ジオポリマーとマグネシウムベースのセメントは、低炭素フットプリントを提供しますが、より遅い強度の利益を持っています。

スケールと輸送の制限

ガントリープリンターは、建設された構造よりも大きくなることができる安定したフットプリントが必要です, 混雑した都市のサイトでのアプリケーションを制限. モバイルロボットアームは、限られたリーチを持っています (典型的に 3–4 メートル), クレーンを主張する転置に依存する多階建ての印刷を作る. 橋印刷は、多くの場合、制御された施設で事前の許可を必要とします, オンサイトの利点を減らす.

建物コードおよび証明

ほとんどの建築コードは、従来の建設方法のために書かれています。 3Dプリンテッド構造の承認は、多くの場合、同等性試験、性能試験、およびピアレビューが必要です。 国際コード評議会(ICC)は、標準開発(例えば、AC509)を開始しましたが、採用は管轄区域全体に不均一です。 保険のアンダーライターは慎重であり、一部のプロジェクトではサードパーティの構造監視が必要です。

エネルギー消費量と設備コスト

産業用プリンターは、運用中に20〜40kWを消費します。大型プリンターの購入価格は30万ドルを超え、輸送、現場の準備、および材料処理のための追加のコストが増加します。小規模なプロジェクトでは、機器の償却は省力化を相殺する可能性があります。

サステナビリティ・環境フットプリント

3Dプリンティングは、材料使用量が30～50%削減し、形状加工材の除去、重コンポーネントの輸送を削減することができます。また、廃棄物処理材料の使用を可能にしています。粉砕されたコンクリートの罰金、フライアッシュ、およびリサイクルガラスの集約は、印刷可能な乳鉢に正常に形成されています。 の研究開発]では、科学直接は、リサイクルされた粉末とセメントの30%を交換し、圧縮強度を削減する一方、CO2排出量を削減することを意味します。

しかし、印刷のエネルギー強度と、急速なキュアの粘着炭素は考慮されなければならない。 ライフサイクルアセスメントは、材料の節約が25%を超えると、最も最適化されたデザインが満たすしきい値が正当であることを示しています。 統合された断熱と換気チャネルでフォームを印刷する能力は、より効率的な運用エネルギー性能を向上させます。

未来展望:自動工事へ

スマート印刷材料

カプセル化された細菌または形状記憶ポリマーを含む自己接着コンクリートは3D印刷のために合わせられます。これらの材料は熱かローディング周期によって開始されるひびをautonomously修理できます。印刷された壁に統合される相変化材料は屋内温度を受動態的に管理できます。

足場のないオンサイト印刷

各ストーリーが完成したままにするプリンターは、複数のスタートアップが開発中です。これらのシステムは、外部クレーンや足場を必要としないため、中層ビルの急速な建設を可能にします。ナント大学のプロトタイプは、1日1フロアの登りの3階建てのタワーをプリントしました。

BIMとAIとの統合

ビル情報モデリング(BIM)ワークフローは、データ翻訳エラーを削減し、建築モデルから直接プリンタツールパスを生成できます。人工知能アルゴリズムは、印刷シーケンスを最適化し、熱勾配、レイヤー冷却時間、およびサポート構造の要件を最小限に抑えます。 []]Autodesk[[]]]]は、BIMデータをロボットアームコントローラにステッチし、シームレスなデジタルに構造を可能にします。

オフサイトプレハブとモジュール化

工場出荷時の設定で、大型プリントパネルをプレハブ化し、クレーンやボルトで組み立てる事ができるのが最も効率的なニアタームビジネスモデルです。このアプローチは、モジュール構造のスピードで3Dプリンティングの精度を組み合わせています。初期採用者では、現場でのプリントと比較して30%のサイクルタイム削減を報告しています。

コンテンツ

3Dプリンティングは、実験的な証拠コンセプトを超えて、材料の効率、建設速度、設計自由で測定可能な利点を提供する実用的な土木アプリケーションに移行しました。材料の認証、スケール、およびコードの受諾の課題は残っていますが、ロボットシステムおよびコンクリート化学の継続的な進歩は、最も重要なボトルネックを解決しています。 設計および建設ワークフローに添加剤製造を統合するエンジニアは、コスト、持続可能性、幾何学的能力の競争上の優位性を得ることができます。 次の10年は、標準のインフラが受け入れられていないと見なされます。 新規環境は、標準の建設された環境は、新しい環境を認めません。