概要
大成建設株式会社（以下「大成建設」）と東レエンジニアリングＤソリューションズ株式会社（以下「東レエンジＤ」）は、斜面や曲面、凹凸面など任意の形状に沿わせてコンクリート構造物を構築できる業界初の3Dプリンティング技術を共同で開発というリリースニュースをお届けします。
省人化、工期短縮を実現し、更なる生産性向上に貢献
本技術は、トンネルインバートの施工をはじめ建物の直接基礎や擁壁、断面補修といったコンクリート工事の施工法に革新をもたらす技術で、建設工事の省人化や工期短縮を可能とし、更なる生産性向上に貢献することができます。
大成建設は、コンクリート構造物の新たな施工法として建設用3Dプリンティング技術「T-3DP®（Taisei-3D Printing）」の開発を進めてきました※1。
これまでに、3Dプリンタで製作した部材によるPC構造体の構築を実現したほか※2、2022年には3Dプリンティング向けの環境配慮コンクリートを他社に先駆けて開発するなどの成果を上げています※3。
しかし、従来の3Dプリンティング技術は平滑な水平面上での造形を前提としており、適用可能な構造物の形状や施工法が限定されていました。
斜面や曲面での造形を実現するには､プリンタヘッドが障害物などに衝突することなく対象面の形状変化に追随して移動可能なツールパス※4(プリンタ経路＝プリンタヘッドがたどる経路をコード化したもの)を生成する技術と､斜面や曲面でも自立し安定性に優れた3Dプリンティング用コンクリート材料を開発する必要がありました。
大成建設と東レエンジDは、これらの課題を踏まえて新たなコンクリート用3Dプリンティング技術を実現しました。
東レエンジDは、樹脂・複合材料の成形シミュレーション技術※5をベースとした樹脂用3Dプリンタ用シミュレーションソフト「3D TIMON®-AMSolution」（スリーディータイモン エーエムソリューション）をコンクリート向けに応用するとともに、今回新たに3次元形状データ処理技術を付加することで、斜面や曲面、凹凸がある場所での障害となる物や地形を自動認識し、プリンタヘッドが衝突を回避することができるツールパスの自動生成システムを新たに開発しました。
さらに大成建設が開発した自立安定性に優れた3Dプリンティング用コンクリート材料と施工ノウハウを適用することで、これまで実現が困難であった斜面や曲面といった任意形状に対応可能な建設用3Dプリンティング技術の確立に成功し、難易度の高い施工を可能としました。
本技術の特徴は以下のとおりです。
地盤や障害物への衝突を回避するツールパスを自動生成
計測した地盤や障害物などの形状データに基づき、図形データ処理技術を活用してプリンタヘッドの衝突箇所を自動認識することで、周辺地盤などへのプリンタヘッドの衝突を回避するツールパスを自動生成します。
これにより、斜面や曲面などの複雑な地盤形状であっても形状変化に追従したコンクリートの積層により構造物を造形することができます。（図1参照）
斜面や曲面、凹凸がある場所でも高精度に施工可能
自立安定性に優れた3Dプリンタ材料を用いることで、斜面や曲面、凹凸のある場所でも高精度に施工が可能です。
凹凸がある模擬地盤上でのプリント実証では、壁高450mmのコンクリート仕切り壁（埋設型枠）の高さ方向における施工誤差が平均4mm程度で施工できることを確認しています。（写真1参照）
3Dプリンタを用いた新施工法により工事の省人化や工期短縮を実現
トンネルのインバートコンクリート工事を想定して開発した3Dプリンタを用いた新たな施工法では､仕切り壁に相当する部分を3Dプリンタで自動構築し、プリンタのレール設備を活用しレール上を移動しながら内部コンクリートを打設します｡
本施工法によりコンクリート工事の省人化が図られ､従来の6名体制から最終的には2名への削減が可能となり､3Dプリンタでの施工自動化により工期短縮も実現できます｡(図2参照)
今後、両社は、本技術を用いた施工時の品質、安全性、生産性について検証を重ね、様々な建設工事への適用に向けさらなる研究開発を進めてまいります。
ツールパス生成における地盤への衝突を回避する新技術
模擬地盤上でのプリント実証
3Dプリンタを活用したトンネルでのインバートコンクリートの施工手順
- 2018年12月10日公表 建設用3Ｄプリンタ「T-3DP（Taisei-3D Printing）」を開発https://www.taisei.co.jp/about_us/wn/2018/181210_4531.html
- ※22020年2月17日公表 国内初 建設用3Dプリンタで製作した部材でPC構造体を構築https://www.taisei.co.jp/about_us/wn/2020/200217_4882.html
- ※32022年12月19日公表 国内初 建設用3Dプリンティングに適用可能な環境配慮コンクリートを開発https://www.taisei.co.jp/about_us/wn/2022/221219_9183.html
- ※4ツールパス
3次元図形データ処理技術を活用して衝突箇所を自動認識することで、周辺地盤などの凹凸に対してプリンタヘッドの衝突を回避するプリンタの移動経路のこと - ※5成形シミュレーション技術：3D TIMON® / 3D TIMON®-AMSolution
3D TIMONは、国内外で累計600社以上の導入実績があるプラスチック成形シミュレーションソフトウェア。自動車や電機・電子業界など様々な分野で課題解決に利用されているhttps://www.3dtimon.com/
3D TIMON-AMSolutionは、樹脂3Dプリンタ分野向けに、造形後のそり変形などをシミュレーションできるソフトウェア
https://www.3dtimon.com/product/am_solution.html
資料引用：大成建設
おわりに
一般的なコンクリート打設は、型枠の中に生コンクリートを流し込んで行われていますが、ただ流し込めばよいというものではありません。打設を行うにあたっては入念な準備と計画がなければ、コンクリート構造物を作ることはできません。そうした従来の工法の打設手順に3Dプリンターを導入することで大幅な施工自動化を果たすことができたのは画期的です。
一般的なコンクリート打設手順を見ても、以下になります。
１.打設前の打ち合わせ（打設計画）
２.コンクリートの打設工法の選定
３.コンクリートの打込み準備
４.コンクリートの受け入れ検査
５.コンクリートの打込み
６.コンクリートの締固め（5-7は並行して行われます）
７.コンクリートの仕上げ
5から7の工程を3Dプリンターが人力を介さず、内部センサーを駆使し、
事前に3Dスキャンしているので、この区画に必要なコンクリート量だけを充填する。
必要な量を必要なだけ使用して施工を完遂する。リリース文中にもあるように「従来の6名体制から最終的には2名への削減が可能」という省人化は、現場への負荷軽減・危険防止にもつながるうえ、その省人化したうえでの安全管理のバックサポートも遠隔臨場等で支えることができれば、より現場の安全衛生が堅固になる環境が整うことになるでしょう。
参考・関連情報・お問い合わせなど
□大成建設株式会社
リリースニュース：
https://www.taisei.co.jp/about_us/wn/2023/230607_9561.html
コーポレート・コミュニケーション部 広報室
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東レエンジニアリング株式会社 総務部広報宣伝課
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