特許 6030185 ３Ｄプリンティング装置及び方法、これを利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6030185

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】３Ｄプリンティング装置及び方法、これを利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法

(51)【国際特許分類】

   B28B 1/30 20060101AFI20161114BHJP

   B29C 67/00 20060101ALI20161114BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20161114BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20161114BHJP

【ＦＩ】

   B28B1/30

   B29C67/00

   B33Y30/00

   B33Y10/00

【請求項の数】14

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2015-97695(P2015-97695)

(22)【出願日】2015年5月12日

(65)【公開番号】特開2015-217682(P2015-217682A)

(43)【公開日】2015年12月7日

【審査請求日】2015年5月12日

(31)【優先権主張番号】10-2014-0057538

(32)【優先日】2014年5月14日

(33)【優先権主張国】KR

(31)【優先権主張番号】10-2014-0191685

(32)【優先日】2014年12月29日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】514180720

【氏名又は名称】ソク−ムン，キム

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】ソク−ムン，キム

【審査官】 深草 祐一

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０６４８２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−２３５６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１３３１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２２８４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０３４７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２３７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２０００３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０９０５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３１６４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２８Ｂ １／３０

Ｂ２９Ｃ ６７／００

Ｂ２２Ｆ ３／１０５，３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベースフレームと、
前記ベースフレームの上部に移動可能に設けられる移動部と、
前記移動部の一側に設けられ、前記ベースフレームの表面側にプリント原料であるコンクリート混合物を吐出する押出ヘッドと、
前記押出ヘッドの一側に備えられ、前記移動部の移動時に前記押出ヘッドと共に移動し、前記押出ヘッドを介して吐出された前記コンクリート混合物にマイクロ波を照射して硬化させるマイクロ波照射部を含む３Ｄプリンティング装置。

【請求項2】

前記移動部の底面に前記押出ヘッドが軸回転可能に設けられ、前記押出ヘッドの底面には前記コンクリート混合物が吐出される吐出口と、前記マイクロ波照射部が備えられることを特徴とする請求項１に記載の３Ｄプリンティング装置。

【請求項3】

前記押出ヘッドの一側に設けられ、高圧の洗浄水を噴射し、前記押出ヘッド内の残留混合物を除去する洗浄装置をさらに含み、前記洗浄装置は洗浄水を貯蔵する洗浄水貯蔵槽と、前記押出ヘッドの内周面に設置され、前記洗浄水を高圧で噴射する噴射ノズルと、前記洗浄水貯蔵槽から前記噴射ノズルに洗浄水を供給する供給ポンプと、前記洗浄水貯蔵槽の一側に設けられ、前記プリント原料を溶解させるための化学薬品が貯蔵される化学薬品貯蔵槽を含むことを特徴とする請求項１に記載の３Ｄプリンティング装置。

【請求項4】

前記移動部の底面に、下方向に向かって設けられ、粉末金属を噴射する噴射ノズルをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の３Ｄプリンティング装置。

【請求項5】

前記噴射ノズルは外周面の下段部が内側下向に傾斜するように形成される概ね円筒形の本体と、前記本体の下段の中央部に形成される噴射口と、本体の内部に形成されるレーザ照射部と、前記レーザ照射部と前記噴射口を連結し、レーザの照射方向をガイドする円筒形のガイド管と、前記ガイド管の外周面の周囲に沿って形成され、下段部が所定角度の内側下向に傾斜する流動管を含み、前記流動管を介して噴射される粉末金属が前記レーザ照射部から照射されるレーザによって焼結硬化されることを特徴とする請求項４に記載の３Ｄプリンティング装置。

【請求項6】

前記押出ヘッドに前記プリント原料として前記コンクリート混合物を供給する第１原料供給部と、前記噴射ノズルに前記粉末金属を供給する第２原料供給部と、前記押出ヘッドに前記プリント原料として合成樹脂を供給する第３原料供給部をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の３Ｄプリンティング装置。

【請求項7】

前記移動部の底面に回転プレートが回転可能に結合され、前記押出ヘッドと噴射ノズルが回転プレートに設けられることを特徴とする請求項２に記載の３Ｄプリンティング装置。

【請求項8】

作業場の床面に互い離隔して一方向に長く設けられる一対のレールと、
前記一対のレールの上に前記レールに沿って移動可能にそれぞれ設けられる一対の垂直フレームと、
前記一対の垂直フレームを横切って昇降可能に設けられる移動フレームと、
移動フレームの一側に前後方向に移動可能に設けられる移動部と、
前記移動部の一側に設けられ、下側にプリント原料であるコンクリート混合物を吐出する押出ヘッドと、
前記押出ヘッドの一側に備えられ、前記移動部の移動時に前記押出ヘッドと共に移動し、前記押出ヘッドを介して吐出された前記コンクリート混合物にマイクロ波を照射して硬化させるマイクロ波照射部を含む３Ｄプリンティング装置。

【請求項9】

（ａ）ベースフレーム上にプリント原料としてコンクリート混合物を吐出してプリント層を形成する段階と、
（ｂ）前記プリント層を硬化させる段階と、
（ｃ）前記（ａ）段階と前記（ｂ）段階を繰り返し行い印刷しようとする対象の３次元形状に前記プリント層を連続積層する段階を含み、前記（ａ）段階は（ａ−１）押出ヘッドにプリント原料を供給する段階と、（ａ−２）押出ヘッドを介して前記プリント原料をベースフレームの表面に吐出する段階を含み、
前記（ｂ）段階は（ｂ−１）制御部によってマイクロ波照射量を決定する段階と、（ｂ−２）前記押出ヘッドの移動方向に沿ってマイクロ波照射部が共に移動しながら前記プリント層にマイクロ波を照射する段階を含み、
前記マイクロ波照射部は前記押出ヘッドの外周縁に前記押出ヘッドの移動方向に沿って複数備えられることを特徴とする３Ｄプリンティング方法。

【請求項10】

（ｄ）前記押出ヘッドの内部に高圧の洗浄水を噴射し、残留プリント原料を洗浄して除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の３Ｄプリンティング方法。

【請求項11】

３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法において、
噴射ノズルを介して粉末金属を噴射した後、レーザを照射することによって焼結硬化させて鉄骨層を形成し、押出ヘッドを介してコンクリート混合物を吐出した後、マイクロ波を照射することによって硬化させてコンクリート層を形成し、前記鉄骨層の形成と前記コンクリート層の形成を繰り返し行い、施工しようとする構造物の形状に連続積層し、前記コンクリート層を形成した後、洗浄装置に前記押出ヘッドの内部に高圧の洗浄水を噴射して残留コンクリート混合物を除去し、前記洗浄装置は洗浄水を貯蔵する洗浄水貯蔵槽と、前記押出ヘッドの内周面に設けられ、前記洗浄水を高圧で噴射する噴射ノズルと、前記洗浄水貯蔵槽から噴射ノズルに洗浄水を供給する供給ポンプと、前記洗浄水貯蔵槽の一側に設けられ、前記コンクリート混合物を溶解させるための化学薬品が貯蔵される化学薬品貯蔵槽を含むことを特徴とする３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法。

【請求項12】

３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法において、
（ａ）押出ヘッドを介して合成樹脂を吐出した後、レーザを照射することによって硬化させて鉄骨外郭境界層を形成する段階と、
（ｂ）押出ヘッドを介してコンクリート混合物を吐出した後、マイクロ波を照射することによって硬化させてコンクリート層を形成する段階と、
（ｃ）噴射ノズルを介して粉末金属を噴射した後、レーザを照射することによって焼結硬化させて鉄骨層を形成する段階を含み、
前記（ａ）段階は、押出ヘッドを介して合成樹脂を吐出した後、レーザを照射することによって硬化させてコンクリート外郭境界層を形成する段階をさらに含み、
前記（ａ）段階ないし前記（ｃ）段階を繰り返し行い施工しようとする構造物の形状に前記鉄骨層と前記コンクリート層を連続積層し、前記押出ヘッドと前記噴射ノズルが移動部の底面に回転可能に結合される回転プレートに設けられ、前記押出ヘッドの底面には前記コンクリート混合物が吐出される吐出口と前記マイクロ波を照射するマイクロ波照射部が備えられ、前記押出ヘッドは前記移動部に対して軸回転可能であることを特徴とする３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法。

【請求項13】

前記（ｂ）段階は、前記押出ヘッドの内部に設けられる洗浄装置から高圧の洗浄水を噴射し、残留物を洗浄して除去する段階をさらに含み、前記洗浄装置は洗浄水を貯蔵する洗浄水貯蔵槽と、前記押出ヘッドの内周面に設けられ、前記洗浄水を高圧で噴射する噴射ノズルと、前記洗浄水貯蔵槽から前記噴射ノズルに洗浄水を供給する供給ポンプと、前記洗浄水貯蔵槽の一側に設けられ、前記コンクリート混合物を溶解させるための化学薬品が貯蔵される化学薬品貯蔵槽を含むことを特徴とする請求項１２に記載の３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法。

【請求項14】

前記（ｃ）段階は、レーザの照射による前記粉末金属の焼結硬化時に前記鉄骨外郭境界層が除去され、前記鉄骨層と前記コンクリート層が直接相互接合されることを特徴とする請求項１２に記載の３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は３Ｄプリンティング装置及び方法に関し、より詳細にはコンクリート混合物をプリント原料として利用し、３次元の立体物を製作する３Ｄプリンティング装置及び方法、またこれを利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

３Ｄプリンティング（３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）は最近脚光を浴びている製造技術として、プラスチック液体あるいはその他原料を射出したり、積層、凝固させて３次元形状の固体製品を製作する技術をいい、伝統的な材料加工技術に比べて速度、価格、使用上便利性など多様な側面から優位性を示している。

【0003】

３Ｄプリンティングは、原料によって液体、パウダー、固体に分けられ、レーザ、熱、光などのソースを基盤に凝固／積層する多様な方式があり、３Ｄプリンティング方式は現在まで多様に開発されてきており、それぞれの方式は製品製作において長所と短所を有する。

【0004】

３Ｄプリンティング方式は、それぞれの分野ごとに異なる方式が使用され得、大きくはＦＤＭ（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ）、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、ＳＬＡ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、ＳＬＳ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）、ＰｏｌｙＪｅｔ（Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ Ｊｅｔｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、ＤＭＴ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｔｏｏｌｉｎｇ）、ＰＢＰ（Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ ＆ ｉｎｋｊｅｔ ｈｅａｄ ３ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、ＬＯＭ（Ｌａｍｉｎａｔｅｄ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）などに区分される。

【0005】

一般的には、熱可塑性プラスチックからなるワイヤーまたはフィラメントを繰り出しリールと移送リールを介して供給し、供給されたフィラメントを作業台に対して相対的にＸＹＺ三方向に位置が調節される３次元移送機構に取り付けられたヒーターノズルで溶融させて排出することによって２次元平面形態を作り、これを作業台の上に一層ずつ積層して３次元に成形する溶融樹脂の押し出しによる造形法（ＦＤＭ）が広く使用されている。

【0006】

このように押出ヘッドから出る凝固性モデリング材料の層を融着させて３次元モデルを製造する方法及び装置に関する例は既存の多くの特許から見つけることができ、例えば米国特許第５、１２１、３２９号に記述されたように固体棒形状や繰り出しリール上に巻かれた柔軟性のあるフィラメント形態で押出ヘッドに供給され得る。この際、押出ヘッドは凝固時に適切な接着力にて前の層に接着する凝固性材料を使用し、熱可塑性材料がこのような溶融積層に特に適切なものとして知られているため主に用いられている。

【0007】

しかし、前述したような３Ｄプリンタを利用してコンクリート構造物を施工しようとする場合、その材料であるコンクリートの基本的な特性上、製作に多くの時間を要するという問題がある。

【0008】

コンクリートは水とセメント、砂などが混ざっている物質として、セメントが水と反応して固まる水和反応を利用するが、押出ヘッドで押し出される速度に比べてコンクリートの凝固速度が遅いため、３Ｄプリンタによる３次元形状の製作時間は凝固速度に大きい影響を受ける。

【0009】

すなわち、３Ｄプリンタの押出ヘッドは速い速度で動きながらコンクリートを押し出すが、押し出されたコンクリートが凝固するまで相当な時間を要するため、完全に凝固していない層上に再びコンクリートが押し出される場合、製品の形状が崩れる問題がある。

【0010】

一方、一層を積層して完全に凝固するまで待った後、繰り返しその上の層を積層する方式で作業すると、作業時間が顕著に増加して生産性が低下する問題がある。

【0011】

さらに、コンクリートの内部に鉄筋や鉄骨ビームが骨組みとして補強される鉄骨コンクリート構造物の場合、従来の３Ｄプリンタによってはこのような異種の材料が複合した構造物の製作が難しいという問題がある。

【0012】

特に、鉄筋や鉄骨ビームは溶融温度が非常に高いため、前述した溶融積層方式の適用は不適合であり、構造物の規模が大きい場合は別途の作業台で構造物を支えることができないという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】米国特許第５、１２１、３２９号明細書

【特許文献2】韓国特許第１０７３７５０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明は、前述した問題点を解決するためになされたものでり、３Ｄプリンティング装置及び方法、これを利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法を提供することに目的がある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

前述した本発明の目的は、ベースフレームと、前記ベースフレームの上部に移動可能に設けられる移動部と、前記移動部の一側に設けられ、前記ベースフレームの表面側にプリント原料であるコンクリート混合物を吐出する押出ヘッドを含む３Ｄプリンティング装置を提供することによって達成され得る。

【0016】

本発明の好ましい特徴によれば、前記押出ヘッドの一側に備えられ、前記押出ヘッドを介して吐出された前記コンクリート混合物にマイクロ波を照射して硬化させるマイクロ波照射部をさらに含み得る。

【0017】

本発明の他の好ましい特徴によれば、前記押出ヘッドの一側に設けられ、高圧の洗浄水を噴射して前記押出ヘッド内の残留混合物を除去する洗浄装置をさらに含み得る。

【0018】

本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記移動部の他側に設けられ、粉末金属を噴射する噴射ノズルをさらに含み得る。

【0019】

本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記噴射ノズルの一側に備えられ、前記噴射ノズルを介して噴射された前記粉末金属にレーザを照射して焼結硬化させるレーザ照射部をさらに含み得る。

【0020】

本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記押出ヘッドに前記プリント原料として前記コンクリート混合物を供給する第１原料供給部と、前記噴射ノズルに前記粉末金属を供給する第２原料供給部と、前記押出ヘッドに前記プリント原料として合成樹脂を供給する第３原料供給部をさらに含み得る。

【0021】

本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記マイクロ波照射部は前記押出ヘッドの外周縁に前記押出ヘッドの移動方向に沿って複数備えられ得る。

【0022】

また、前述した本発明の目的は、チェンバと、前記チェンバの内部に設けられるベースフレームと、前記ベースフレームの上部に移動可能に設けられる移動部と、前記移動部の一側に設けられ、前記ベースフレームの表面側にプリント原料としてコンクリート混合物を吐出する押出ヘッドと、前記チェンバの内壁に少なくとも一つ以上設けられ、前記ベースフレームの表面側にマイクロ波を照射して前記プリント原料を硬化させるマイクロ波照射部を含む３Ｄプリンティング装置を提供することによっても達成され得る。

【0023】

また、前述した本発明の目的は、（ａ）ベースフレーム上にプリント原料としてコンクリート混合物を吐出してプリント層を形成する段階と、（ｂ）前記プリント層を硬化させる段階と、（ｃ）前記（ａ）段階と前記（ｂ）段階を繰り返し行い印刷しようとする対象の３次元形状に前記プリント層を連続積層する段階を含む３Ｄプリンティング方法を提供することによっても達成され得る。

【0024】

本発明の好ましい特徴によれば、（ｄ）前記押出ヘッドの内部に高圧の洗浄水を噴射し、残留プリント原料を洗浄して除去する段階をさらに含み得る。

【0025】

本発明の他の好ましい特徴によれば、前記（ａ）段階は（ａ−１）押出ヘッドにプリント原料を供給する段階と、（ａ−２）押出ヘッドを介して前記プリント原料をベースフレームの表面に吐出する段階を含み、前記（ｂ）段階は（ｂ−１）制御部によってマイクロ波の照射量を決定する段階と、（ｂ−２）マイクロ波照射部を介して前記プリント層にマイクロ波を照射する段階を含み得る。

【0026】

本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記（ｂ−２）段階は前記プリント原料を吐出する押出ヘッドの移動方向に沿って前記照射部が共に移動できる。

【0027】

また、前述した本発明の目的は、３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法において、噴射ノズルを介して粉末金属を噴射した後、レーザを照射することによって焼結硬化させて鉄骨層を形成し、押出ヘッドを介してコンクリート混合物を吐出した後、マイクロ波を照射することによって硬化させてコンクリート層を形成し、前記鉄骨層の形成と前記コンクリート層の形成を繰り返し行い施工しようとする構造物の形状に連続積層することを特徴とする３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法を提供することによっても達成され得る。

【0028】

本発明の好ましい特徴によれば、前記コンクリート層を形成した後、前記押出ヘッドの内部に高圧の洗浄水を噴射して残留コンクリート混合物を除去できる。

【0029】

一方、前述した本発明の目的は、３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法において、（ａ）押出ヘッドを介して合成樹脂を吐出した後、レーザを照射することによって硬化させて鉄骨外郭境界層を形成する段階と、（ｂ）押出ヘッドを介してコンクリート混合物を吐出した後、マイクロ波を照射することによって硬化させてコンクリート層を形成する段階と、（ｃ）噴射ノズルを介して粉末金属を噴射した後、レーザを照射することによって焼結硬化させて鉄骨層を形成する段階を含み、前記（ａ）段階ないし前記（ｃ）段階を繰り返し行い施工しようとする構造物の形状に前記鉄骨層と前記コンクリート層を連続積層することを特徴とする３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法を提供することによっても達成され得る。

【0030】

本発明の好ましい特徴によれば、前記（ａ）段階は、押出ヘッドを介して合成樹脂を吐出した後、レーザを照射することによって硬化させてコンクリート外郭境界層を形成する段階をさらに含み得る。

【0031】

本発明の他の好ましい特徴によれば、前記（ｂ）段階は、前記押出ヘッドの内部に高圧の洗浄水を噴射し、残留物を洗浄して除去する段階をさらに含み得る。

【0032】

本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記（ｃ）段階は、レーザの照射による前記粉末金属の焼結硬化時に前記鉄骨外郭境界層が除去され得る。

【発明の効果】

【0033】

本発明による３Ｄプリンティング装置及び方法によれば、コンクリート混合物を平面上に押し出すと同時に所望する形状に積層させてコンクリート混合物からなる３次元形状を容易に製作できる。

【0034】

また、本発明による３Ｄプリンティング装置及び方法によれば、鉄骨層とコンクリート層を平面上に所望する形状に積層させて３次元形状の鉄骨コンクリート構造物を容易に製作できる。

【0035】

この際、平面上に押し出されたセメントまたはコンクリート混合物はマイクロ波を照射することによって凝固時間が短縮されるため、生産性を向上する効果がある。

【0036】

また、鉄骨層とコンクリート層の外郭線に沿って合成樹脂素材で境界層を形成することによって測定精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】本発明の第１実施例による３Ｄプリンティング装置の構成図である。

【図2】本発明の一実施例による押出ヘッドの構成図である。

【図3】本発明の一実施例による洗浄装置の構成図である。

【図4】本発明の第２実施例による３Ｄプリンティング装置の構成図である。

【図5】本発明の一実施例による３Ｄプリンティング方法の順序図である。

【図6】本発明による一実施例により製造された防波堤の単位ユニットの使用状態を示す図である。

【図7】本発明の第３実施例による３Ｄプリンティング装置の構成図である。

【図8】本発明の第３実施例によるベースフレームと移動部の概略斜視図である。

【図9】本発明の他の実施例によるベースフレームと移動部の概略斜視図である。

【図10】本発明の第３実施例による押出ヘッドと噴射ノズルの斜視図である。

【図11】本発明の第３実施例による噴射ノズルの内部構成図である。

【図12】本発明の第３実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工方法の順序図である。

【図13】本発明の第３実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工順序を示す工程図である。

【図14】本発明の第３実施例により製造され得る鉄骨コンクリート構造物の例を示す概略図である。

【図15】本発明の他の実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工順序を示す工程図である。

【図16】本発明のまた他の実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工順序を示す工程図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下では本発明の実施例について添付する図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下で説明する実施例は本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が発明を容易に実施できる程度に詳細に説明するためのものであり、これによって本発明の保護範囲が限定されない。また本発明の多様な実施例を説明することにおいて、同じ技術的特徴を有する構成要素に対しては同じ図面符号を使用する。

【0039】

〔第１実施例〕
図１は、本発明の第１実施例による３Ｄプリンティング装置の構成図である。

【0040】

図１に示すように、本発明の第１実施例による３Ｄプリンティング装置１００は、ベースフレーム２００と、ベースフレーム２００の上部に移動可能に設けられる移動部３００と、移動部３００の一側に設けられてベースフレーム２００の表面側にプリント原料を吐出する押出ヘッド４００と、押出ヘッド４００の一側に備えられ、マイクロ波（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）を照射するマイクロ波照射部５００を含む。

【0041】

ベースフレーム２００は上部が開口されたチェンバ６００の底面に昇降可能に設けられ、製作しようとする３次元形状の製品Ｐは押出ヘッド４００から吐出されるプリント原料がベースフレーム２００上に連続積層されることによって製作される。

【0042】

ベースフレーム２００の上部には前後左右方向に移動可能な移動部３００が設けられる。例えば、図１に示すように左右方向にリードスクリューまたはＬＭガイド形態のガイド部３１０が長く設けられ得る。この際、移動部３００はモータまたはシリンダの駆動力によってガイド部３１０に沿って左右方向に移動でき、ガイド部３１０自体が前後方向に移動する場合、移動部３００はガイド部３１０と共に前後方向に移動する。

【0043】

すなわち、ベースフレーム２００はチェンバ６００内にＺ軸方向（図面の上下方向）に移動可能に設けられ、移動部３００はベースフレーム２００の上部にＸ軸方向（図面の左右方向）とＹ軸方向（図面の前後方向）に移動可能に設けられる。

【0044】

これは、ベースフレーム２００に対して後述する押出ヘッド４００がＸＹＺ３軸方向に相対移動可能に構成するためであり、このための多様な変形例を適用できる。例えば、ベースフレーム２００がＸＹ２軸方向に移動可能に設けられ、移動部３００がＺ軸方向に移動可能に設けられることもでき、ベースフレーム２００は固定した状態で移動部３００がベースフレーム２００に対してＸＹＺ３軸方向に相対移動可能に設けられるか、押出ヘッド４００が固定された状態で押出ヘッド４００に対してベースフレーム２００がＸＹＺ３軸方向に相対移動可能に設けられることも可能である。

【0045】

移動部３００の一側、好ましくは移動部３００の下側にプリント原料をベースフレーム２００の表面方向に吐出する押出ヘッド４００が備えられる。

【0046】

この際、プリント原料はチェンバ６００の一側に設けられる原料供給部７００から供給ライン７１０を介して押出ヘッド４００に供給され、セメントと水を含むセメント混合物、またはセメントと水及び砂や砂利または砂利粉末などの骨材を含むコンクリート混合物がプリント原料として供給され得る。

【0047】

押出ヘッド４００を介してベースフレーム２００表面に吐出されたセメント混合物またはコンクリート混合物を硬化させるため、マイクロ波照射部５００を介してマイクロ波が照射される。マイクロ波はセメント混合物またはコンクリート混合物に含まれている水分を蒸発させてベースフレーム２００の表面に積層されたプリント原料を急速凝固させる役割を果たし、通常１ｍｍ〜１ｍの波長、３００ＧＨｚ〜３００ＭＨｚの振動数を有する電磁波である。

【0048】

コンクリート混合物は熱伝導度が非常に低いため、コンクリート混合物層を薄く形成するとしても、一般的な熱伝導及び熱輻射などを利用した外部加熱方式によっては表面部のみが加熱されるだけであり、短時間内に中心部まで乾燥させにくい。

【0049】

これに対し、マイクロ波を照射する場合、コンクリート混合物に含まれている水分子が極性を帯びている点を利用して短時間内にコンクリート混合物層を乾燥させ得る。マイクロ波を照射してコンクリート混合物に電場をかけると、水分子で正電荷を帯びた部分は陰極に向かい、負電荷を帯びた部分は陽極に向かって整列するが、このとき、電場の方向が変わると前に整列していた水分子が電場の方向に沿って回転して再整列する。このように水分子が再整列する過程で分子間の衝突によって運動エネルギが周囲の水分子に伝達され、これによってコンクリート混合物に含まれていた水分が速い速度で加熱される。

【0050】

すなわち、マイクロ波の照射によってコンクリート混合物層の内部と外部が同時に速く加熱するため、一般的な外部加熱方式より速くかつ安定的にコンクリート混合物の水分を蒸発させることができる。

【0051】

マイクロ波照射部５００は押出ヘッド４００の一側に備えられ、移動部３００の移動時に押出ヘッド４００と共に移動する。好ましくは、押出ヘッド４００の移動経路に沿って押出ヘッド４００を介して吐出され、ベースフレーム上に積層されたセメント混合物またはコンクリート混合物層にマイクロ波を照射して急速に凝固させる。

【0052】

図２は、本発明の一実施例による押出ヘッドの構成図である。

【0053】

マイクロ波照射部５００は押出ヘッド４００の外周縁に押出ヘッド４００の移動方向に沿って複数備えられることが好ましい。すなわち、移動部３００によって押出ヘッド４００がＸＹ２軸方向に移動可能な場合、図２に示すように押出ヘッド４００を中心にＸＹ２軸方向すなわち、押出ヘッド４００の前後左右方向にそれぞれマイクロ波照射部５００が備えられる。これは、押出ヘッド４００を介してベースフレーム２００上に吐出されるセメント混合物またはコンクリート混合物層の生成経路に沿ってマイクロ波を照射して直ちに凝固させるためである。

【0054】

一方、図２に示す例では押出ヘッド４００とマイクロ波照射部５００の出口側の断面が四角形からなる例を示しているが、本発明はこれに限定されない。押出ヘッド４００とマイクロ波照射部５００の出口側の断面は必要に応じて円形または三角形や五角形など多角形の断面形状に形成され得る。

【0055】

また、図２に示すように押出ヘッド４００の外周面に密着してマイクロ波照射部５００を備えることもでき、他の例として押出ヘッド４００の外周面から所定の間隔で離隔してマイクロ波照射部５００を備えることもできる。

【0056】

再び図１を参照すると、チェンバ６００の一側に制御部８００が備えられる。一例として、制御部８００はチェンバ６００の一側にコントロールパネル形態で設けられ得る。

【0057】

このとき、制御部８００は押出ヘッド４００に供給される原料供給量、押出ヘッド４００から吐出される原料吐出量、ベースフレーム２００及び移動部３００の作動、またマイクロ波の照射量など３Ｄプリンティング装置１００の作動の全般を制御する役割を果たす。

【0058】

本発明の第１実施例による３Ｄプリンティング装置１００の作動は次の通りに行われる。

【0059】

先ず、製作しようとする製品の３次元形状をコンピュータモデリングし、数多くの薄い層に分けられた２Ｄデータに基づいてセメント混合物またはコンクリート混合物などからなるプリント原料を一層ずつプリンティングして積み上げるが、このために先に移動部３００が移動してベースフレーム２００上の積層開始地点に押出ヘッド４００を位置させる。

【0060】

その後、原料供給部７００から押出ヘッド４００にセメント混合物またはコンクリート混合物などのプリント原料が供給され、押出ヘッド４００を介してベースフレーム２００の表面方向にプリント原料が吐出される。

【0061】

移動部３００は各層の２Ｄデータに基づいて移動し、移動部３００と共に移動する押出ヘッド４００の軌跡に沿ってベースフレーム２００上にセメント混合物またはコンクリート混合物からなる２Ｄ形状のプリント層が形成される。この際、押出ヘッド４００の外周縁に備えられるマイクロ波照射部５００からマイクロ波が照射され、プリント層内の水分が蒸発してプリント層が硬化する。

【0062】

マイクロ波照射部５００は押出ヘッド４００の移動経路を追従しながらマイクロ波を照射することが好ましく、例えば押出ヘッド４００が＋Ｘ軸方向に移動する場合、押出ヘッド４００に対して−Ｘ軸方向に設けられたマイクロ波照射部５００によってマイクロ波が照射されることが好ましい。

【0063】

この際、制御部８００はプリント層を急速に硬化するために押出ヘッド４００の移動速度、マイクロ波照射部５００とプリント層との間の間隔、プリント原料に含まれた水分量などの作業条件に応じてマイクロ波の波長や振動数、照射量を制御することが好ましい。

【0064】

押出ヘッド４００から吐出されてベースフレーム２００上に形成されたプリント層はマイクロ波照射部５００から照射されるマイクロ波によって硬化し、硬化されたプリント層上に再びその上の層の２Ｄデータに基づいたプリント層の形成を繰り返し行い所望する３次元形状を製作する。

【0065】

この際、ベースフレーム２００上に形成されるプリント層の積層高さの分だけベースフレーム２００が下降するようにし、押出ヘッド４００及びマイクロ波照射部５００とプリント層との間の間隔を一定に維持することが好ましい。もちろん、移動部３００がＺ軸に移動可能に設けられた場合はベースフレーム２００が固定された状態で移動部３００が上昇しながらプリント層を積層することもでき、必要に応じてベースフレーム２００と移動部３００のＺ軸方向移動なしでプリンティング作業を行うこともできる。

【0066】

一方、前述したような３Ｄプリンティング作業が完了すると、押出ヘッド４００の内部にセメント混合物またはコンクリート混合物などのプリント原料が残留し、残留したプリント原料によって押出ヘッド４００の出口が詰まらないように分解した後、洗浄することが好ましい。

【0067】

図３は、本発明の一実施例による洗浄装置の構成図である。

【0068】

本発明による一実施例によれば、図３に示すように押出ヘッド４００の一側に洗浄装置９００が設けられる。この洗浄装置９００はチェンバ６００の一側に設けられる洗浄水貯蔵槽９１０と、押出ヘッド４００の内周面に設けられる噴射ノズル９２０と、洗浄水を噴射ノズル９２０に供給する供給ポンプ９３０を含む。この際、洗浄装置９００は洗浄水貯蔵槽９１０の一側に設けられる化学薬品貯蔵槽９４０をさらに含み構成され得る。化学薬品貯蔵槽９４０にはプリント原料を溶解させるための化学薬品が貯蔵され、化学薬品貯蔵槽９４０の化学薬品は洗浄水貯蔵槽９１０に投入され、洗浄水と混合された後噴射ノズル９２０に供給され得る。本発明による一実施例によれば、３Ｄプリンティング作業が完了した後、噴射ノズル９２０を介して押出ヘッド４００の内部に高圧の洗浄水を噴射することによって残留プリント原料を除去でき、この際、必要に応じてプリント原料を溶解させるための化学薬品を洗浄水に混合する。

【0069】

〔第２実施例〕
図４は、本発明の第２実施例による３Ｄプリンティング装置の構成図である。

【0070】

本発明の第２実施例による３Ｄプリンティング装置１００’は、図１を参照して前述した第１実施例の３Ｄプリンティング装置１００とその構成がほぼ同様であるが、照射部５００’がチェンバ６００の内壁に設けられる点が違う。

【0071】

したがって、前述した第１実施例の構成と同じ機能を有する同じ構成に対しては同じ図面符号を付与して重複する説明は省略する。また第１実施例との差異点を中心に本発明の第２実施例による３Ｄプリンティング装置１００’について説明する。

【0072】

本発明の第２実施例によれば、ベースフレーム２００の表面方向にマイクロ波を照射する照射部５００’がチェンバ６００の内壁に沿って少なくとも一つ以上設けられる。

【0073】

この際、照射部５００’は移動部３００の移動方向と対応するように設けられることが好ましい。例えば、六面体形状のチェンバ６００は互いに対向する４個の内壁を有し、それぞれの内壁に対向して設けられた照射部５００’はそれぞれ＋Ｘ軸、または−Ｘ軸、または＋Ｙ軸、または−Ｙ軸方向にマイクロ波を照射できる。

【0074】

好ましくはそれぞれの内壁に幅方向に沿って複数の照射部５００’が互いに所定の間隔で離隔して設けられる。

【0075】

一例として、図４に示すようにマイクロ波の照射範囲を広くする場合、押出ヘッド４００の移動方向変更に関係なくマイクロ波がベースフレーム２００の表面側に継続して照射されることによってプリント層の硬化が持続的に行われる長所がある。

【0076】

一方、マイクロ波の照射範囲を狭くする場合、プリント層の形成軌跡を追従してマイクロ波が照射されるように、チェンバ６００の内壁に上下回転可能に照射部５００’を設けることもできる。この場合、プリント層の形成軌跡の選択区間に沿って照射部５００’が上下回転しながらマイクロ波を照射する。

【0077】

さらに、一つのプリント層が形成される間、照射部５００’の上下回転によって選択区間に対して繰り返してマイクロ波を照射する場合、次のプリント層の積層作業が行われる前に該当プリント層が確実に硬化する長所がある。

【0078】

図５は、本発明の一実施例による３Ｄプリンティング方法の順序図である。図６は、本発明による一実施例により製造された防波堤の単位ユニットの使用状態を示す図である。以下図５と図６を参照して前述した３Ｄプリンティング装置（１００、１００’）による３次元形状の製品、特に防波堤の単位ユニットの製作方法について段階別に説明する。

【0079】

（プリント層の形成段階（Ｓ１０））
ベースフレーム２００上にプリント原料を吐出してプリント層を形成する。

【0080】

この際、プリント原料はセメント混合物またはコンクリート混合物からなり、原料供給部７００から押出ヘッド４００に供給された後、押出ヘッド４００を介してベースフレーム２００の表面側に吐出される。

【0081】

押出ヘッド４００はベースフレーム２００の上部に設けられた移動部３００と共にＸＹ軸方向に移動し、制御部８００により予め設定された２Ｄ経路に沿って移動しながらベースフレーム２００上にプリント層を形成する。

【0082】

（プリント層の硬化段階（Ｓ２０））
ベースフレーム２００上に形成されたプリント層にマイクロ波を照射して硬化させる。

【0083】

この際、マイクロ波照射部５００は押出ヘッド４００の移動軌跡に沿ってマイクロ波を照射してプリント層を硬化させ得る。一例として、マイクロ波を照射するマイクロ波照射部５００が押出ヘッド４００の外周縁に設けられて押出ヘッド４００と共に移動するように構成され得る。

【0084】

一方、押出ヘッド４００の移動方向に関係なく、照射部５００’によりプリント層の一定範囲に持続的にマイクロ波が照射されるか、またはプリント層の一定区間にマイクロ波が繰り返して照射されることも可能である。

【0085】

プリント層を硬化するとき、セメント混合物またはコンクリート混合物内に含まれた水分がマイクロ波によって瞬間的に蒸発して急速に硬化が行われ、このときのマイクロ波の照射量は制御部８００により制御される。制御部８００は押出ヘッド４００の移動速度、照射部（５００、５００’）とプリント層の間の間隔、プリント原料に含まれた水分量などの条件によってマイクロ波の照射量を決定し、照射部（５００、５００’）の作動を制御してプリント層が急速に凝固するようにする。

【0086】

（プリント層の形成及び硬化の繰り返し段階（Ｓ３０））
製作しようとする製品Ｐの３次元形状が形成されるときまで、前述したプリント層の形成段階（Ｓ１０）とプリント層の硬化段階（Ｓ２０）を繰り返す。

【0087】

この際、一層ずつ積層されるそれぞれのプリント層は、製品の３次元形状モデリングに基づいて得られたそれぞれの２Ｄ層のデータに基づいて形成される。

【0088】

図６は、本発明による一実施例により製造された防波堤の単位ユニット２の使用状態を示す図であり、複数の防波堤の単位ユニット２が水平及び垂直方向に配列されて防波堤構造物１を形成する例を図示している。

【0089】

図６に示す防波堤の単位ユニット２の場合、上板３と下板４及び支持部５を含み、上板３と下板４には複数のホール６が貫通して形成される。

【0090】

このような防波堤の単位ユニット２を３Ｄプリンティングで製造する方法は次の通りである。先ず、防波堤の単位ユニット２の３次元形状をモデリングした後、高さ方向に沿って複数の層（ｌａｙｅｒ）にスライス（ｓｌｉｃｉｎｇ）して２Ｄデータを得る。

【0091】

その後、３Ｄプリンティング装置（１００、１００’）を使用してそれぞれの２Ｄデータに基づき一層ずつプリントしながら防波堤の単位ユニット２の形状に積層させる。

【0092】

この際、上板３と下板４及び支持部５を３Ｄプリンティング装置（１００、１００’）によってそれぞれ別に製造した後、現場で組み立てることもでき、上板３と支持部５、または下板４と支持部５を一体で製造することもできる。

【0093】

プリント材料としてはコンクリート材料を使用することが好ましく、プリント層の急速乾燥及び硬化のためにプリント層にマイクロ波を照射する。

【0094】

一方、図６に示す防波堤の単位ユニット２は本発明による一実施例であり、セメントまたはコンクリート素材を使用した３Ｄプリンティング方法によって多様な形態の防波堤の単位ユニットを製造できることはもちろんである。

【0095】

（後処理の段階（Ｓ４０））
プリント層の形成及び硬化を繰り返して所望する３次元形状に製作された製品Ｐは、マイクロ波の照射または加熱や乾燥などの追加的な硬化過程を経たり、表面処理またはペインティング過程を経て最終製品に完成される。

【0096】

一方、作業が完了した３Ｄプリンティング装置（１００、１００’）に対しては残留プリント原料の凝固によって押出ヘッド４００の出口が詰まらないように押出ヘッド４００の内部を洗浄して残留プリント原料を除去することが好ましい。

【0097】

〔第３実施例〕
図７は、本発明の第３実施例による３Ｄプリンティング装置の構成図である。

【0098】

図７に示すように、本発明の第３実施例による３Ｄプリンティング装置１０００は作業場の床面に設けられるベースフレーム２０００とベースフレーム２０００の上部に前後左右の方向に移動可能に設けられる移動部３０００と移動部３０００の一側に設けられてプリント原料を吐出する押出ヘッド４０００と移動部３０００の他側に設けられて粉末金属を噴射する噴射ノズル５０００を含む。

【0099】

本発明の第３実施例によれば、ベースフレーム２０００の上部で移動部３０００が作業領域内の一定経路に沿って移動する間、押出ヘッド４０００を介してコンクリート混合物が吐出され、噴射ノズル５０００を介して粉末金属が噴射される。この際、吐出されたコンクリート混合物はマイクロ波によって急速に凝固され、噴射された粉末金属はレーザを照射することによって焼結硬化して一つの層を成す。このような層が連続して積層されることによってコンクリートと金属の複合鉄骨コンクリート構造物１０が所望する３次元形状に製作される。

【0100】

図８は、本発明の第３実施例によるベースフレームと移動部の概略斜視図である。ベースフレーム２０００は移動部３０００を支持する役割を果たす一方、３Ｄプリンティングが行われる作業領域を設定する役割を果たす。

【0101】

一例として、ベースフレーム２０００は図８に示すように、四角形状の作業場の床面に互いに離隔して垂直するように立てられる４個の垂直フレーム２１００を含み得る。この際、それぞれの垂直フレーム２１００は四角形状の作業場のコーナーの部分にそれぞれ垂直に立てられる。

【0102】

垂直フレーム２１００で区切られた空間の内部に昇降フレーム２２００が設けられ、この昇降フレーム２２００はモータ（図示せず）の駆動またはシリンダ（図示せず）の作動によって垂直フレーム２１００の高さ方向に沿って昇降可能である。例えば、昇降フレーム２２００は４個の単位フレームが四角形状に結合してなり、互いに隣接する一対の垂直フレーム２１００の間にそれぞれの単位フレーム２２１０が昇降可能に設けられ、垂直フレーム２１００に備えられるスライドレール（図示せず）に沿って昇降できる。

【0103】

左右方向に互いに離隔して対向する一対の単位フレーム２２１０を横切るように移動フレーム２３００が設けられる。この際、移動フレーム２３００の両端は左右側の単位フレーム２２１０にスライド移動可能に結合され、移動フレーム２３００はモータの駆動またはシリンダの作動によって左右側の単位フレーム２２１０の長さ方向に沿って前後方向に移動可能である。

【0104】

移動フレーム２３００の一側にはブロック形状の移動部３０００がモータ（図示せず）の駆動またはシリンダ（図示せず）の作動によって移動フレーム２３００の長さ方向に沿ってスライド移動が可能に設けられる。

【0105】

したがって、移動部３０００はベースフレーム２０００の内部の作業領域で３軸（ｘ、ｙ、ｚ）方向に移動可能である。例えば、本実施例で移動部３０００のｚ軸方向（図面の高さ方向）の移動は昇降フレーム２２００が垂直フレーム２１００の高さ方向に沿って移動することによってなされる。また、移動部３０００のＹ軸方向（図面の前後方向）の移動は移動フレーム２３００が左右側単位フレーム２２１０の長さ方向に沿って移動することによってなされる。さらに、移動部３０００のｘ軸方向（図面上左右方向）の移動は移動部３０００が移動フレーム２３００の長さ方向に沿って移動することによってなされる。もちろん、昇降フレーム２２００と移動フレーム２３００及び移動部３０００のうち少なくとも一対が同時に移動することによって移動部３０００が対角線方向に移動することも可能である。

【0106】

図９は、本発明の他の実施例によるベースフレームと移動部の概略斜視図である。
本発明の他の実施例として、作業場の床面に一対のレール２４００が互い離隔して左右方向に長く設けられ、それぞれのレール２４００の上に垂直フレーム２１００がレール２４００に沿って移動可能に設けられ得る。この際、垂直フレーム２１００を横切って移動フレーム２３００が昇降可能に設けられ、移動部３０００は移動フレーム２３００の一側に前後方向に移動可能に設けられる。この場合、移動部３０００のｘ軸方向の移動は垂直フレーム２１００がレール２４００に沿って移動することによってなされ、ｙ軸方向の移動は移動部３０００が移動フレーム２３００の長さ方向に沿って移動することによってなされ、ｚ軸方向の移動は移動フレーム２３００が垂直フレーム２１００の高さ方向に沿って移動することによってなされる。この際、それぞれの移動はモータ（図示せず）の駆動またはシリンダ（図示せず）の作動を制御することによってなされることはもちろんである。

【0107】

前述した本発明の他の実施例のように作業場の床面にレール２４００を設ける場合、施工しようとする構造物の長さに応じてレール２４００の長さを可変させることによって長さが長い構造物を連続施工できるという長所がある。また、ベースフレーム２０００の分解及び再設置の作業を必要としないため、費用と時間を節減できる。

【0108】

再び図７を参照すると、移動部３０００の底面に押出ヘッド４０００と噴射ノズル５０００が下方向に向かって備えられる。

【0109】

押出ヘッド４０００を介してコンクリート混合物または合成樹脂が吐出され、噴射ノズル５０００を介しては粉末金属が噴射される。このため、ベースフレーム２０００の一側にはコンクリート混合物と合成樹脂及び粉末金属を移動部３０００に供給するための原料供給部６０００が設けられる。この際、原料供給部は押出ヘッド４０００にコンクリート混合物を供給する第１原料供給部と、噴射ノズルに粉末金属を供給する第２原料供給部と、押出ヘッド４０００に合成樹脂を供給する第３原料供給部を含んでなる。

【0110】

原料供給部６０００はそれぞれのプリント原料が貯蔵される貯蔵槽６１００と、貯蔵槽６１００と移動部３０００が連通するように連結する供給管６２００と、供給管６２００を開閉するバルブ６３００と、供給管６２００の一側に設けられて貯蔵槽６１００の原料を移動部３０００に供給する供給ポンプ６４００を含んで構成される。

【0111】

この際、貯蔵槽６１００はコンクリート混合物を貯蔵する第１貯蔵槽６１１０と、粉末金属を貯蔵する第２貯蔵槽６１２０、および合成樹脂を貯蔵する第３貯蔵槽６１３０を含んで構成されることが好ましく、それぞれのプリント原料が互いに混ざらないように互いに異なる供給管６２００を介して移動部３０００に供給されることが好ましい。

【0112】

例えば、コンクリート混合物は第１供給ポンプ６４１０の作動によって第１供給管６２１０に介して移動部３０００に供給され、押出ヘッド４０００を介して作業領域に吐出される。粉末金属は第２供給ポンプ６４２０の作動によって第２供給管６２２０を介して移動部３０００に供給され、噴射ノズル５０００を介して作業領域に噴射される。合成樹脂は第３供給ポンプ６４３０の作動によって第３供給管６２３０を介して移動部３０００に供給され、押出ヘッド４０００を介して作業領域に吐出される。

【0113】

図１０は、本発明の第３実施例による押出ヘッドと噴射ノズルの斜視図である。

【0114】

図１０に示すように、本発明の第３実施例による押出ヘッド４０００の底面にはコンクリート混合物が吐出される吐出口４１００と、吐出口４１００の一側に備えられ、マイクロ波を照射するマイクロ波照射部４２００が備えられる。

【0115】

ここでコンクリート混合物はセメントと水及び砂や砂利または砂利粉末などの骨材が混合してなる。マイクロ波照射部４２００は作業領域に吐出されたコンクリート混合物を硬化させるためにマイクロ波を照射する。前述した実施例で説明した通り、マイクロ波はコンクリート混合物に含まれている水分を蒸発させて吐出及び積層されるコンクリート混合物を急速に凝固させる役割を果たす。

【0116】

この際、押出ヘッド４０００は移動部３０００に対して軸回転可能に設けられることが好ましいが、これは移動部３０００が移動するときにマイクロ波照射部４２００が吐出口４１００の移動軌跡に沿ってコンクリート混合物を急速に凝固させるためである。他の例として、吐出口４１００が押出ヘッド４０００の底面中央部に形成され、吐出口４１００の移動方向（例えば、前後左右方向）にそれぞれマイクロ波照射部４２００が備えられ得る。

【0117】

一方、吐出口４１００に残留するコンクリート混合物は時間の経過につれ自然に凝固し、これによって吐出口４１００が詰まる問題が発生し得る。したがって、コンクリート層形成を完了した後は吐出口４１００に残留するコンクリート混合物を除去する必要がある。このような洗浄装置の詳細な構成については図３を参照して前述した。

【0118】

一方、前述した実施例では押出ヘッド４０００を介してプリント原料としてコンクリート混合物が吐出される例を説明したが、本発明の他の例として、押出ヘッド４０００を介してコンクリート混合物と合成樹脂が交互に吐出され得る。この際、プリント原料の入れ替えがある度に洗浄装置によって吐出口４１００を洗浄することが好ましい。

【0119】

再び図１０を参照すると、本発明の第３実施例による噴射ノズル５０００は移動部３０００の底面に下方向に向かうように備えられ、噴射ノズル５０００を介して粉末金属が噴射される。

【0120】

この際、噴射された粉末金属はレーザの照射によって焼結硬化するが、粉末金属の噴射とレーザの照射による焼結がほぼ同時に行われるように、噴射ノズル５０００の内部にレーザ照射部５２００を備えることが好ましい。これについて図１１を参照して説明する。

【0121】

図１１は、本発明の第３実施例による噴射ノズルの内部構成図である。

【0122】

図１１に示すように、噴射ノズル５０００は概ね円筒形の本体でなり、下段部は外周面が内側下向に傾斜して形成され、中央部には噴射口５１００が形成される。

【0123】

噴射ノズル５０００の内部には噴射口５１００と垂直するようにレーザ照射部５２００が形成され、レーザ照射部５２００と噴射口５１００はレーザの照射方向をガイドする円筒形のガイド管５３００によって連結される。そして、ガイド管５３００の外周面の周囲に沿って流動管５４００が形成されるが、第２貯蔵槽６１２０から移動部３０００に供給された粉末金属はこの流動管５４００を介して噴射ノズル５０００の噴射口５１００にガイドされる。粉末金属の噴射は不活性ガスの流れによって行われることが好ましい。

【0124】

流動管５４００の下段部は所定角度の内側下向に傾斜することが好ましく、これは粉末金属が正確な位置に噴射され、レーザ焼結されるようにするためである。仮に、流動管５４００の下段部の傾斜角（α）が大きすぎると、粉末金属が鉄骨層の上に落下する途中にレーザ焼結され得、傾斜角が小さすぎると、レーザの照射領域を外れた地点に粉末金属が積層される問題がある。したがって、流動管５４００の下段部の傾斜角は噴射ノズル５０００の規格と、鉄骨層（２０、図１３を参照）と噴射ノズル５０００の間の間隔を考慮して適切に選択する必要がある。

【0125】

再び図７を参照すると、原料供給部６０００の一側、またはベースフレーム２０００の一側にコントロールパネル形態の制御部７０００が備えられる。制御部７０００は押出ヘッド４０００及び噴射ノズル５０００に供給される原料供給量、押出ヘッド４０００及び噴射ノズル５０００から吐出される原料吐出量と吐出速度、移動部３０００の移動、マイクロ波とレーザの照射量、洗浄装置の制御など３Ｄプリンティング装置１０００の作動の全般を制御する役割を果たす。

【0126】

図１２は、本発明の第３実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工方法の順序図である。図１３は、本発明の第３実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工順序を示す工程図である。

【0127】

以下、図１２と図１３を参照して本発明の第３実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工方法について段階別に詳細に説明する。

【0128】

（鉄骨層の形成および硬化の段階（Ｓ１００））
先に、粉末金属を噴射して鉄骨層２０を形成する。この際、粉末金属は必要な硬度と素材費用などを考慮して適切に選択し得、例えばスチール種類またはアルミニウムやチタニウムなどの合金素材からなる。

【0129】

粉末金属は第２貯蔵槽６１２０から第２供給管６２２０を介して移動部３０００の噴射ノズル５０００に供給され、流動管５４００と噴射口５１００を経て噴射される。噴射された粉末金属はレーザ照射部５２００から照射されるレーザによって焼結硬化する。

【0130】

この際、噴射ノズル５０００は移動部３０００の移動によって移動し、制御部７０００により予め設定された経路に沿って移動しながら鉄骨層２０を形成させる。

【0131】

制御部７０００は噴射ノズル５０００の移動速度、レーザ照射部５２００と鉄骨層２０との間の間隔、素材特性などの条件に応じてレーザの照射量を決定し、レーザ照射部５２００の作動を制御して鉄骨層２０を形成する。

【0132】

（コンクリート層の形成段階（Ｓ２００））
コンクリート混合物を吐出してコンクリート層３０を形成する。第１貯蔵槽６１１０から第１供給管６２１０を介して移動部３０００に供給されたコンクリート混合物は押出ヘッド４０００を介して吐出される。

【0133】

押出ヘッド４０００は移動部３０００の移動によって移動し、制御部７０００によって予め設定された経路に沿って移動しながらコンクリート層３０を形成させる。

【0134】

（コンクリート層の硬化段階（Ｓ３００））
コンクリート層３０にマイクロ波を照射して硬化させる。マイクロ波照射部４２００はコンクリート混合物が吐出される押出ヘッド４０００の吐出口４１００の一側に備えられ、移動部３０００の移動時の吐出口４１００の移動軌跡に沿ってコンクリート層３０を硬化させる。

【0135】

コンクリート層３０はコンクリート混合物内に含まれた水分がマイクロ波によって瞬間的に蒸発され、急速に硬化が行われ、このときのマイクロ波の照射量は制御部７０００により制御される。制御部７０００は押出ヘッド４０００の移動速度、マイクロ波照射部４２００とコンクリート層３０との間の間隔、コンクリート混合物に含まれた水分量などの条件に応じてマイクロ波の照射量を決定し、マイクロ波照射部４２００の作動を制御してコンクリート層３０を急速に凝固するようにする。

【0136】

一方、必要に応じて鉄骨層２０とコンクリート層３０が十分に接合する時間を与えるため、鉄骨層２０と隣接する部分のコンクリート層３０の硬化速度を適切に調整できる。例えば、鉄骨層２０とコンクリート層３０の境界部分はコンクリート層の硬化段階（Ｓ３００）の最後の経路で硬化され得る。

【0137】

（繰り返しの段階（Ｓ４００））
施工しようとする構造物の３次元形状が形成されるときまで、前述した段階（Ｓ１００〜Ｓ３００）を繰り返し行う。

【0138】

この際、一層ずつ積層される鉄骨層２０とコンクリート層３０は、構造物の３次元形状モデリングに基づいて得られたそれぞれの２Ｄ層のデータに基づいて形成される。例えば、先ず構造物の３次元形状をモデリングした後、高さ方向に沿って複数の層（ｌａｙｅｒ）にスライスして２Ｄデータを得る。その後、３Ｄプリンティング装置１０００を利用してそれぞれの２Ｄデータに基づき一層ずつプリントしながら構造物の最終形状に積層させる。

【0139】

作業が完了した３Ｄプリンティング装置１０００に対しては、残留プリント原料の凝固によって押出ヘッド４０００の出口が詰まらないように押出ヘッド４０００内部を洗浄して残留プリントの原料を除去することが好ましい。

【0140】

図１４は、本発明の第３実施例により製造される鉄骨コンクリート構造物の例を示す概略図である。本発明による３Ｄプリンティング装置によれば、図１４（ａ）の鉄骨コンクリートビーム１１や図１４（ｂ）の鉄筋コンクリート柱１２のように、鉄骨層２０とコンクリート層３０の複合鉄骨コンクリート構造物１０を形成できる。もちろん、図１４に示す構造物の形態は本発明の実施例により製造される一例であり、この他に多様な形態の鉄骨コンクリート構造物１０を施工できる。

【0141】

図１５は、本発明の他の実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工順序を示す工程図である。

【0142】

図１２と図１３を参照して前述した実施例では、先に鉄骨層２０を形成した後、コンクリート層３０を形成する例を説明した。この際、移動部３０００は先に鉄骨層２０の形成領域内に予め設定された経路に沿って移動しながら鉄骨層２０を形成し、鉄骨層２０形成を完了した後、コンクリート層３０の形成領域に移動してコンクリート層３０を形成する。

【0143】

図１５はこれとは異なり、先にコンクリート層３０を形成した後、鉄骨層２０を形成する施工方法を示している。この際、移動部３０００は先にコンクリート層３０の形成領域内に予め設定した経路に沿って移動しながらコンクリート層３０を形成し、その後、鉄骨層２０の形成領域に移動して鉄骨層２０を形成する。ここでコンクリート層３０と鉄骨層２０を接合するため、コンクリート層３０が養生によって完全に固まる前に鉄骨層２０を形成されなければならないのはもちろんである。

【0144】

図面に示していないが、前述したように鉄骨層２０とコンクリート層３０をそれぞれ順次に別途形成するのではなく、移動経路に沿って移動部３０００が１回移動するとき鉄骨層２０とコンクリート層３０が共に形成されるようにすることも可能である。

【0145】

例えば、図１４（ａ）に示す構造物の場合、移動部が左側から右側方向に“Ａ”経路に沿って１回移動する間、鉄骨層２０の左側コンクリート層３０の形成−鉄骨層２０の形成−鉄骨層２０の右側コンクリート層３０の形成が順次に行われる。

【0146】

図１６は、本発明のまた他の実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工順序を示す工程図である。コンクリート層３０はコンクリート混合物の噴射及びマイクロ波の照射による急速硬化によって形成される。この際、コンクリート混合物は水分によって若干の流動性を有するため、コンクリート層３０が先に形成され、次いで隣接する鉄骨層２０が形成される場合、硬化前の流動によってコンクリート混合物が鉄骨層２０の形成領域に流動し、鉄骨層２０の形成領域が縮小されたり鉄骨層２０の内部硬度が低下され得る。図１６は前述したような問題を防止するため、コンクリート層３０と鉄骨層２０の境界領域に合成樹脂からなる鉄骨外郭境界層４０を先に形成する例を示している。

【0147】

合成樹脂は光硬化性合成樹脂類のうちから選択され得、第３貯蔵槽６１３０から第３供給管６２３０を介して押出ヘッド４０００に供給される。移動部３０００は予め入力された鉄骨層２０の外郭境界線に沿って移動し、押出ヘッド４０００を介して吐出された合成樹脂は、後に続く噴射ノズル５０００のレーザ照射部５２００により硬化され鉄骨外郭境界層４０を成す。この際、移動部３０００が移動するときの押出ヘッド４０００の移動軌跡を沿ってレーザ照射部５２００が移動できるように押出ヘッド４０００と噴射ノズル５０００は移動部３０００の底面に回転可能に結合された回転プレート（３１００、図１０を参照）上に設けられることが好ましい。制御部７０００は回転プレート３１００の回転角度を制御することによって押出ヘッド４０００の移動軌跡を沿って噴射ノズル５０００が移動するようにする。

【0148】

鉄骨外郭境界層４０の形成を完了すると、次いでコンクリート層３０と鉄骨層２０を形成する。この際、コンクリート層３０と鉄骨層２０が順次にまたは同時に形成され得ることについては前述した通りであり、コンクリート混合物の吐出前に押出ヘッド４０００を洗浄して残留合成樹脂を除去することが好ましい。

【0149】

鉄骨層２０を形成するときには鉄骨外郭境界層４０を形成するときの光硬化性合成樹脂に照射されたレーザに比べて高出力のレーザが照射される。このとき、鉄骨層２０とコンクリート層３０の境界に形成された合成樹脂材の鉄骨外郭境界層４０が溶融または燃焼などの方法で除去され、鉄骨層２０とコンクリート層３０が直接相互接合する。

【0150】

一方、コンクリート混合物の硬化前の流動によってコンクリート層３０の外郭境界線の部分が粗く形成され得、これを防止するためにコンクリート層３０の外郭境界線に沿って合成樹脂材からなるコンクリート外郭境界層５０を形成し得る。この場合、完成された構造物の表面は合成樹脂によってコーティングされ、必要に応じて構造物の完成後の表面の合成樹脂を除去できる。合成樹脂が除去された構造物の表面の粗さは合成樹脂を使用しなかったときに比べてより滑らかに形成される長所がある。

【符号の説明】

【0151】

１００、１００’、１０００ ３Ｄプリンティング装置
２００、２０００ ベースフレーム
３００、３０００ 移動部
４００、４０００ 押出ヘッド
５００、５００’、４２００ マイクロ波照射部
５０００ 噴射ノズル
５２００ レーザ照射部
７００、６０００ 原料供給部
８００、７０００ 制御部
９００ 洗浄装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】