建設3Dプリンティング技術の現状と今後の可能性

清水建設 技術研究所 小倉 大季
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清水建設株式会社 事業説明会, 2024/3/28

15:30～17:00

CONTENTS
1. 今なぜ建設3Dプリンティングなのか
2. 建設3Dプリンティングとは
3. 建設3Dプリンティングの海外と国内の動向
4. シミズの3Dプリンティング技術と実用化事例
5. 3Dプリンターがもたらすモノづくりの未来

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CONTENTS
1. 今なぜ建設3Dプリンティングなのか
2. 建設3Dプリンティングとは
3. 建設3Dプリンティングの海外と国内の動向
4. シミズの3Dプリンティング技術と実用化事例
5. 3Dプリンターがもたらすモノづくりの未来

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建設業の状況
建設業就業者数の若年層／高齢層の割合の推移

年齢階層別建設技能者数

12.0%

就業者数は10年で10万人減少→今後も減少は続いていくことが予想される
既に工事現場では職人が足りない状況が現実に発生
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4建設業の状況

出典：野村総合研究所 https://www.nri.com/jp/journal/2023/0828

住宅建設技能者数は、2040年時点で約51万人に減少する見通し。特に大工の減少が顕著。
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３DPを巡る社会状況

令和５年版

国土交通白書

３Dプリンターのコラムが掲載。
DX・GXが国としての大きな課題でもある状況のなか、建設用３DプリンターはＤＸ・ＧＸとも相性が良い技術国としても３Dプリンターへの注目度は高い。

2022 アメリカ大統領府
National Strategy for Advanced Manufacturing(高度な製造業のための国家戦略）→グローバルサプライチェーンからローカル内需拡大への転換
３Dプリンティング(Additive Manufacturing)が技術の一つに挙げられる※製造業の分野：2022年にはAM Forwardという自主協定を締結、バイデン大統領も締結式に参加：３Dプリンティングのためのサプライチェーン構築について、大手と中小企業の自主協定(大手企業はAM技術研修を中小企業向けに実施し、３Dプリンタ製品を中小企業から購入する)：国家としても商務省にサプライチェーン局を設置
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期待される社会への貢献

現在①建設の生産性向上、デジタルコンストラクション• 省人化、工期短縮への期待• 情報化施工⇒②環境負荷低減

安全性向上、品質の安定、ﾄﾚｰｻﾋﾞﾘﾃｨ確保• 型枠不要の施工⇒

廃棄物削減／省運搬• 設計合理化による材料使用量の減少⇒CO2排出量減

未来

建設のDX、GXに貢献できる技術③建設業界の魅力度向上• ロボットやデジタルを活用した最先端技術⇒ 若い人へのア
ピール、魅力ある現場への変革・担い手不足解消につながる
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CONTENTS
1. 今なぜ建設3Dプリンティングなのか
2. 建設3Dプリンティング技術とは
3. 建設3Dプリンティングの海外と国内の動向
4. シミズの3Dプリンティング技術と実用化事例
5. 3Dプリンターがもたらすモノづくりの未来

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液槽光重合材料押出材料噴射結合材噴射

粉末床溶融結合

https://www.hubs.com/guides/3d-printing/
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指向性ｴﾈﾙｷﾞ堆積 シート積層

11建設スケールの3Dプリンティング方式
材料押出法

Material Extrusion••

余分な材料を使用しない

材料噴射法
Material Jetting

結合材噴射法Binder Jetting

アーク溶接法(金属)www.d-shape.com

www.mx3d.com

Wire-arc Additive
Manufacturing⇒大型化が簡単

施工スピードが速い／オンサイトでも適用可能

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設計モデル

プリントパスの生成製造条件（プリンタ、材料、ノズルなど）の決定
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ロボット制御プログラム

出力13

3Dプリンティング技術に必須となる3要素
マテリアル

ソフト(設計、システム)

ハード(3Dプリンタ)

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プリント材料の開発が重要
３Dプリンタポンプ②押出性 (Printability)
ホース

ノズル

材料をノズルから安定して途切れずに吐出できるか？
材料が固いとノズルで閉塞する可能性あり①圧送性 (Pumpability)③積層性 (Buildability)

材料が固いと配管内での閉塞や圧送効率低下につながる積層した材料が自重で変更することに対しての抵抗性

材料をノズル先端までスムーズに送れるか？

①、②では軟らかく、③では上部自重に抵抗
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変形・崩壊せずに高く積み上げられるか？

⇒相反する性能の付与が必要
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CONTENTS
1. 今なぜ建設3Dプリンティングなのか
2. 建設3Dプリンティングとは
3. 建設3Dプリンティングの海外と国内の動向
4. シミズの3Dプリンティング技術と実用化事例
5. 3Dプリンターがもたらすモノづくりの未来

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16海外の建設3Dプリンティングの研究開発

Buswell, R.A. et. al., 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research, Cement and Concrete Research, vol.112, pp.37-49, 2018
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世界では実プロジェクトが多数進行
ドバイ

ベルギー

ロシア

米国

ドバイ

中国

ドバイでは化石燃料の供給がピークに達することを見据え、2030までに建設される建物の25％を３DP製とする目標を策定
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国内の実施例

出典：土木学会 ３Dプリンティング技術の土木構造物への適用に関する研究小委員会（３６４委員会） 成果報告会

累計施工事例数（件）
施工実績に占める土木・建築用途の割合（2023年6月時点）

60

施工実績に占める民間・公共工事の割合（2023年6月時点）

50
40
30

民間
土木36件
（62％）

20

公共22件
（38％）

建築22件（38％）

公共民間36件（62％）

100
2017/012018/01

2019/01

2020/01

2021/01

2022/01

2023/01• 様々な事例が増える中で、どのような安全性を担保すべきが不明確• 品質確認項目や検査での留意点が不明確• 国外からも3Dプリンタを購入可能になってきており不適切利用の懸念• 3Dプリンター技術を良く知らない設計者による設計による不具合の懸念• 必要以上の検査・確認項目の設定による生産性の悪化

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設計者、発注者、施⼯者にとって必要⼗分な安全性を担保できるガイドラインを制定する必要性
建設⽤3Dプリンタの安全で有⽤な活⽤を促進する環境を構築

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国内事例のカテゴリー分け

出典：土木学会 ３Dプリンティング技術の土木構造物への適用に関する研究小委員会（３６４委員会） 成果報告会

オフサイト

A

ニアサイト

オンサイト

No.5

No.1

非構造部材

No.13
No.12

No.8

B

非構造部材型
埋設型枠

C

構造部材型
埋設型枠

D

構造部材型
埋設型枠

E

構造部材

No.4

No.14

No.9

No.10

No.11

D

No.3

No.6

No.15

(耐久性照査不要)
No.16

No.2

No.7Copyright 2024 Shimizu Corporation21

建築に関する法規制
日本国内の規制緩和の動き
内閣府 規制改革推進会議
令和５年１月27日（金）令和5年６月１日 答申

国土交通省
3D プリンター対応検討委員

規制改革の方向を検討中
第７回 スタートアップ・イノベーションワー
キング・グループ

当社も協力委員として参加

海外の動向
ICON社が国際規格評議会評価サービス (ICC-ES) によるAC509基準適合を発表
AC509:3D プリント壁の設計、性能、品質管理を評価昨年のする基準→ICON社がICC‐ESと連携して基準の作成から行う→品質基準などの整備を民間主導で行った例
出展：https://www.iconbuild.com/newsroom/icon-sets-standard-and-receives-acceptance-criteria-for-3d-printed-walls-by-the-international-code-councils-evaluation-service
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CONTENTS
1. 今なぜ建設3Dプリンティングなのか
2. 建設3Dプリンティングとは
3. 建設3Dプリンティングの海外と国内の動向
4. シミズの3Dプリンティング技術と実用化事例
5. 3Dプリンターがもたらすモノづくりの未来

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清水建設の特徴①
プリント体が型枠だけでなく「構造体」として算入可能な構法を開発

・大臣認定を取得した唯一のプリント材料・構造体となること(指定建築材料)で使用材料の低減・環境負荷低減・意匠性向上が期待→現場練り３DP材料の規制緩和で更なる適用拡大を目指す
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清水建設の特徴②
独自に自社内開発を進めてきたことによる総合力

材料

ハード

ソフト

(システム)(3Dプリンタ)

設計(意匠・構造)建設３DPは高度な専門性が求められるため、上記4分野での専門性が必須効果的な組み合わせができる体制を構築済み
 適用案件数ゼネコントップ

 ラクツムの品質・耐久性・美観で差別化
主な受賞：
土木学会 技術開発賞(2023)
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日本コンクリート工学会賞技術賞 (2022)

日本建設機械施工大賞
最優秀賞 (2022)

エンジニアリング功労者賞
中小規模PJ枠 (2022)

土木学会 吉田研究奨励賞
土木学会田中賞選考委員会(2019)(2021)
かけはし賞

3Dプリンタ用のセメント材料「ラクツム｣

LACTM (Laminatable Cement-based Tough Material)

繊維補強モルタル：W/P=0.24、P：Ｃ＋シリカフューム＋フライアッシュ、Vf=0.75 vol.%圧縮強度 110MPa、曲げ強度 14MPa

合成繊維の添加と構成材料の最適化 ⇒ 高いチキソ性を付与

プリント層同士の一体化

清水建設HP「3Dプリンティング用の繊維補強モルタル「ラクツム（LACTM）」」 https://www.shimz.co.jp/solution/tech368/
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ラクツムの特徴：高い積層性・形状保持性

2000mm
2時間後

高さ2mの積層体をプリント可能（曲げ強度14MPaを超える材料での実現は世界的に見ても数少ない）
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プリント界面の一体性
既往技術の積層体積層界面表層面をカットした断面

プリント層(フィラメント)

出典：R.A. Buswell et al.: 3D printing using
concrete extrusion: A roadmap for research,
Cement and Concrete Research, 2018.

積層界面に弱部ができやすいという従来技術の課題を克服⇒積層体の高品質化の実現が他にはない特徴
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高い吸水抵抗性

表面吸水試験（SWAT法）600秒後

一般的なコンクリートよりも高耐久な施工可能
阿部寛之, 小倉大季, 菊地竜, 山本伸也 (2021). 3Dプリンティングで作製した繊維補強モルタル試験体の物質移動抵抗性, コンクリート工学年次論文集
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シミズ保有の3Dプリンタ①ロボットアーム型②大型ロボットアーム型

2019

2020

ラボレベル10cm

Copyright 2024 Shimizu Corporation③ガントリー型

2022
現場レベル

工場レベル

1m

(国内開発のなかで最大級)

10m

造形スケール30

清水建設の3DP適用事例
非構造部材

ニアサイト

ミチノテラス豊洲

千五沢ダム改築

埋設型枠
(非構造)

温故創新の森 Novare

ニアサイト

温故創新の森 Novare

オンサイト

豊洲MiCHiの駅

鉄道工事現場

温故創新の森 Novare

SETAGAYA Qs-GARDEN

構造部材

温故創新の森 Novare

2020
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2021

2022

2023

2024
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実用化事例１ 豊洲MiCHiの駅（2020年12月）

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プリントパス／制御プログラム生成

3Dプリンティング(24体)

現場へ運搬・組立

コンクリート打込み

曲面型枠24体を不良率0%で製造⇒ 安定製造は3DP本来の優位性

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豊洲MiCHiの駅（2020年12月）

構造柱に3Dプリンティング技術を初適用[意匠性の自由度向上]：設計者の意匠的なアイデアを具現化[経済性]：柱施工の現場工期を6割短縮、多品種小量生産でもコストを抑えて製造可能

3Dプリンティングで自由曲面形状の巨大柱を実現
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繊維補強モルタル「ラクツム」の可能性 https://www.shimz.co.jp/topics/technology/item01/

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35実用化事例 ミチノテラス豊洲 (2021年9月)
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ミチノテラス豊洲 (2021年9月)

グラデーション色の曲面ベンチを3時間で印刷••

新技術：カラーラクツム

調色設計したラクツムでグラデーション化
人間工学に基づくデザインを低コストで実現
豊洲に登場 ―「ラクツム」が実現した最新コンクリート3Dプリンティング事例

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https://www.shimztechnonews.com/solution/case/2021-04.html

37実用化事例 温故創新の森 NOVARE Academy (2022年8月)
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設計プロセス
長期せん断力地震時 せん断力

従来の矩形形状からボリュームを1割削減
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NOVARE Academy (2022年8月)

壁柱の構築場所で20mの型枠を直接印刷―使用材料を1割減―
新技術：ガントリー型3Dプリンタ

20m

清水建設プレスリリース「幅20m・高さ4.5mの大規模造形物を施工場所でそのまま “印刷”」 https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2022/2022043.html
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実用化事例NOVARE 駐車場計画 (2023年4月)

住所：東京都江東区潮見
用途：自動車車庫
面積：39.5m2
高さ：3800mm
主要構造部：準耐火建築物構造と同等の準耐火性能を有する構造
構造種別 ：RC造一部S造
基礎：直接基礎（べた基礎形式）
上部構造 ：耐震構造（基礎からの片持ち柱形式）
構造計算 ：限界耐力計算法
工期：2022.11 ~2023.3

適用のポイント① 国内で初めて3Dプリンタで構造体そのものを直接印刷② 大臣認定（法37条適合）を取得した国内唯一のプリント材料「構造用ラクツム」を初適用③ 法20条の大臣認定を要さず、通常の建築確認申請（構造適判）で行政手続きを完了④ 3Dプリンタによる梁部材の製造方法の確立（従来RC以上の構造性能を実証）

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Copyright 2024 Shimizu Corporation44

国内初 3Dプリンタでコンクリート構造体を印刷

新技術：構造用ラクツム(大臣認定取得)

鉄骨

3.6m

プリント
構造体
プリント型枠
プリント構造体型枠
清水建設プレスリリース「3Dプリンタでコンクリート構造体を印刷」 https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2023/2023010.html
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実用化事例NOVARE 再利用保管庫 (2023年9月)

ラクツムの高い強度特性を活かした3次元曲面シェル構造[意匠性の自由度向上]：

幅3m 厚さ80mm のシェル形状の屋根を鉄筋なしでプリント
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実用化事例NOVARE 駐輪スタンド(2023年12月)

多品種少量生産、オンデマンド（設計モデルを受領した翌日にプリント完了）

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実用化事例

鉄道工事現場 (2021年12月)

柱基礎の埋設型枠への適用で工期6割短縮

3.6m

日経コンストラクション 2022年5月号
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新しい3DP方式「材料噴射型3Dプリンティング」の開発
材料を噴射して有筋構造部材を自動製造できる技術（構造体の新しい作り方）

デジタルコンストラクション実現のためのキー技術になりうる
 施工の省人化・省力化や意匠性の高い構造物の具現化に寄与
 木製型枠の使用量が減り、環境負荷の低減効果が期待
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有筋部材の自動製造①鉄筋内部への材料噴射

鉄筋の外周から材料を吹きつけて内部へ充填②表層への材料噴射

表層には別の配合を重ねて吹き付け③コテによる表面仕上げ

左官職人の動きを再現し、なめらかに表面仕上げ補強材を配置した状態でもプリントが可能 ⇒構造部材そのものを直接製造できる
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CONTENTS
1. 今なぜ建設3Dプリンティングなのか
2. 建設3Dプリンティングとは
3. 建設3Dプリンティングの海外と国内の動向
4. シミズの3Dプリンティング技術と実用化事例
5. 3Dプリンターがもたらすモノづくりの未来

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3Dプリンタがもたらす建設の未来像
現在

2030
３Dプリンタで型枠レスのコンクリート施工

・労働集約型・環境負荷大（型枠廃棄・資材運搬）

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オンデマンド製造

・建設用３Dプリンタ→省人化・廃棄物削減/省運搬による環境負荷低減
523Dプリンタがもたらす建設の未来像
現在

2030

2050
2050

・労働集約型・環境負荷大・省人化・環境負荷低減

・デジタルコンストラクション（情報化施工→安全性・自由な造形）

・環境配慮デザイン（構造最適化による数量減・環境負荷低減）

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普及に向けた取り組み
プロジェクトを通して育ってきた社内の専門チーム

・建設3DPの設計
・建設3DPの機械各分野の人材が・建設3DPの素材
育ってきいる・建設3DPの製造
・建設3DPのシステム開発+社外パートナーも含めたエコシステム構築
・プリンター運用会社 ・材料供給会社

製造技術の移管・協働体制構築

サプライチェーン構築も含めプロジェクト普及へ繋げる
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「誰でも使える技術」にするための課題①材料に関する法規制の壁の高さ
材料性能や適用部位に応じたスムーズな認定が必要
e.g. プリンタと小規模プラントをセットで認定する仕組み⇒ 内閣府 規制改革推進会議 スタートアップ・イノベーションワーキング・グループ (2023/1/27)で提案②性能評価・品質管理の統一化
各社バラバラの手法で評価・管理 ⇒統一的な手法の確立が必要⇒ 土木学会「建設用３Ｄプリンターによる埋設型枠設計・施工に関する研究小委員会」(2023年10月～)③オンサイトプリンティングにおける装置・材料の信頼性
環境外乱に強い材料、安定した施工技術（装置／システム）の確立が肝要

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2022.5.23

構造用ラクツムを開発＝粗骨材の添加などの改良により、コンクリートとして、建基法第37条適合の大臣認定を取得→今後は、認定建築材料として構造躯体への適用が可能
ただし、必ずしも建設用３Ｄプリンタの汎用化に向けた最適解ではなく、以下の2点を妥協
・粗骨材の添加→ノズルでの材料の閉塞リスクが高まる
・現場練りでなく、工場製造→運搬時間の制約から適用エリアが限定

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「誰でも使える技術」にするための課題④設計人材が足りない
３Dプリンタの特性をよく理解した人材による設計で導入効果が最大化される⇒DfAM(Design for Additive Manufacturing)を熟知し、関連技術分野との連携を可能にする
DfAMマネージャー等の職能が確立されれば建設プロジェクトでの適用が進むが・・・⑤コスト
サプライチェーンの構築が進むことにより生産性が向上し、コスト減少する⇒ ニーズの顕在化によりメーカーの導入が進むと予想⑥プラットフォームの必要性
３ＤＰは機械・材料により造形特性が大きく異なる。設計データに対して適切な機械・材料を選び出力までしてくれるようなプラットフォーム・プレイヤーが必要⇒海外では既にそういったサービスが出現し始めている
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ご清聴ありがとうございました

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ニュースリリースシミズHP● (2023.06.07)
3Dプリンタでコンクリート構造体を印刷～建築物個別の大臣認定を要さず、プリント構造体を実構造物に適用～
https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2023/2023010.html●技術・ソリューション
3Dプリンティング用の繊維補強モルタル「ラクツム（LACTM）」
https://www.shimz.co.jp/solution/tech368/● (2024.01.31)
材料噴射型3Dプリンティングで有筋構造部材を高精度に造形～鉄筋への材料噴射から表面仕上げ、出来形計測までの全工程を自動化～
https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2024/2023061.html● (2022.09.30)
幅20m・高さ4.5mの大規模造形物を施工場所でそのまま “印刷”～オンサイト建設3Dプリンタ「Shimz Robo-Printer」を新規開発～
https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2022/2022043.html● (2022.05.23)
建設3Dプリント材料「ラクツム」を改良し、大臣認定を取得～建築構造部材の3Dプリンティング施工が可能に～
https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2022/2022014.html● (2021.09.22)
グラデーション色の自由曲面カラーベンチを3時間で“印刷”～「ラクツム」で広がるコンクリート造形物の新たな可能性～
https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2021/2021043.html● (2021.02.04)
3Dプリンティング技術を活用し、自由曲面形状の大規模コンクリート柱を構築～繊維補強モルタル「ラクツム」で積層造形した埋設型枠を実現場に初適用～
https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2021/2020053.html● (2020.10.05)
3Dコンクリートプリント用の繊維補強モルタル材料「ラクツム」を開発～高さ２ｍ超の埋設型枠の3Dプリンティングを実現～
https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2020/2020022.html
Copyright 2024 Shimizu Corporation●事業トピックスー技術開発
技術研究所から 3Dプリンティングで自由曲面形状の巨大柱を実現
繊維補強モルタル「ラクツム」の可能性
https://www.shimz.co.jp/topics/technology/item01/●テクノアイ テクニカルニュース
3Dプリンティング用の繊維補強モルタル「ラクツム（LACTM）」
https://web23dvlp.shimztechnonews.com/hotTopics/news/2021/2021-01.html●テクノアイ ソリューション 事例
建設3Dプリンター用の繊維補強セメント複合材料「ラクツム」
豊洲に登場 ―「ラクツム」が実現した最新コンクリート3Dプリンティング事例
https://www.shimztechnonews.com/solution/case/2021-04.html●テクノアイ トピックス 開発者ストーリー「打ち込む」から「積み上げる」へ
革新的な施工法を実現した革新的コンクリート材料
https://web23dvlp.shimztechnonews.com/topics/engineer/2021/2021-01.html

YouTube●YouTube：3Dプリンティングで実現する自由曲面の構造体の施工
https://www.youtube.com/watch?v=qG3qQrKA7dM●YouTube：3Dプリンティングで実現する高品質な構造体の施工
https://www.youtube.com/watch?v=PDK0ohUQaZk●YouTube：ビルの建材を作れる3Dプリンターを見てきた [ビル✕ 3Dプリンター]
https://www.youtube.com/watch?v=WOQF6MiVJvE59