(57)【要約】【課題】ポンプ等の粘性材料供給手段から供給される粘性材料の脈動の影響を受けずに粘性材料を定量供給し得る３Ｄプリンタ用ノズル装置を提供する。【解決手段】この３Ｄプリンタ用ノズル装置１０は、ポンプ２９から供給された粘性材料Ｃを一時的に貯留するシリンダ部１と、シリンダ部１内の粘性材料を押し出すスクリュ３を備えるスクリュ搬送部１ｄと、スクリュ搬送部１ｄの先端に着脱可能に装着されるノズル部４と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント原料とする粘性材料を一時的に貯留するシリンダ部と、
前記シリンダ部内に任意の定常速度で回転可能なスクリュを内蔵するとともに前記シリンダ部内の粘性材料をシリンダ部先端に向けて定量圧送するスクリュ搬送部と、
前記シリンダ部先端に設けられて前記定量圧送された粘性材料を吐出するノズル部と、
を備えることを特徴とする３Ｄプリンタ用ノズル装置。
【請求項２】
前記粘性材料は、セメント系材料である請求項１に記載の３Ｄプリンタ用ノズル装置。
【請求項３】
前記シリンダ部は、その内部に撹拌部材を備える請求項１または２に記載の３Ｄプリンタ用ノズル装置。
【請求項４】
前記スクリュは、その先端が先細に形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ用ノズル装置。
【請求項５】
前記スクリュの停止直後に、その回転方向を正転方向から僅かに反転させるスクリュ正反転制御手段を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ用ノズル装置。
【請求項６】
前記スクリュ搬送部の内壁素材は、前記スクリュの表面素材よりも摩擦係数が大きい素材が用いられている請求項１〜５のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ用ノズル装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ用ノズル装置と、混練りしたセメント系材料を貯留する貯留部と、該貯留部のセメント系材料をプリント原料として前記３Ｄプリンタ用ノズル装置のシリンダ部に供給する配送部と、を備えることを特徴とする３Ｄプリンタ装置。
【請求項８】
請求項７に記載の３Ｄプリンタ装置を用い、
前記３Ｄプリンタ装置のノズル部から吐出したセメント系材料を積層して所望形状の建造物を構築することを特徴とする建造物の構築方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ用ノズル装置を用いて粘性材料を供給する方法であって、
前記粘性材料として、セメント系材料を主材とするものを用い、
ポンプから前記粘性材料を前記シリンダ部に供給して前記シリンダ部に前記粘性材料を一時的に貯留する材料貯留過程と、
前記スクリュ搬送部のスクリュを回転させて前記シリンダ部から前記ノズル部に前記粘性材料を押し出す材料押出過程と、
を含むことを特徴とする粘性材料の供給方法。
【請求項１０】
不連続にまたは脈動を伴って粘性材料を供給する粘性材料供給手段と、該粘性材料供給手段から供給される粘性材料を吐出する３Ｄプリンタ用ノズル装置と、を備え、該３Ｄプリンタ用ノズル装置を複数の軸方向に移動または姿勢制御して３Ｄプリンタ技術を用いた繰り返し積層作業により造形物や構造物等の製作物を構築する製作物構築装置であって、
前記３Ｄプリンタ用ノズル装置として、請求項１〜６のいずれか一項に記載の３Ｄプリンタ用ノズル装置を備えることを特徴とする製作物構築装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメント系材料を主材とする粘性材料を吐出ノズルに供給し、３Ｄプリンタ技術を用いてノズル先端から吐出される粘性材料を繰り返し積層することにより、造形物や建造物、構造物等の製作物を構築する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３Ｄプリンタ技術を応用して、コンクリートやモルタル等のセメント系材料を主材とする粘性材料を用いて造形物や建造物、構造物等の製作物を構築する技術が種々提案されている（例えば特許文献１ないし２参照）。３Ｄプリンタ技術を用い、この種の製作物を構築する例としては、まず、構築しようとする製作物の３次元形状をコンピュータでモデリングし、次いで、そのモデリングされた３次元データから、多数の層に分けられた２次元データを生成する。
【０００３】
そして、移動可能な供給ヘッドにポンプから粘性材料を供給するとともに、各層の２次元データに基づいて、供給ヘッドの吐出ノズルから生コンクリート等の粘性材料を用いたプリント原料を吐出して各層の２次元形状を構築する。そして、構築された２次元形状の層上に、続く層の２次元データに基づいて、プリント原料を一層ずつ積層し、これにより、３次元の製作物を構築する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１０８８０１号公報
【特許文献２】特許第４５２７１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、３次元の製作物を製作する用途で使用する粘性材料の供給に際しては、高揚程や大容量の供給が前提となる。そのため、一般的にこの種の用途では、粘性材料を供給する粘性材料供給手段として、往復ポンプ（例えばピストンポンプやスクイーズポンプ）や、ホッパ、シュートが用いられるところ、３Ｄプリンタ技術を応用する繰り返し積層作業にこの種粘性材料供給手段を適用するには、供給される粘性材料の不連続供給または脈動による粘性材料供給量の変動を防止する必要がある。このような問題点に対し、上記特許文献１ないし２に記載の技術では、３Ｄプリンタ用ノズル装置の構造や、これを用いた粘性材料の供給方法について、未だ検討の余地がある。
【０００６】
つまり、不連続供給または脈動により粘性材料供給量が変動し、供給ヘッドの吐出ノズルからの材料吐出量が一定でない場合、各層の積層幅や積層厚に乱れが生じ、繰り返し積層を行った場合に、製作物の造形精度の低下や崩壊につながるおそれがある。
特に、現場打ちで積層工法を採用する大型製作物の場合、この問題はより顕著である。そのため、繰り返し積層により、高精度な製作物を安定的に製作するには、吐出ノズルから吐出される粘性材料の流量を一定に保つことが重要である。
【０００７】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、不連続にまたは脈動を伴って粘性材料を供給する粘性材料供給手段から供給される粘性材料の不連続供給または脈動の影響を受けずに粘性材料を定量供給し得る３Ｄプリンタ用ノズル装置および３Ｄプリンタ装置並びにこれを用いた建造物の構築方法、粘性材料の供給方法および製作物構築装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置は、プリント原料とする粘性材料を一時的に貯留するシリンダ部と、前記シリンダ部内に任意の定常速度で回転可能なスクリュを内蔵するとともに前記シリンダ部内の粘性材料をシリンダ部先端に向けて定量圧送するスクリュ搬送部と、前記シリンダ部先端に設けられて前記定量圧送された粘性材料を吐出するノズル部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置によれば、不連続にまたは脈動を伴って粘性材料を供給する粘性材料供給手段から供給される粘性材料を一時的にシリンダ部に貯留し、その貯留した粘性材料をシリンダ部先端に向けて、スクリュ搬送部により任意の定常速度で回転するスクリュで定量圧送してノズル部から吐出できる。
そのため、粘性材料供給手段として、例えば高揚程大容量に適用できる往復ポンプを採用した場合であっても、シリンダ部での一時的な貯留によって往復ポンプによる脈動の影響を防止または抑制し、さらに、スクリュ搬送部による定量圧送によって吐出量を任意の流量で一定に制御しつつ吐出できる。
【００１０】
つまり、本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置によれば、高揚程大容量に適用できる往復ポンプの利点と、脈動が発生しないねじポンプの利点とを、粘性材料を一時貯留するシリンダ部を介してスクリュ搬送部と組み合わせることにより、不連続にまたは脈動を伴って粘性材料を供給する粘性材料供給手段から供給される粘性材料の不連続供給または脈動の影響を受けずにノズル部から粘性材料を定量供給できる。
【００１１】
ここで、本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置において、前記シリンダ部は、その内部に撹拌翼を有する撹拌部材を備えることは好ましい。このような構成であれば、シリンダ部の撹拌翼とスクリュ搬送部のスクリュとの協働により、ノズル部からの粘性材料をより安定して定量供給する上でより好適である。
また、前記シリンダ部は、その内部が当該シリンダ部の上部から下部に向けて次第に縮径するように先細に形成されていることは好ましい。このような構成であれば、シリンダ部内の粘性材料をノズル部側に向けてより円滑に送りだせる。よって、ノズル部から粘性材料を定量供給する上でより好適である。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置において、前記ノズル部は、その内部が先細に形成され、前記スクリュの先端形状は、前記ノズル部における前記粘性材料の飲み込み部の横断面積の減少に合わせて先細に形成されていることは好ましい。このような構成であれば、スクリュの停止時に発生し得るノズル部からの粘性材料の垂れを防止または抑制する上で好適である。
【００１３】
また、本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置において、前記スクリュの停止直後に、その回転方向を正転方向から僅かに反転させるスクリュ正反転制御手段を有することは好ましい。このような構成であっても、スクリュの停止時に発生し得るノズル部からの粘性材料の垂れを防止または抑制する上で好適である。
【００１４】
また、本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置において、前記スクリュ搬送部の内壁素材は、前記スクリュの表面素材よりも摩擦係数が大きい素材が用いられていることは好ましい。このような構成であれば、スクリュの回転方向への粘性材料の移動を低減できるので、スクリュによる定量圧送によって吐出量を任意の流量で一定に制御しつつ吐出する上でより好適である。
【００１５】
また、本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置において、前記スクリュ搬送部の内壁には、複数の溝または複数の突条が形成されていることは好ましい。このような構成であれば、複数の溝または複数の突条が、粘性材料の移動に方向性を持たせ、これにより、スクリュの回転方向への粘性材料の移動を低減できるので、材料の押し出し効率を向上させる上でより好適である。
【００１６】
また、本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置において、前記ノズル部は、その内部の横断面形状が、横断面積の変化率が一定となるように先細に形成されていることは好ましい。このような構成であれば、ノズル部の内部断面形状が、横断面積の変化率が一定に先細になっているので、粘性材料の不意な閉塞または停留を効果的に防止する上で好適である。また、スクリュの停止時に発生し得るノズル部からの粘性材料の垂れを防止または抑制する上で好適である。
【００１７】
また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ装置は、本発明のいずれか一の態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置と、混練りしたセメント系材料を貯留する貯留部と、該貯留部のセメント系材料をプリント原料として前記３Ｄプリンタ用ノズル装置のシリンダ部に供給する配送部と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る建造物の構築方法は、本発明のいずれか一の態様に係る３Ｄプリンタ装置を用い、前記３Ｄプリンタ装置のノズル部から吐出したセメント系材料を積層して所望形状の建造物を構築することを特徴とする。
【００１９】
本発明の一態様に係る建造物の構築方法によれば、本発明のいずれか一の態様に係る３Ｄプリンタ装置を用いてセメント系材料を積層して所望形状の建造物を構築するので、不連続にまたは脈動を伴って粘性材料を供給する粘性材料供給手段から供給される粘性材料の不連続供給または脈動の影響を受けずに粘性材料を定量供給しつつ、セメント系材料を積層して所望形状の建造物を構築できる。
【００２０】
また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る粘性材料の供給方法は、本発明のいずれか一の態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置を用いて粘性材料をノズル部から供給する方法であって、前記粘性材料として、セメント系材料を主材とするものを用い、ポンプから前記粘性材料を前記シリンダ部に供給して前記シリンダ部に前記粘性材料を一時的に貯留する材料貯留過程と、前記スクリュ搬送部のスクリュを回転させて前記シリンダ部から前記ノズル部に前記粘性材料を押し出す材料押出過程と、を含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明の一態様に係る粘性材料の供給方法によれば、シリンダ部内での一時貯留によって、ポンプからの材料供給量の変動（＝脈動の影響）を吸収し、スクリュ搬送部のスクリュを任意の定常速度で回転させて粘性材料を定量圧送することで、ノズル部からの粘性材料の吐出量を任意の流量で一定に制御できる。よって、ポンプの脈動による粘性材料供給量の変動を防止または抑制して粘性材料を定量供給できる。
【００２２】
さらに、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る製作物構築装置は、不連続にまたは脈動を伴って粘性材料を供給する粘性材料供給手段と、該粘性材料供給手段から供給される粘性材料を吐出する３Ｄプリンタ用ノズル装置と、を備え、該３Ｄプリンタ用ノズル装置を複数の軸方向に移動または姿勢制御して３Ｄプリンタ技術を用いた繰り返し積層作業により造形物や構造物等の製作物を構築する製作物構築装置であって、前記３Ｄプリンタ用ノズル装置として、本発明のいずれか一の態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置を備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の一態様に係る製作物構築装置によれば、本発明のいずれか一の態様に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置を備えるので、この３Ｄプリンタ用ノズル装置から粘性材料の吐出量を任意の流量で一定に制御できる。そのため、ポンプの脈動による粘性材料供給量の変動を防止または抑制して粘性材料を定量供給しつつ、３Ｄプリンタ技術を用いた繰り返し積層作業により造形物や構造物等の製作物を構築できる。
【発明の効果】
【００２４】
上述のように、本発明によれば、ポンプの脈動による粘性材料供給量の変動を防止または抑制して粘性材料を定量供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一態様に係る３Ｄプリンタ装置の一実施形態（第一実施形態）の説明図であり、同図では、吐出ノズルの軸線に沿った断面を模式的に示している。
【図２】図１のスクリュ部分の拡大図である。
【図３】図１のノズル部分の拡大図である。
【図４】図１のシリンダ部でのスクリュ部分を説明する図（（ａ）、（ｂ））であり、同図（ａ）はスクリュ搬送部の内壁断面の方向から見た図、（ｂ）はスクリュ搬送部の内壁面の方向（同図（ａ）での右側面側）から見た図である。
【図５】図１のスクリュ搬送部の内壁面の他の例を説明する斜視図である。
【図６】図１のノズル部分の内部の横断面形状を説明する図である。
【図７】図１のノズル部分の交換可能なアタッチメントの例を示す図（（ａ）〜（ｃ））である。
【図８】施工現場での使用例を説明する模式図である。
【図９】第一実施形態の変形例である。
【図１０】図１の３Ｄプリンタ装置による施工試験の一例を示す図（写真（ａ）〜（ｃ））である。
【図１１】図１の３Ｄプリンタ装置による施工試験の一例を示す図（写真）である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態ないし実施例は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態ないし実施例に特定するものではない。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態の３Ｄプリンタ装置は、シリンダ部１と、内部にスクリュ３が設けられたスクリュ搬送部１ｄと、スクリュ搬送部１ｄの先端１ｆに着脱可能に装着されるノズル部４と、を有する３Ｄプリンタ用ノズル装置１０を備えている。
【００２８】
シリンダ部１は、軸方向を上下として、上部に貯留室１ｂが設けられている。貯留室１ｂの下部にはスクリュ搬送部連結部１ｃが設けられ、スクリュ搬送部連結部１ｃに連続してスクリュ３が同軸に収容されるスクリュ搬送部１ｄが設けられている。貯留室１ｂは、上部が大径の略中空円筒状に形成されるとともに下方に向かうにつれて縮径する中空の略逆円錐台状をなし、さらに、その下部のスクリュ搬送部連結部１ｃが小径の中空円筒状に形成されている。
【００２９】
スクリュ搬送部１ｄは、貯留室１ｂ下部の小径の略円筒状のスクリュ搬送部連結部１ｃ部分と内径がほぼ同じ円筒状に形成される。スクリュ搬送部１ｄの周壁部分は、スクリュ３駆動時の押し出し圧力に耐えられるように他の周壁部分よりも肉厚に形成されている。また、スクリュ搬送部１ｄの周壁部分は、粘性材料Ｃとの摩擦係数が高くなるように形成されている。
シリンダ部１には、貯留室１ｂの上部側方に、供給パイプ２７が接続されている。供給パイプ２７は、配送部としてのポンプ２９を介して、貯留部としてのホッパ２８に接続されている。ホッパ２８内には、所定配合に練り混ぜられた粘性材料Ｃがプリント原料として蓄えられる。なお、ホッパ２８とポンプ２９との配置位置関係は問わない（例えば鉛直配置でも水平配置でもよい。）。
【００３０】
この３Ｄプリンタ用ノズル装置１０およびポンプ２９は、コントローラ３０により制御される。シリンダ部１の上端部１ａには、駆動モータ６がその出力軸を下方に向けた姿勢でシリンダ部１の上端部１ａの開口を覆うように装着される。駆動モータ６には、駆動モータ６の作動を制御する信号線がコントローラ３０との間で必要な信号を授受可能に接続され、駆動モータ６は、材料供給用のポンプ２９とは独立してコントローラ３０に制御されて駆動される。
【００３１】
シリンダ部１には、貯留室１ｂ内の粘性材料Ｃの残量を検出可能な残量検出センサ７が貯留室１ｂの適所に付設されている。残量検出センサ７は、信号線を介してコントローラ３０に検出信号が入力される。また、ポンプ２９の駆動部は、ポンプ２９の作動を制御する信号線がコントローラ３０に接続されている。なお、本実施形態のポンプ２９は、モルタルやコンクリートのような重い粘性材料を高い揚程Ｈで揚げることを想定し、往復ポンプ（例えばスクイーズポンプ）を使用している。
【００３２】
コントローラ３０は、粘性材料供給処理のプログラムを実行し、残量検出センサ７の検出信号に基づいて、シリンダ部１内の粘性材料Ｃの残量が所定量未満になるとポンプ２９を作動させ、ホッパ２８に蓄えられた粘性材料Ｃをシリンダ部１に供給するように構成されている。これにより、シリンダ部１の貯留室１ｂには、ホッパ２８の粘性材料Ｃがポンプ２９を介して安定供給され、その粘性材料Ｃを一時的に貯留可能になっている。
なお、残量検出センサ７の検出信号に限らず、モータ６の回転数から吐出量を概算し、その概算量に基づいて、シリンダ部１内の粘性材料Ｃの残量が所定量未満になるとポンプ２９を作動させ、ホッパ２８に蓄えられた粘性材料Ｃをシリンダ部１に供給するように構成してもよい。また、残量検出センサ７の検出信号とモータ６の回転数から吐出量を概算した概算量とから供給タイミングを決定してもよい。
【００３３】
回転軸５は、シリンダ部１の軸方向に沿ってシリンダ部１の中心に、駆動モータ６から垂下された状態で支持されている。回転軸５の上端５ａは、駆動モータ６の出力軸に不図示のカップリングを介して回転駆動力を伝達可能に同軸に接続されている。回転軸５には、シリンダ部１の貯留室１ｂ内の位置に、らせん状線材を組み合わせた撹拌部材としての撹拌翼２が装着されている。
【００３４】
本実施形態の撹拌翼２は、供給パイプ２７の接続部近傍であって、回転軸５の上部の位置に水平に固定された複数の旋回腕２ａと、上端部が各旋回腕２ａの先端に連結されるとともに、下端部がスクリュ搬送部１ｄの上部近傍であって、回転軸５の上部の位置に連結され、軸線方向において貯留室１ｂの内壁面に沿って螺旋状に湾曲形成された複数の撹拌ワイヤ２ｂと、を有する。撹拌ワイヤ２ｂは、丸棒状であってもよいが、板状とすることが好ましい。
【００３５】
回転軸５が回転すると、この攪拌翼２が貯留室１ｂ内で貯留室１ｂの内壁面に沿って回転駆動されることにより、貯留室１ｂの内壁面近傍の粘性材料Ｃとシリンダ中心近傍の粘性材料Ｃとを混合するとともに、貯留室１ｂでの一時的な貯留時の粘性材料Ｃの硬化を抑制し、さらに、粘性材料Ｃ中に混入した気泡を脱気するとともに、粘性材料Ｃの押し込み効果により、スクリュ３側への粘性材料Ｃの安定した引き込みが可能になっている。なお、攪拌翼２の形状は、本実施形態のようならせん形状を基本とするものの、これに限らず、多段に配置したり、らせん以外の形状に形成したりしてもよい。
【００３６】
そして、回転軸５の下端には、螺旋状の雄ねじ部３ｒが外周面に形成されたスクリュ３が回転軸５と同軸に垂下された姿勢で固定されている。スクリュ３は、駆動モータ６の正転方向への駆動により、スクリュ搬送部１ｄ内にて任意の定常速度で回転可能に設けられ、貯留室１ｂ内に一時貯留した粘性材料Ｃをノズル先端４ｓ側に向けて押し出すように螺旋状の雄ねじ部３ｒが形成されている。これにより、シリンダ部１内の粘性材料Ｃをスクリュ搬送部１ｄの先端に向けて定量圧送可能になっている。
【００３７】
ここで、図２および図３に拡大図示するように、本実施形態のスクリュ３の先端３ｔの形状は、ノズル部４における粘性材料Ｃの飲み込み部４ｍの横断面積の減少に合わせて先細に形成されている。また、図４に模式図を示すように、本実施形態のスクリュ搬送部１ｄの内壁１ｎの素材は、スクリュ３の表面３ｓの素材よりも摩擦係数が大きい素材が用いられている。
【００３８】
換言すれば、スクリュ搬送部１ｄの内壁１ｎには、摩擦係数の大きい素材を配置する一方、スクリュ３の表面３ｓには、摩擦係数の小さな素材を選定している（あるいは表面加工を施している）。より具体的には、本実施形態のスクリュ３には、ＡＢＳ樹脂を使用するとともに、化学的な表面処理を施してスクリュ３表面を滑らかにし、粘性材料Ｃとの摩擦をより少なくしている。なお、本実施形態では、スクリュ３表面のピッチ間の軸部のＲ形状として、曲率半径を大きく設定して丸みを持たせ、これにより、緩やかな湾曲面とすることで、粘性材料Ｃがピッチ間の軸部に可及的に停留（付着）しないようになっている。
【００３９】
一方、スクリュ搬送部１ｄの内壁１ｎにはゴムを張り、粘性材料Ｃとの摩擦を高めている。これにより、スクリュ搬送部１ｄの内壁１ｎの摩擦力Ｆｃと（符号ＭＦｃで示す太線部分）、スクリュ表面の摩擦力Ｆｓ（符号ＭＦｓで示す太線部分）と、が同じもしくは近い値になり、スクリュ回転方向Ｒへの粘性材料Ｃの移動が低減し、スクリュ進行方向Ｄへの粘性材料Ｃの押し出し効率を高めることができる。
【００４０】
ここで、図４に示した例では、スクリュ搬送部１ｄの内壁１ｎの素材が、スクリュ３の表面３ｓの素材よりも摩擦係数が大きい素材を用いた例を示したが、例えば図５に示すように、素材によらず、スクリュ搬送部１ｄの内壁１ｎに、複数の溝または複数の突条１ｔを軸方向に沿って形成することにより、粘性材料Ｃの移動に方向性を持たせることができるため、同様の作用効果が得られる。また、これらの構成を組み合わせてもよい。
なお、複数の溝または突条１ｔを形成する場合に、スクリュ搬送部１ｄの軸方向に沿って形成する例を示したが、これに限らず、粘性材料Ｃの移動に方向性を持たせることができればよいため、例えば、スクリュ３の螺旋方向に対して垂直方向に（つまりシリンダ側において斜め方向に、また、斜めに螺旋状に）複数の溝または突条１ｔを形成してもよい。
【００４１】
図１に戻り、本実施形態のノズル部４は、スクリュ搬送部１ｄの先端１ｆに着脱可能に装着されている。ノズル部４は、その基端部外周面に雄ねじ４ｎが形成され、スクリュ搬送部１ｄの先端内周面に形成された雌ねじ１ｅに着脱可能に螺着される。ノズル部４の内部４ｋはスクリュ搬送部１ｄ内部と連通し、スクリュ３側から定量圧送された粘性材料Ｃをノズル先端３ｓから吐出可能になっている。なお、本実施形態では、ノズル部４を着脱可能とする例としてねじを用いた例を示したが、これに限らず、例えばへルールクランプ等を用い、ワンタッチで着脱可能なクランプ機構を好適に採用できる。
【００４２】
ここで、本実施形態のノズル部４は、図６に示すように、その内面形状が、横断面積の変化率が一定となるように先細に形成されている。このような構成とする上では、粘性材料Ｃの進行方向に対して、ノズル部４の軸方向長さおよび内周面形状の少なくとも一方、並びに、飲み込み部４ｍの軸方向長さおよび内周面形状の少なくとも一方を、ノズル部４の内周面とスクリュ３の表面３ｓとの間の画成空間の横断面積の変化が少なくなるように形成することができる。但し、ノズル部４の内面形状はこれに限定されず、ノズル先端３ｓから粘性材料Ｃを定量吐出可能であれば、例えば直線状テーパ形状としてもよいし、粘性材料Ｃの垂れ落ちが生じない条件であれば、先細のテーパ形状に限らず、円筒状としてもよいし、また、ノズル先端３ｓの端部を平面としてもよい。
【００４３】
本実施形態では、ノズル部４の内部断面形状を、断面積変化率が一定となるように先細にした。つまり、ノズル内部の各部横断面積は、スクリュ搬送部出口の横断面を初期ノズル断面Ａ０、単位長さ当たりの横断面積の変化率をα、スクリュ搬送部出口からノズル先端方向への位置をｘとするとき、位置ｘにおける横断面積Ａ（ｘ）は次式で表される。
Ａ（ｘ）＝αｘＡ０
【００４４】
この結果より、ノズル内部の断面形状は、図３に拡大図示する形状としている。なお、本実施形態では、ノズル部４は、スクリュ搬送部１ｄとは独立した着脱可能な構造なので、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、ノズル先端の吐出口径や軸方向長さなどを用途に応じて種々の態様のものに交換できる。また、ノズル部４の材料についても、種々の材料を用いることができ、金属製とすることは勿論、樹脂製としてもよい。樹脂製とする場合、ＡＢＳ樹脂でもよいが、より材料強度の高いＰＬＡ樹脂が好ましい。
【００４５】
次に、上述した本実施形態の３Ｄプリンタ用ノズル装置１０を備える製作物構築装置による施工現場での一使用例について、図面を適宜参照しつつ説明する。本実施形態は、粘性材料を用いた製作物の生産性、施工性を向上し得る、３Ｄプリンタ技術を応用した製作物の施工技術である。また、本実施形態は、ノズル先端から吐出される粘性材料を繰り返し積層することにより、現場打ちで積層工法を採用する大型の３次元製作物を製作する用途での使用例である。
【００４６】
図８に模式図を示すように、本実施形態の製作物は、橋脚部Ｆを地上に施工する施工現場Ｇの例である。本実施形態の橋脚部Ｆは、施工装置として、３Ｄプリンタ装置を含む三次元製作物構築装置として構成された第一の材料供給装置２０と、第二の材料供給装置であるコンクリートポンプ車両４０と、によって施工される。
【００４７】
まず、第一の材料供給装置２０について説明する。
第一の材料供給装置２０は、同図に示すように、クライミングクレーン同様に構成され、地上に立設されて継ぎ足し可能なマスト２１と、ジャッキアップ装置が内蔵されてマスト２１に沿って昇降可能なベースフレーム２２とを備える。ベースフレーム２２上には、旋回機構が内蔵された旋回台２３と、旋回台２３上に支持された多関節型のロボットアーム２４とが搭載されている。
【００４８】
また、ベースフレーム２２には、第一の粘性材料であるプリント原料Ｃを貯留可能な供給チャンバ２８と（上記ホッパ２８に対応する）、供給チャンバ２８に付設された供給ポンプ２９と（上記ポンプ２９に対応する）、供給ポンプ２９、旋回台２３およびロボットアーム２４を制御するコントローラ３０と（上記コントローラ３０に対応する）、が装備されている。本実施形態では、橋脚部Ｆを構築するような高揚程や大容量のプリント原料Ｃの供給を行うため、粘性材料を供給する供給ポンプ２９として、往復ポンプ（例えばピストンポンプやスクイーズポンプ）が用いられている。
【００４９】
さらに、この第一の材料供給装置２０は、ロボットアーム２４の先端に連結されて、上述した３Ｄプリンタ用ノズル装置１０を有する供給ヘッド２５と、供給ヘッド２５に、プリント原料Ｃを供給可能に接続された原料供給管２７と、を備える。ロボットアーム２４は、複数の関節を構成するアーム２４ａ〜ｅを有する多軸のロボットであり、橋脚部Ｆの輪郭に沿って供給ヘッド２５を複数の軸方向に移動または姿勢制御可能に構成されている。
【００５０】
供給チャンバ２８の一次側には、原料供給管２７の一次側供給管２７ａが着脱可能に接続され、コンクリートミキサ車６０側には、供給チャンバ２８までプリント原料Ｃを圧送可能なポンプ５０を地上に設けている。一次側供給管２７ａは、地上のポンプ５０に接続されている。
ポンプ５０は、例えばコンクリートミキサ車６０から必要なプリント原料Ｃを、一次側供給管２７ａを介して供給チャンバ２８に補充可能になっている。供給チャンバ２８の二次側には、原料供給管２７の二次側供給管２７ｂが接続されている。なお、ポンプ５０は、モルタルやコンクリートのような重い粘性材料を高い揚程まで揚げることを想定し、往復ポンプ（例えばスクイーズポンプ）を使用している。
【００５１】
ここで、本実施形態のプリント原料Ｃには、セメント系材料を主材とする粘性材料を用いている。本明細書において、「粘性材料」とは、種々のセメント系混合材料（例えばセメントペースト、モルタル、コンクリート）を含む意味であり、自立するとともに、速硬性を有する材料を用いている。自立性の確認は例えばチキソトロピー性により確認できる。速硬性を得るためには、早強材、セメント硬化促進剤の添加、急結剤を使用すればよい。また、吹付けコンクリートも場合によっては使用できる。
【００５２】
速硬性を有する材料としては、例えば、特開２００５−１８７２５７号公報、特開昭４９−７７９３４号公報、特開昭４８−１０２４号公報等に開示される材料がある。また、高チキソトロピー性の材料としては、高チキソトロピータイプ無収縮特殊ポリマー系断面修復モルタル材「なおしタル（登録商標：ドーピー建設工業株式会社）」等がある。
【００５３】
生コンクリートであれば、例えばスランプ値が１５ｃｍ〜２４ｃｍの範囲のものが好ましく、スランプ値が１８ｃｍ〜２４ｃｍの範囲のものがより好ましい。モルタルであれば、例えば打撃フロー値が１７５〜１９５ｍｍの範囲のものが好ましく、打撃フロー値が１８０〜１９０ｍｍの範囲のものがより好ましい。
【００５４】
すなわち、本実施形態のプリント原料Ｃは、その供給時に、型枠を用いること無く橋脚部Ｆの輪郭に沿って載置可能な流動性と、その積層時に輪郭上の供給位置に固定され且つその上部にも積層可能に自立するチキソトロピー性と、その積層後に輪郭上の供給位置に固定され且つその上部にも積層可能に自立して所期の構造物として必要な強度まで硬化する速硬性とを有する。
【００５５】
なお、プリント原料Ｃには、補強材として、ポリプロピレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリエステル繊維やアラミド繊維などの合成樹脂繊維を針状に形成した短長繊維や、鋼繊維、ガラス繊維、シリカ繊維、セラミック繊維、炭素繊維などの無機繊維を主材に事前に混合して用いてもよい。
【００５６】
第一の材料供給装置２０は、不図示の遠隔操作器から無線による遠隔操作により作動させることができる。コントローラ３０は、遠隔操作器から自動運転を実行する制御信号を受信すると、受信した制御信号に応じて、自動運転に対応する３Ｄプリンティング処理を実行し、第一の材料供給装置２０全体を制御可能になっている。本実施形態では、第一の材料供給装置２０による３Ｄプリンティング処理で橋脚部Ｆの外周殻壁１１を構築する。本実施形態の例では、平面視が矩形枠状をなす外周殻壁１１の輪郭に沿って３Ｄプリンティングが行われる。
【００５７】
本実施形態のコントローラ３０は、３Ｄプリンティング処理のプログラムの実行にて、スクリュ搬送部１ｄ内のスクリュ３を任意の定常速度で回転させてプリント原料Ｃを定量圧送することで、３Ｄプリンタ用ノズル装置１０を有する供給ヘッド２５のノズル部４からのプリント原料Ｃの吐出量を任意の流量で一定に制御可能になっている。
【００５８】
さらに、本実施形態のコントローラ３０は、３Ｄプリンティング処理のプログラムの実行にて、３Ｄプリンタ用ノズル装置１０のスクリュ３の停止直後に、その回転方向を正転方向から僅かに反転させるスクリュ正反転制御処理を実行し、これにより、スクリュ３の停止時に発生し得るノズル部４からのプリント原料Ｃの垂れを防止または抑制可能になっている。ここで、本実施形態のコントローラ３０およびコントローラ３０で実行される３Ｄプリンティング処理のプログラムが、上記課題を解決するための手段に記載する「スクリュ正反転制御手段」に対応している。
【００５９】
次に、第二の材料供給装置であるコンクリートポンプ車両４０について説明する。
本実施形態では、第一の材料供給装置２０による３Ｄプリンティング処理で橋脚部Ｆの外周殻壁１１を構築後に、その外周殻壁１１の内側を、自己充填性がある第二の粘性材料で充填して充填部１７を構築する。
【００６０】
本実施形態では、充填部１７の打設工法としてコンクリートポンプ工法を採用している。本実施形態のコンクリートポンプ工法では、コンクリートミキサ車６０で建設現場に搬送されてきた生コンクリートＫを、コンクリートポンプ車４０を使用して打設個所まで圧送して充填部１７の打設を行なう。
【００６１】
このコンクリートポンプ車４０は、一般的なコンクリートポンプ車両であって、車両のフレーム４１上に搭載されたコンクリートポンプ４４と、フレーム４１上にシリンダで屈伸可能に設けられた多段ブーム４２とを備える。コンクリートポンプ４４は、フレーム４１上に設けられるホッパ４５内にコンクリートミキサ車６０から投入された生コンクリートＫを吸入して移送管４３に送給可能に構成されている。コンクリートポンプ車両４０は、オペレータの操作により、コンクリートポンプ４４により吐出される生コンクリートＫを、多段ブーム４２に支持される移送管４３の先端から橋脚部Ｆの外周殻壁１１内の打設個所に圧送可能に構成されている。
【００６２】
第二の粘性材料としては、本実施形態のような生コンクリートＫの他、有機繊維や、無機繊維を混合した、種々のセメント系混合材料（例えばセメントペースト、モルタル、コンクリート）を、補強材の量、充填スペース、充填形状等に応じて適宜用いることができる。高流動コンクリートを使用すれば、締固め作業をすることなく充填することができる。また、中流動コンクリートを使用すれば、締固め作業が軽減される。その他、流動性の高い材料として、流動化処理土、エアモルタル、セメントミルクなどのセメント系材料を充填することができる。
【００６３】
なお、第二の粘性材料と第一の粘性材料とは、相互に異なる配合の材料を用いることができることは勿論、少なくとも流動性、チキソトロピー性、速硬性のいずれかが相違すれば、同一材料の配合比を変えて用いてもよい。この場合、例えば混練する水分量を適宜に変えれば流動性、チキソトロピー性、速硬性のいずれかを相違させることができる。
【００６４】
次に、本実施形態の製作物構築装置による製作物の施工方法およびその作用効果について説明する。
第一の材料供給装置２０の３Ｄプリンティングでは、予め、構築しようとする橋脚部Ｆの３次元形状をコンピュータモデリングするとともに、そのモデリングされたデータから、数多くの薄層に分けられた外周殻壁１１の輪郭の２次元データを生成して、３Ｄプリンティングに必要な基礎構築データが準備されている。そして、基礎構築データは、予め第一の材料供給装置２０のコントローラの記憶装置に格納されている。
【００６５】
オペレータは、第一の材料供給装置２０に向けて、遠隔操作器から無線による遠隔操作により自動運転を実行する制御信号を送信する。第一の材料供給装置２０のコントローラ３０は、受信した制御信号に応じて、対応する３Ｄプリンティング処理を実行する。コントローラ３０で所定の３Ｄプリンティング処理が実行されると、コントローラ３０は、まず、旋回台２３およびロボットアーム２４を移動させて、橋脚部Ｆの構築すべき外周殻壁１１の輪郭上の積層開始点に供給ヘッド２５を位置させる。
【００６６】
その後、コントローラ３０は、供給チャンバ２８に付設された供給ポンプ２９を駆動するとともに、旋回台２３およびロボットアーム２４の位置を基礎構築データに基づいて、構築すべき外周殻壁１１の輪郭に沿って移動させる。これにより、第一の材料供給装置２０は、二次側供給管２７ｂを介して供給ヘッド２５にプリント原料Ｃを供給して３Ｄプリンタ用ノズル装置１０から吐出しつつ、基礎構築データに応じた一のプリント層を外周殻壁１１の輪郭上に型枠を用いること無く形成できる。また、足場の構築およびその撤去作業を不要とすることができる。
【００６７】
本実施形態では、供給ポンプ２９からプリント原料Ｃを３Ｄプリンタ用ノズル装置１０のシリンダ部１に供給してシリンダ部１にプリント原料Ｃを一時的に貯留し（材料貯留過程）、スクリュ搬送部１ｄ内のスクリュ３を回転させてシリンダ部１からノズル部４にプリント原料Ｃを押し出し（材料押出過程）、プリント原料Ｃをノズル部４から構築すべき外周殻壁１１の輪郭上の積層位置に供給する。
【００６８】
つまり、本実施形態の３Ｄプリンタ用ノズル装置１０は、材料貯留過程と材料押出過程とをこの順に含む材料供給過程を経てプリント原料Ｃをノズル部４から構築すべき外周殻壁１１の輪郭上の積層位置に供給する。これにより、供給ポンプ２９から供給時のプリント原料Ｃの脈動の影響を受けずに３Ｄプリンタ用ノズル装置１０からプリント原料Ｃを構築すべき外周殻壁１１の輪郭上の積層位置に定量供給できる。
【００６９】
さらに、第一の材料供給装置２０は、一のプリント層を形成後、基礎構築データに基づいて、型枠を用いること無く、プリント原料Ｃを一層ずつ３Ｄプリンティングしてプリント層を積み上げる。ここで、一のプリント層を形成後、他のプリント層に移動する際、構築すべき外周殻壁１１の輪郭上の積層位置が連続していない場合があるところ、このような場合、本実施形態のコントローラ３０は、必要に応じて上記スクリュ正反転制御処理を実行する。なお、プリント原料Ｃの垂れは、材料の粘性等の特性、スクリュの長さや形状、管壁面の摩擦等、種々の要因の影響を受けるため、必要に応じてスクリュ正反転制御処理を実行すればよい。
これにより、スクリュ３の停止直後に、その回転方向を正転方向から僅かに反転させるスクリュ正反転制御がなされる。そのため、吐出口近傍のプリント原料Ｃをノズル内に引き込み、３Ｄプリンタ用ノズル装置１０のノズル部４からのプリント原料Ｃの垂れを防止または抑制することができる。
【００７０】
さらに、本実施形態では、スクリュ３やノズル部４の壁面からプリント原料Ｃが受ける摩擦抵抗を大きくすることで、スクリュ停止時の材料の垂れがより確実に防止されている。特に、ノズル部４における飲み込み部４ｍの横断面積の減少に合わせてスクリュ３の先端の形状を先細にし、さらに、プリント原料Ｃの進行方向に対してノズル部４の内周面とスクリュ３の表面との間の画成空間の横断面積の変化が少なくなるように、ノズル部４および飲み込み部４ｍの軸方向長さおよび形状の少なくとも一方が形成されているので、プリント原料Ｃとスクリュ３やノズル部４のノズル内壁との接触面積が広くなり摩擦抵抗が大きくなる。
【００７１】
供給ヘッド２５の３Ｄプリンタ用ノズル装置１０から供給されて橋脚部Ｆの基礎上に構築された外周殻壁１１のプリント層は順次に硬化し、硬化されたプリント層上に再びその上の層の外周殻壁１１の２次元輪郭データに基づいたプリント層の形成を繰り返し行って、所望する橋脚部Ｆの３次元殻壁形状を構築する。次いで、本実施形態では、コンクリートポンプ車両４０によって、外周殻壁１１の区画内に生コンクリートＫを充填して充填部１７を形成する。
【００７２】
なお、外周殻壁１１のＺ軸方向での積層位置は、旋回台２３およびロボットアーム２４の移動可能範囲であれば、旋回台２３およびロボットアーム２４の移動制御によって行われる。また、旋回台２３およびロボットアーム２４の移動可能範囲を超える場合には、マスト２１に対するベースフレーム２２のジャッキアップ装置が駆動され、ベースフレーム２２のクライミング動作によって行われる。ここで、製作物の外周に形成される外周殻壁１１の厚さおよび高さは、積層による構築時に自重による変形が抑制でき、内部充填時に作用する外周高さ相当の液圧を考慮して適宜決定できる。
【００７３】
このように、本実施形態によれば、施工現場にて、製作物である橋脚部Ｆを構築する際に、施工の迅速化，省力化，危険作業の無人化を目的とし、コンクリート施工の施工性を向上し得る、３Ｄプリンタ技術を応用したコンクリート施工技術を提供できる。
特に、本実施形態によれば、プリント原料Ｃには、高いチキソトロピー性により自立し、速硬性を有するセメント系材料等を主材とする配合を用いており、対象とする製作物の外周殻壁（外郭）を３Ｄプリンタで精緻に積層・構築できるため型枠が不要である。
【００７４】
ここで、従来の３次元の製作物を製作する用途で使用する粘性材料の供給に際し、橋脚部Ｆを構築するような高揚程や大容量のプリント原料Ｃの供給を行う場合、供給ポンプ２９から供給ヘッド２５に供給時のプリント原料Ｃは、脈動により供給量が変動する。そのため、従来の３次元製作物の製作技術では、粘性材料の押し出しによる繰り返し積層により製作物を製作する場合は、高揚程や大容量を要する大型製作物の構築が難しいという問題がある。一方、粘性材料を供給するポンプとして、脈動が生じないポンプを用いる場合、揚程や容量の制約から、製作場所や製作スピード、製作可能な製作物の大きさが制限され、工場での小規模なプレキャスト製品の製造などに適用範囲が限られるという問題がある。
【００７５】
つまり、ポンプの脈動に関連する従来技術とその問題点について考察すると、例えば、往復ポンプ（例えば、ピストンポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、スクイーズポンプ）は、一定空間容積にある流体を往復運動によって容積変化させてエネルギーを与える方式である。そのため、往復運動時に脈動が発生するという問題がある。なお、脈動を発生させない往復ポンプには、往復動の動き出しタイミングをずらして複数の往復運動を重ね合わせる「多連型往復ポンプ」があるものの、機構が複雑で高価であるという問題がある。
【００７６】
また、回転ポンプ（例えば、歯車ポンプ（ギヤポンプ）、ベーンポンプ、ねじポンプ）は、一定空間容積にある流体を、歯車や羽根、ねじなどの回転運動によって容積変化させエネルギーを与える方式であり、低速運転時以外は脈動は発生しないものの、輸送抵抗の大きな高揚程や大容量の流体輸送には適さないという問題がある。また、脈動減衰器（例えば、エアチャンバ、アキュミュレータ）は、容器内の空気の圧縮性を利用して往復動ポンプの脈動を抑えて安定した液の流れを作る装置である。しかし、原則として、ポンプの吐出量を変える度に絞り弁の再調整が必要になるという問題がある。
さらに、フレッシュ性状が経時的に変化（硬化）するセメント系材料を主材とする粘性材料を対象とする場合には、材料性状の変化をモニタリングしながら絞り弁を調整する必要があることから、圧力調整機構が複雑となる。また、ポンプ起動時の吐出遅れや停止時の液ダレが生じ得るという問題もある。
【００７７】
これに対し、本実施形態の製作物構築装置であれば、供給ヘッド２５に設けられた３Ｄプリンタ用ノズル装置１０が、ポンプ２９から供給される粘性材料を一時的に貯留するシリンダ部１と、シリンダ部１の先端に設けられたスクリュ搬送部１ｄと、スクリュ搬送部１ｄの先端に装着されたノズル部４と、を備え、スクリュ搬送部１ｄは、任意の定常速度で回転可能に設けられてシリンダ部１内の粘性材料Ｃをスクリュ搬送部１ｄの先端に向けて定量圧送するスクリュ３を有するので、ポンプ２９から供給される粘性材料Ｃを一時的にシリンダ部１に貯留し、その貯留した粘性材料Ｃをスクリュ搬送部１ｄの先端に向けて任意の定常速度で回転するスクリュ３で定量圧送してノズル部４から吐出できる。
【００７８】
そのため、ポンプ２９として高揚程大容量に適用できる往復ポンプを採用した場合であっても、シリンダ部１での一時的な貯留によって往復ポンプによる脈動の影響を防止または抑制し、さらに、スクリュ搬送部１ｄのスクリュ３による定量圧送によって吐出量を任意の流量で一定に制御しつつ吐出できる。
【００７９】
なお、粘性材料Ｃとして、光硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などを使用し、この種の粘性材料の押し出しによる付加製造方式（いわゆる一般的な３Ｄプリンタ）では、ノズル先端の吐出径が微小で内容量も小さいため、材料押し出し停止時に発生する材料の自重による垂れは問題とならない。
これに対し、本実施形態のように、セメント系材料を主材とする粘性材料（例えばペースト、モルタル、コンクリート）を吐出するノズルの場合、構成材料の粒子径を考慮してノズルの吐出径を大きくする必要があり、自重による材料の垂れが深刻な問題となる。
【００８０】
ここで、往復ポンプを用いる場合、押し出し停止時に材料の垂れを防止する対策としては、ノズル部に開閉式のバルブを取り付ける方法がある。しかし、バルブの開閉前後で吐出圧を調整する（バルブ閉時には吐出圧を定常圧からゼロに急減し、また、開時にはゼロから定常圧に急増させる）必要がある。そのため、開閉前後の吐出量に乱れが生じ、製作物の製作精度の低下や崩壊を招く要因となる。
【００８１】
一方、回転ポンプを用いる場合は、往復ポンプを用いる場合に比べて、押し出し停止時の材料の垂れを抑制できるものの、スクリュ先端からノズル先端までの距離が長いほど粘性材料の垂れは深刻となる。よって、従来は、ノズル部からの粘性材料の垂れの問題を回避するために、粘性材料の押し出しを途中で停止させる必要がない「ひと筆書き形状」に限定することにより積層している。
【００８２】
これに対し、本実施形態の製作物構築装置では、３Ｄプリンタ用ノズル装置１０のスクリュ３の正転反転制御を行うとともに、上述したように、ノズル部４の飲み込み部の軸方向長さや形状を所定に形成しているので、これにより、スクリュ停止時に発生するノズル部４からの粘性材料Ｃの垂れを防止または抑制できる。そのため、材料押し出しによる繰り返し積層の手順が、ひと筆書きに限らず、不連続な複数の区間を飛ばして積層可能となる。
【００８３】
ここで、図４に示したように、モルタル等の粘性材料Ｃがシリンダ部１内に満たされた状態でスクリュ搬送部１ｄのスクリュ３が回転するとき、粘性材料Ｃは、スクリュ表面との摩擦力Ｆｓとシリンダ内壁との摩擦力Ｆｃを受ける。スクリュ表面との摩擦力Ｆｓはスクリュ回転方向Ｒに作用し、粘性材料Ｃをスクリュ回転方向Ｒに移動させようとする。一方、スクリュ搬送部１ｄは、スクリュ３とは相対的に反対方向へ回転する。そのため、スクリュ搬送部１ｄ内壁との摩擦力Ｆｃは、スクリュ３の回転とは反対方向に作用することになる。
【００８４】
これにより、粘性材料Ｃは移動を妨げられて、その場に留まろうとする。このとき、スクリュ搬送部１ｄ内壁の摩擦力Ｆｃがスクリュ表面の摩擦力Ｆｓよりも非常に小さい場合、粘性材料Ｃはスクリュ３と一緒に回転してしまい、スクリュ進行方向Ｄには移動しない。一方、スクリュ搬送部１ｄ内壁の摩擦力が十分に大きい場合、粘性材料Ｃはその場に留まり、スクリュ３の螺旋部３ｒの勾配に従ってスクリュ進行方向Ｄに移動してノズル部４から安定して吐出される。
【００８５】
すなわち、本実施形態の３Ｄプリンタ用ノズル装置１０において、スクリュ搬送部１ｄの内壁素材は、スクリュ３の表面素材よりも摩擦係数が大きい素材が用いられているので、スクリュ３の回転方向Ｒへの粘性材料Ｃの移動を低減できるので、スクリュ３による定量圧送によって吐出量を任意の流量で一定に制御しつつ吐出する上で好適である。
また、３Ｄプリンタ用ノズル装置１０において、ノズル部４は、その内部の断面形状が、横断面積の変化率が一定となるように先細に形成されているので、粘性材料の不意な閉塞または停留を効果的に防止する上で好適である。
【００８６】
このように、本実施形態の製作物構築装置は、上述の３Ｄプリンタ用ノズル装置１０を備えているので、第一に、ノズル部４からの材料吐出量の変動を抑制できる。第二に、スクリュ３の停止時のノズル部４からの材料垂れを防止できる。第三に、粘性材料Ｃの押し出し効率を向上できる。第四に、断面形状変化時の粘性材料Ｃの閉塞または停留を防止できる、という極めて優れた効果を奏する。
【００８７】
よって、本実施形態の製作物構築装置は、供給ポンプ２９の脈動による粘性材料供給量の変動を防止または抑制してプリント原料Ｃを定量供給しつつ、３Ｄプリンタ技術を用いた繰り返し積層作業により造形物や構造物等の製作物を構築できる。特に、本実施形態で示したような、現場打ちで積層工法を採用する大型製作物の場合に優れた装置であるといえる。
【００８８】
なお、本発明に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、供給ポンプ２９としてスクイーズポンプを使用しているが、３Ｄプリンタ用ノズル装置１０に接続するポンプの形式はこれに限定されず、例えば往復ポンプを用いる場合、例えば、ピストンポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ等であってもよいし、また、回転ポンプを用いる場合、例えば、歯車ポンプ（ギヤポンプ）、ベーンポンプ、ねじポンプ等でもよく、ポンプの形式は問わない。
【００８９】
また、例えば、上記実施形態の図１に示す例では、攪拌翼２およびスクリュ３を駆動する回転軸５は同一軸で、回転速度、回転方向ともに同一の例であるが、本発明に係る３Ｄプリンタ用ノズル装置はこれに限定されない。例えば、攪拌翼２およびスクリュ３の回転軸は、同軸の単軸の他、二重管、あるいは多軸としてもよく、攪拌翼２およびスクリュ３の回転速度および回転方向を、それぞれ独立に制御してもよい。また、攪拌翼２およびスクリュ３の形状、ピッチおよび素材は、粘性材料Ｃのフレッシュ特性およびノズル部４からの設計吐出量を考慮して適宜設定できる。
【００９０】
また、例えば上記実施形態では、同軸上に設けたシリンダ部１と、スクリュ搬送部１ｄおよびノズル部４とを別体として、ノズル部４を種々の態様に換装可能に構成した例を示したが、これに限定されず、シリンダ部１、スクリュ搬送部１ｄおよびノズル部４は一体形式であってよい。また、同軸上に限定されず、別体形式として離れた位置に配置してもよい。また、シリンダ部１、スクリュ搬送部１ｄおよびノズル部４の相互の接続部の剛性は柔軟なものでも剛なものでもよい。ただし、両者は一定容積の閉空間として接続されていなければならない。
【００９１】
例えば、図９に第一実施形態の変形例を示す。同図に示す例では、シリンダ部１に対してスクリュ搬送部１ｄを、スクリュ搬送部連結部１ｃの部分で貯留室１ｂと分割するとともに、シリンダ部１とスクリュ搬送部１ｄとを、可撓性を有するフレキシブル管５１で繋いでいる点が上記第一実施形態と相違する。
詳しくは、この変形例では、シリンダ部１の下部とフレキシブル管５１の上端部とはカプラ５２で着脱可能に接続され、スクリュ搬送部１ｄの上部とフレキシブル管５１の下端部とはカプラ５３で着脱可能に接続されている。スクリュ搬送部１ｄの側面には、スクリュ駆動モータ５４が付設され、スクリュ３は、スクリュ搬送部１ｄ内に張り出す駆動機構５５を介してスクリュ駆動モータ５４により駆動可能になっている。スクリュ駆動モータ５４の出力軸とスクリュ３の軸線とは、相互が並行に配置されており、駆動機構５５は、例えばタイミングベルト等を介してスクリュ駆動モータ５４の動力をスクリュ３に伝達可能に構成される。
このような構成であれば、貯留室１ｂとスクリュ搬送部１ｄとの配置関係を任意に設定できる。また、貯留室１ｂが大型化する場合であっても、貯留室１ｂを固定構造とし、可動部となるスクリュ搬送部１ｄを小型にできるので、その移動や姿勢制御が容易に行うことができる。
【００９２】
また、本実施形態の３Ｄプリンタ用ノズル装置１０の適用対象は、上記実施形態の製作物構築装置のような大型の装置に装備する場合に限定されず、３Ｄプリンタ技術を用いた小型の装置に採用できることは勿論である。
【００９３】
例えば、図１０および図１１に小型装置による実施例を示す。この例での３Ｄプリンタ用ノズル装置１０は、粘性材料として、繊維長が１２ｍｍ程度の有機短繊維（ＰＰ、ＰＶＡなど）を容積混入量で３．０％程度まで混入した繊維補強モルタルに適用した例である。
また、この実施例は、上記３Ｄプリンタ用ノズル装置１０を、製作物構築装置として、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸方向それぞれに移動可能な３軸移動テーブル装置（不図示）に搭載し、３Ｄプリンタ技術を用いた繰り返し積層作業により造形物や構造物等の製作物を構築した例である。
【００９４】
その際、この実施例では、３Ｄプリンタ用ノズル装置１０のスクリュ搬送部１ｄ内のスクリュ３は、造形時のテーブル移動速度に同期して回転し、その回転速度にほぼ比例して粘性材料Ｃの吐出量がコントローラ３０で制御される。本実施例では、粘性材料Ｃとして、打撃フロー１８０〜１９０ｍｍのモルタルのとき、３０〜１２０ｒｐｍの回転速度に対して０．１２〜０．３５Ｌ／ｍｉｎの材料を吐出可能である。
【００９５】
図１０に示す実施例は、本実施形態の３Ｄプリンタ用ノズル装置１０が、不連続な複数の区間を飛ばして円筒状の製作物を積層可能な状態を示す。同図（ａ）に示すように停止位置でスクリュ停止時に発生するノズル部４からの粘性材料Ｃの垂れを防止した。次いで、図中白抜き矢印で示す径方向反対側までフィード後に（同図（ｂ）参照）、同図（ｃ）に示す径方向反対側位置で積層を再開している。同図に見て取れるように、ノズル部４からの粘性材料Ｃの垂れが防止されている。
【００９６】
また、図１１に示す実施例は、本実施形態の３Ｄプリンタ用ノズル装置１０による、３Ｄプリンタ技術を用いた繰り返し積層作業により複雑な造形物を構築した例である。この例では、高さ２０ｃｍ、４０層の繰り返し積層作業を行っている。同図に示すように、中空多角形状であって周方向に螺旋状をなすとともに軸方向上方に向かうにつれて拡幅する複雑な造形物や構造物等の製作物を短時間（この例では約５分）で構築できる。
【符号の説明】
【００９７】
１  シリンダ部
１ｃ  スクリュ搬送部連結部
１ｄ  スクリュ搬送部
１ｆ  シリンダ先端
１ｎ  シリンダ内壁
２  攪拌翼（撹拌部材）
３  スクリュ（回転部）
３ｓ  スクリュ表面
３ｔ  スクリュ先端
４  ノズル部
４ｍ  飲み込み部
５  回転軸
６  駆動モータ
１０  ３Ｄプリンタ用ノズル装置
２０  第一の材料供給装置（製作物構築装置：３Ｄプリンタ装置）
２５  供給ヘッド
２８  ホッパ（貯留部）
２９  ポンプ（配送部）
３０  コントローラ
４０  コンクリートポンプ車両
Ｃ  粘性材料（プリント原料）
【図１】
2019147338.tif 000003
【図２】
2019147338.tif 000004
【図３】
2019147338.tif 000005
【図４】
2019147338.tif 000006
【図５】
2019147338.tif 000007
【図６】
2019147338.tif 000008
【図７】
2019147338.tif 000009
【図８】
2019147338.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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