特許 7532894 積層構造物の構築方法および積層構造物

(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】

(24)【登録日】2024-08-05

(45)【発行日】2024-08-14

(54)【発明の名称】積層構造物の構築方法および積層構造物

(51)【国際特許分類】

   E04G 21/02 20060101AFI20240806BHJP

   E04B 1/35 20060101ALI20240806BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240806BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20240806BHJP

   B28B 1/30 20060101ALI20240806BHJP

【ＦＩ】

E04G21/02 103Z

E04B1/35 K

E04B1/35 L

B33Y10/00

B33Y80/00

B28B1/30

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020087981

(22)【出願日】2020-05-20

(65)【公開番号】P2021181726

(43)【公開日】2021-11-25

【審査請求日】2023-04-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】坂上 肇

(72)【発明者】

【氏名】中村 允哉

(72)【発明者】

【氏名】金子 智弥

(72)【発明者】

【氏名】大川 悠奈

(72)【発明者】

【氏名】石関 嘉一

【審査官】櫻井 茂樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１７４２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９９９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－１６８７１６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１９－１４２０９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２８Ｂ１／００－１／５４

Ｂ２９Ｃ６４／００－６４／４０

６７／００－６７／０８

６７／２４－６９／０２

７３／００－７３／３４

Ｂ２９Ｄ１／００－２９／１０

３３／００

９９／００

Ｂ３３Ｙ１０／００－９９／００

Ｅ０２Ｄ２７／００－２７／５２

Ｅ０４Ｂ１／００－１／３６

Ｅ０４Ｇ２１／００－２１／１０

２３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１層と前記第１層の表面を覆う第２層とを有する積層構造物の構築方法であって、
前記第１層を形成する第１層形成工程と、
前記第１層の硬化前に前記第１層の表面から複数の係止材を打ち込む打ち込み工程と、
前記第１層の表面に重なるように、前記複数の係止材に線状の補強材を架設する架設工程と、
前記複数の係止材および前記補強材を覆うように前記第２層を形成する第２層形成工程と、を備える
積層構造物の構築方法。

【請求項2】

前記架設工程では、必要強度に応じた本数の補強材を架設する
請求項１に記載の積層構造物の構築方法。

【請求項3】

前記架設工程では、前記補強材の一端部を係止材に連結したのち、前記補強材を一筆書きの経路で架設して、前記補強材の他端部を係止材に連結する
請求項１または２に記載の積層構造物の構築方法。

【請求項4】

前記第１層が側面を含み、
前記第２層形成工程では、前記第１層の側面を覆う側面被覆部を形成する
請求項１～３のいずれか一項に記載の積層構造物の構築方法。

【請求項5】

前記第１層が上面を含み、
前記第２層形成工程では、前記第１層の上面を覆う上面被覆部を形成する
請求項１～４のいずれか一項に記載の積層構造物の構築方法。

【請求項6】

第１層と、
前記第１層の表面を覆う第２層と、
前記第１層の硬化前に前記第１層の表面に打ち込まれ、前記第１層および前記第２層の双方によって覆い隠される複数の係止材と、
前記第２層によって覆い隠され、前記複数の係止材に架設される線状の補強材と、を備える
積層構造物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層構造物の構築方法および積層構造物に関する。

【背景技術】

【0002】

近年では、セメント系材料を吐出する３Ｄプリンタ装置により積層構造物を構築する技術が実用化されつつある。こうしたセメント系材料を用いた積層構造物の引張強度を向上させるべく、例えば特許文献１には、各層間や各層に埋入した複数の補強部材で積層構造物を補強する技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１９９９４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、層の形成とその層に対する補強部材の射出とを同時期に行っている。このため、層の形成制御と補強部材の射出制御との間で同期をとる必要があり、積層構造物の補強を容易に行うことができなかった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決する積層構造物の構築方法は、第１層と前記第１層の表面を覆う第２層とを有する積層構造物の構築方法であって、前記第１層を形成する第１層形成工程と、前記第１層の表面から複数の係止材を打ち込む打ち込み工程と、前記第１層の表面に重なるように、前記複数の係止材に線状の補強材を架設する架設工程と、前記複数の係止材および前記補強材を覆うように前記第２層を形成する第２層形成工程と、を備える。

【0006】

上記課題を解決する積層構造物は、第１層と、前記第１層の表面を覆う第２層と、前記第１層および前記第２層の双方によって覆い隠される複数の係止材と、前記第２層によって覆い隠され、前記複数の係止材に架設される線状の補強材と、を備える。

【0007】

上記構成の積層構造物の構築方法は、前記架設工程では、必要強度に応じた本数の補強材を架設してもよい。
上記構成の積層構造物の構築方法は、前記架設工程では、前記補強材の一端部を係止材に連結したのち、前記補強材を一筆書きの経路で架設して、前記補強材の他端部を係止材に連結してもよい。

【0008】

上記構成の積層構造物の構築方法は、前記第１層が側面を含み、前記第２層形成工程では、複数の層を積層して前記第１層の側面を覆う側面被覆部を形成してもよい。
上記構成の積層構造物の構築方法は、前記第１層が上面を含み、前記第２層形成工程では、前記第１層の上面を覆う上面被覆部を形成してもよい。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、積層構造物の補強を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】積層構造物の一実施形態を示す斜視図。

【図2】３Ｄプリンタ装置の概略構成を示す図。

【図3】積層構造物の構築方法の一実施形態を示すフローチャート。

【図4】（ａ）第１架設工程が完了した状態を模式的に示す上面図、（ｂ）第１架設工程が完了した状態を模式的に示す側面図。

【図5】（ａ）第２架設工程が完了した状態を模式的に示す上面図、（ｂ）第２架設工程が完了した状態を模式的に示す側面図。

【図6】側面被覆部を形成する様子の一例を模式的に示す図。

【図7】側面被覆部を形成する様子の他の例を模式的に示す図。

【図8】上面被覆部が形成された状態を模式的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１～図８を参照して、積層構造物の構築方法および積層構造物の一実施形態について説明する。
図１に示すように、積層構造物１０は、第１層１１と第２層１２とを有する。第１層１１および第２層１２は、後述する３Ｄプリンタ装置１８によって形成される。本実施形態の第１層１１は、複数の層で構成されているが、１つの層で構成されていてもよい。第２層１２は、側面被覆部１３と上面被覆部１４とで構成されている。側面被覆部１３は、第１層１１の外側面を覆う部分であり、上面被覆部１４は、第１層１１の上面と側面被覆部１３の上面とを覆う部分である。本実施形態の側面被覆部１３および上面被覆部１４は、複数の層で構成されているが、１つの層で構成されていてもよい。さらに、積層構造物１０は、上面部を補強する第１補強部１５と外側面部を補強する第２補強部１６とを内蔵している。

【0012】

図２～図８を参照して、上述した積層構造物１０の構築方法について説明する。
まず、図２を参照して、３Ｄプリンタ装置１８の概略構成について説明する。
図２に示すように、３Ｄプリンタ装置１８は、ノズル１９、ロボットアーム２０、および、制御装置２１を備えている。

【0013】

ノズル１９は、第１層１１および第２層１２を形成するモルタルを吐出する。モルタルは、例えば繊維を混合したセメント系材料である。ノズル１９は、下端縮径部の先端に吐出口を有している。ノズル１９には、吐出口と反対側の端部に、ホース２２の端部が接続されている。モルタルは、ホース２２に接続されている圧送ポンプ（図示せず）から、ホース２２を介してノズル１９に供給され、ノズル１９の吐出口から下方に吐出される。

【0014】

ノズル１９には、取付部２３を介して、ロボットアーム２０が取り付けられている。ノズル１９は、このロボットアーム２０の動きに従って水平方向や上下方向に移動するとともにモルタルの吐出方向が設定される。ロボットアーム２０は、制御装置２１からの指示によって制御される。

【0015】

制御装置２１は、図示しない入力部及び出力部を備えている。入力部は、キーボードやポインティングデバイス等を備え、形成する層Ｌ１に関する情報を制御装置２１に供給する。出力部は、ディスプレイ等を備え、入力された情報や形成する層Ｌ１の経路等を表示する。

【0016】

制御装置２１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。制御装置２１は、記憶部に格納された層形成プログラムに基づいて層形成処理を実行する。層形成処理において、制御装置２１は、モルタルの経路を管理する処理やその経路に応じてノズル１９を移動させるロボットアーム２０の動きを制御する処理、ノズル１９から吐出するモルタルを圧送するポンプを制御する処理を実行する。

【0017】

図３に示すように、積層構造物１０を構築する際には、第１層１１を形成する第１層形成工程（ステップＳ１０）を行ったあと、その第１層１１が半硬化した状態で、第１補強部１５を形成する第１補強部形成工程（ステップＳ１１）と第２補強部１６を形成する第２補強部形成工程（ステップＳ１２）とを行う。

【0018】

第１補強部形成工程は、第１打ち込み工程（ステップＳ１１－１）と第１架設工程（ステップＳ１１－２）とで構成される。第２補強部形成工程は、第２打ち込み工程（ステップＳ１２－１）と第２架設工程（ステップＳ１２－２）とで構成される。

【0019】

各補強部１５，１６が形成されると、第２層１２を形成する第２層形成工程（ステップＳ１３）を行う。第２層形成工程は、側面被覆部１３を形成する側面被覆工程（ステップＳ１３－１）と上面被覆部１４を形成する上面被覆工程（ステップＳ１３－２）とで構成される。

【0020】

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、第１形成工程（ステップＳ１０）では、３Ｄプリンタ装置１８により第１層１１を形成する。本実施形態の第１層１１は、表面として、水平方向に延びる上面１１ａと鉛直方向に延びる４つの外側面１１ｂとを有している。また、第１層１１は、面接触する２つの四角筒体２５によって構成されている。各四角筒体２５は、複数の層で構成されている。なお、本実施形態では、層の境界を二点鎖線で示している。

【0021】

第１打ち込み工程（ステップＳ１１－１）では、第１層１１の上面１１ａに対して上方から係止材として複数のピン２６を打ち込む。ピン２６は、金属製、樹脂製、木製のいずれであってもよい。各ピン２６は、上面１１ａからの突出量が上面被覆部１４の厚さよりも小さくなる位置まで打ち込まれる。各ピン２６は、他のピン２６の少なくとも１つと、第１層１１の上面１１ａの法線方向から見たときに第１層１１に重なる直線によって結ばれる位置に打ち込まれる。

【0022】

本実施形態では、ピン２６は、四角筒体２５が有する４つの上面角部の各々に打ち込まれている。このため、四角筒体２５を上方から見たとき、対角位置のピン２６以外のピン２６同士を結ぶ直線が四角筒体２５に重なっている。また、ピン２６は、第１層１１を構成する複数の層に跨がるように配設されている。

【0023】

第１架設工程（ステップＳ１１－２）では、複数のピン２６に上面補強材２７を架設する。上面補強材２７は、第１層１１および第２層１２よりも引張強度に優れた材質からなる柔軟性がある線状材であり、例えば金属や炭素繊維などで構成されている。上面補強材２７は、その断面が円形状であってもよいし、四角形状のものであってもよい。上面補強材２７は、第１層１１の上面１１ａの法線方向において第１層１１に重なる直線によって結ばれるピン２６同士を繋ぐように架設される。上面補強材２７は、ピン２６の位置ずれを防ぐとともに引張力が作用したときの伸びが抑えられる程度の張力が付与されるように架設される。

【0024】

本実施形態では、各四角筒体２５に打ち込まれた４本のピン２６に１本の上面補強材２７が架設される。具体的には、１つのピン２６に対して上面補強材２７の一端部を連結したのち、他のピン２６に対して外側から係合するように、上面補強材２７を一筆書きの経路で１周巻き回す。そして、上面補強材２７の他端部を、一端部が連結されたピン２６に連結する。上面補強材２７は、ピン２６に係合する部分がピン２６の形状に倣うように屈曲している。こうした上面補強材２７の架設を各四角筒体２５に行うことにより、第１補強部１５が形成される。第１補強部１５の強度は、その必要強度に応じて、ピン２６の配置、上面補強材２７の材質や断面積のほか、上面補強材２７の巻き数、すなわちピン２６間に架設される上面補強材２７の本数により調整される。

【0025】

図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、第２打ち込み工程（ステップＳ１２－１）では、第１層１１の外側面１１ｂの各々に対して外方から係止材として複数のピン２８を打ち込む。ピン２８は、金属製、樹脂製、木製のいずれであってもよい。ピン２８は、外側面１１ｂからの突出量が側面被覆部１３の幅よりも小さくなる位置まで打ち込まれる。各外側面１１ｂにおいて、ピン２８は、他のピン２８の少なくとも１つと、その外側面１１ｂの法線方向から見たときに第１層１１に重なる直線によって結ばれる位置に打ち込まれる。

【0026】

本実施形態では、四角筒体２５の上端部および下端部に対して、直線状に並ぶように複数のピン２８が打ち込まれている。具体的には、四角筒体２５の側面部には、上端部および下端部の各々に５本のピン２８が打ち込まれている。四角筒体２５の側面部を外方から見たとき、その側面部に打ち込まれた１０本のピン２８同士を結ぶ全ての直線が四角筒体２５に重なっている。

【0027】

第２架設工程（ステップＳ１２－２）では、複数のピン２８に側面補強材２９を架設する。側面補強材２９は、上面補強材２７と同様に、第１層１１および第２層１２よりも引張強度に優れた材質からなる柔軟性がある線状材であり、例えば金属や炭素繊維などで構成されている。側面補強材２９は、その断面が円形状であってもよいし、四角形状のものであってもよい。側面補強材２９は、第１層１１の外側面１１ｂの法線方向において第１層１１に重なる直線によって結ばれるピン２８同士を繋ぐように架設される。側面補強材２９は、ピン２８の位置ずれを防ぎつつ、引張力が作用したときの伸びが抑えられる程度の張力が付与されるように架設される。

【0028】

本実施形態では、四角筒体２５の側面部に打ち込まれた１０本のピン２８に１本の側面補強材２９が架設される。具体的には、左下端部に位置するピン２８に側面補強材２９の一端部を連結したのち、上端部に位置するピン２８と下端部に位置するピン２８とに対して交互に係合するように、一筆書きの経路で側面補強材２９を架設する。そして、右上端部に位置するピン２８に対して側面補強材２９の他端部を連結する。側面補強材２９は、ピン２８に係合する部分がピン２８の形状に倣うように屈曲している。こうした側面補強材２９の架設を各四角筒体２５に行うことにより、第２補強部１６が形成される。第２補強部１６の強度は、その必要強度に応じて、ピン２８の配置、側面補強材２９の材質や断面積のほか、側面補強材２９の経路、ピン２８間に架設される側面補強材２９の本数などにより調整される。

【0029】

なお、各打ち込み工程（ステップＳ１１－１，Ｓ１２－１）は、作業員が行ってもよいし、ロボットアームの先端からピンを射出可能に構成されたピン射出装置を用いてもよい。また、各架設工程（ステップＳ１１－２，Ｓ１２－２）は、作業員が行ってもよいし、ロボットアームの先端から補強材を送出可能な補強材架設装置を用いてもよい。補強材架設装置を用いる場合には、ピンへの補強材の連結を作業員が行ってもよい。また、ピンの配置や補強材の経路など、各補強部の詳細な構成については、例えば、積層構造物１０について行った応力解析の結果などに基づいて設計される。

【0030】

図６に示すように、側面被覆工程（ステップＳ１３－１）では、３Ｄプリンタ装置１８を用いて、第２層１２を構成する側面被覆部１３を形成する。側面被覆部１３は、第２補強部１６を覆い隠すように第１層１１の外側面１１ｂを覆う部分である。

【0031】

具体的には、側面被覆部１３の形成部分に対して斜め方向からノズル１９を近づける。そして、第１層１１の外側面１１ｂに沿うようにノズル１９を移動させながらモルタルを吐出し、ピン２８の突出量よりも大きな幅を有する層Ｌ２を形成する。そして、この層Ｌ２を第１層１１の上面１１ａと面一となる位置まで積層して側面被覆部１３を形成する。

【0032】

図７に示すように、側面被覆工程（ステップＳ１３－１）では、側面被覆部１３の形成部分に対してノズル１９が上方から近づけてもよい。また、吐出したモルタルの型崩れが抑えられるように、側面被覆部１３を構成する各層Ｌ２の端面を成形する成形部材３０がノズル１９の先端部に取り付けられた状態で行われてもよい。

【0033】

図８に示すように、上面被覆工程（ステップＳ１３－２）では、３Ｄプリンタ装置１８を用いて、第２層１２を構成する上面被覆部１４が形成される。上面被覆部１４は、第１層１１の上面１１ａとともに側面被覆部１３の上面を覆って第１補強部１５を覆い隠す部分である。

【0034】

具体的には、３Ｄプリンタ装置１８は、ノズル１９を移動させながら第１層１１の上面１１ａと側面被覆部１３の上面とにモルタルを吐出し、それにより形成される層を所定の高さまで積層することにより上面被覆部１４を形成する。

【0035】

そして、第１層１１、第２層１２、側面被覆部１３、および、上面被覆部１４が硬化することにより、第１補強部１５および第２補強部１６を内蔵する積層構造物１０が形成される。

【0036】

（作用）
上述した構築方法においては、第１層１１および第２層１２の形成工程とは別の工程で第１補強部１５および第２補強部１６を形成することができる。また、第１補強部１５および第２補強部１６は、複数のピンと複数のピンに架設された補強材とで構成されていることから、引張荷重に対して積層構造物１０を効果的に補強することができる。

【0037】

本実施形態の効果について説明する。
（１）積層構造物１０の補強を容易に行うことができる。
（２）各補強部１５，１６は、ピンと柔軟性がある線状の補強材とによって構成されている。こうした構成によれば、ピンの配置、補強材の経路、ピン間に架設される補強材の本数などによって、必要強度に応じた補強を行うことができる。

【0038】

（３）補強材は、一筆書きの経路で架設されている。これにより、補強材とピンとの連結箇所が少なくなるため、補強材の架設に要する時間を短縮することができる。
（４）第１補強部１５により、積層構造物１０全体としての引張強度を向上させることができる。

【0039】

（５）第２補強部１６により、積層構造物１０全体としての引張強度を向上させることができる。
（６）側面被覆部１３が複数の層で構成されることにより、側面被覆部１３の形状についての自由度を向上させることができる。

【0040】

（７）側面被覆部１３の形成部分に対して斜め上方からノズル１９が近づくことにより、第１層１１に対して側面被覆部１３をより確実に密着させることができる。
（８）成形部材３０を用いて側面被覆部１３を形成することにより、側面被覆部１３を構成する各層の端面を平坦にすることができる。

【0041】

（９）ピン２６，２８が第１層１１と第２層１２とに跨がるように配設されることで、第１層１１と第２層１２との間の接合強度を高めることができる。
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0042】

・積層構造物１０は、上面部のみが補強される構成であってもよいし、外側面部のみが補強される構成であってもよい。筒状の形状を有する積層構造物１０においては、内側面部が補強される構成であってもよい。

【0043】

・一対のピンに架設される補強材は、一対のピンの双方に連結されていてもよい。
・積層構造物１０は、第１層１１と第２層１２とを有するものであればよく、図１に示した形状のものに限られない。例えば、積層構造物１０は、湾曲形状に形成されていてもよいし、段差形状に形成されていてもよい。

【0044】

・補強材は、第１層１１の表面に対して傾斜した状態で架設されてもよい。こうした構成によれば、第１層１１の表面に凹凸がある場合であっても、第１層１１と補強材との干渉を回避するように補強材を架設することができる。

【符号の説明】

【0045】

Ｌ１，Ｌ２…層、１０…積層構造物、１１…第１層、１１ａ…上面、１１ｂ…外側面、１２…第２層、１３…側面被覆部、１４…上面被覆部、１５…第１補強部、１６…第２補強部、１８…３Ｄプリンタ装置、１９…ノズル、２０…ロボットアーム、２１…制御装置、２２…ホース、２３…取付部、２５…四角筒体、２６…ピン、２７…上面補強材、２８…ピン、２９…側面補強材、３０…成形部材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】