JSCE 令和3年度土木学会全国大会第76回年次学術講演会

第V部門

新材料・新工法（材料）(4)
2021年9月9日(木) 14:40 〜 16:00 V-4 (Room21)[V-135] 自由曲面を有する埋設型枠への3Dプリンティング技術の適用
Application of 3D printing to free-form permanentformworks〇山本 伸也1、小倉 大季1、阿部 寛之1、菊地 竜1 （1.清水建設株式会社）〇Shinya Yamamoto1, Hiroki Ogura1, Hiroyuki Abe1, Ryu Kikuchi1 （1.Shimizu Corporation）
キーワード：3Dプリンティング、繊維補強モルタル、埋設型枠、3Dスキャン
3D printing, fiber reinforced mortar, permanent formwork, 3D scanning
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令和3年度土木学会全国大会第76回年次学術講演会

自由曲面を有する埋設型枠への 3D プリンティング技術の適用
清水建設 (株) 技術研究所

1.

正会員 〇山本伸也，小倉大季，阿部寛之，菊地竜

はじめに建設業における 3D プリンティング技術は型枠不要の機械化された施工により，業界の課題である生産性を向上させることが期待されている．
しかし，本技術の実用化には課題が多く残されている．
様々な造形形状や使用環境に対応できる材料の開発，造形図– 1 積層体の切断面

物の外力に対する構造安全性，環境作用に対する耐久性の確保，造形物の出来形確認方法などが例として挙げられる．そのため，国内では既に種々の造形物が製作されているが1) ，実験的な段階に留まっているケースが多い．
著者らは，普通コンクリートと同等以上の力学性能およ
び物質移動抵抗性を持つ造形物を製造する 3D プリンティ

図– 2 適用対象の 4 本の柱ング技術を開発し2) ，国内で初めて 3D プリンティング技術を実際に使用される柱の埋設型枠の製造に適用することに至った．本稿では，著者らが開発した 3D プリンティン
グ技術とその適用に関して紹介する．

2.

開発した 3D プリンティング技術
著者らが開発 · 適用した 3D プリンティング技術は，独自の繊維補強モルタル (ラクツム ⃝R ) をロボットアーム先図– 3 柱モデルと分割ピース端に取り付けた押出しノズルから吐出しながら積層してい図– 4 埋設型枠の製作状況

くもので，3D プリンティング技術の分類における材料押進行している．本施設においてホテル棟とオフィス棟は横出方式に該当する．
ラクツムには以下の特長がある．

幅 30 m，長さ 50 m の歩行者用デッキによって地上 6 m の• 材齢 1 日で圧縮強度 20 N/mm2 以上を発現する高さで接続される．このデッキを支える 14 本の RC 柱の• 20 ℃ 封 緘 養 生 し た 場 合 ，材 齢 28 日 で 圧 縮 強 度

うち，図– 2 に示す柱 4 本の埋設型枠の製造に 3D プリン
ティング技術を適用した．右側 2 本と左側 2 本の柱は左右100 N/mm2 以上を発現する• ひずみ硬化により，ひび割れ発生後にも引張力を負担対称の形状になっている．なお，埋設型枠は非構造体として利用した．

する

右側 2 本の柱のモデルを図– 3(左) に示す．従来の型枠• 高さ 2 m 以上積層できる• 各プリント層の界面が一体化する (図– 1 参照)を用いるコンクリート施工では造形が困難な自由曲面を有• トレント法による表層透気試験と SWAT 法による表している．柱の高さは 4.3 m であり，断面は下端から上端

面吸水試験の品質グレードは共に「良」に該当する
また，積層経路をロボットアームに指示するプログラムに向かって直径 2.2 m から 2.6 m に拡幅していく．

4.

は造形物の 3 次元 CAD データと積層に関するパラメータから短時間で生成できる．

3.

埋設型枠の 3D プリンティング
埋設型枠の寸法はロボットアームの可動範囲より大きく，一度ではプリントできないため，図– 3(右) のように埋設型枠を鉛直方向に 3 等分 (上段・中段・下段)，断面を 2

適用対象
2021 年 3 月現在，ホテル棟とオフィス棟を有する複合等分し，1 本の柱につき計 6 ピースに分割してプリントし，施設 ((仮称) 豊洲六丁目 4-2·3 街区プロジェクト) の建設がそれらを現場で組み合わせて使用することとした．ピース

1 体の造形に必要なモルタル量は約 450 L であった．なお，
キーワード: 3D プリンティング，繊維補強モルタル，埋設型枠，3D スキャン
連絡先: 〒 135-8530 東京都江東区越中島 3-4-17 清水建設 技術研究所 TEL 03-3820-5504

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製造の際は設計モデルに余剰部を付け足してプリントし，そこから圧縮強度試験用コア (ϕ50×100) と割裂引張強度試
表– 1 強度試験結果

験用コア (ϕ50×50) を鉛直方向に抜き出した．
図– 4 は埋設型枠をプリントしている様子である．プリ

圧縮強度90.8(N/mm2 )ひび割れ発生強度 5.5(N/mm2 )

ント速度 (押出しノズルの移動速度) は 100 mm/sec，型枠の厚み (プリント幅) は 70 mm とした．プリントは 20±5 ℃
図– 5 コア載荷方向に保たれた施設で行った．製造したモルタルのフレッシュ性状のばらつきを，15 打フロー試験とレオロジー試験3) により把握し，適切なタイミングで積層することで，不良率0%の安定した施工をすることができた．
造形した埋設型枠は翌朝までの 15 時間程度，気温 20 ℃以上で水分が散逸しない環境で初期養生した．その後，硬化した埋設型枠は屋外で封緘養生した．屋外養生した時期
は 11 月下旬から 1 月上旬にあたり，平均気温は 7.3 ℃であったが，ひび割れは発生しなかった．
図– 6 3D スキャンデータと設計モデルの比較

埋設型枠と同様の養生をしたコアを材齢 28 日時点で圧縮試験および割裂引張試験に供した．両試験のサンプル数はそれぞれ 72 本 (24 ピース× 3 本/ピース) である．コアの載荷方向を図– 5 に示す．表– 1 に試験結果を示す．

5.

埋設型枠の出来形評価
積層した埋設型枠と設計モデルの形状の比較のために，測距精度 ±1 mm の 3D レーザースキャナを用い，埋設型枠の形状データ (点群) を取得した．埋設型枠の全体の点群を取得するために複数の角度からスキャニングを行い，図– 7 打設完了後の柱全景専用のソフトウェアで点群を結合した．点群の結合時に生じる点群のずれは最大 2 mm であった．そして，点群処理用のソフトウェアを用いて埋設型枠の外面の点群と設計モデルとの最短距離を計算し，設計モデルに対する誤差を評価した．なお，計測で得られた点群の間隔は約 3 mm でび割れが発生することはなかった．図– 7 は 4 本の柱の打設終了後の状況である．埋設型枠の現場施工が開始されてから 9 日で完了した．

7.

あった．

おわりに

図– 6(左) に上述した誤差をもとに色分けした柱 1 本分

3D プリンティング技術を実供用される柱の埋設型枠のの合成後の点群を示す．個々の埋設型枠の点群を点群処理製造に適用した．その結果，短期間で自由な曲面を有する用ソフトウェアを用いて合成し，接合に不具合が無いこと造形物 24 体を不良率 0%で製造することができた．今後を確認した．図– 6(右) に誤差のヒストグラムを示す．埋設は積層体を構造体として利用できるように，材料 · 補強方

型枠の外面と設計モデルの誤差は正規分布に従っており，法 · 利用方法などを検討していく予定である．

平均値は 0.02 mm，標準偏差 σ は 1.41 mm であることが参考文献わかった．このような方法で，型枠の出来形と設計モデルの形状の誤差を定量的に評価できた．

6.

現場での施工養生した埋設型枠は現場に運搬した後，クレーンにより柱の鉄筋の周りに据え付けた．埋設型枠内部へのコンクリートの打込みは上中下の段ごとの計 3 回に分けて行った．

1) 丸屋剛, 石田哲也: 3D プリンティングの技術開発の現状と展
望, コンクリート工学, Vol. 59, No. 2, pp. 173-180, 2021
2) 小倉大季, 阿部寛之, 田中博一: 3D プリンティングで作製した繊維補強セメント複合材料の力学特性, 土木学会第 74 回年次
学術講演会講演概要集, V-101, 20193) 阿部寛之, 小倉大季, 田中博一: 3D プリンティング技術に用いる繊維補強セメント複合材料の積層性評価, 土木学会第 74 回
年次学術講演会講演概要集, V-102, 2019

コンクリートの打込みに伴う側圧によって埋設型枠にひJSCE 令和3年度土木学会全国大会第76回年次学術講演会© Japan Society of Civil Engineers- V-135 -