JP2015217682A - 3d printing device and method, and construction method of reinforced concrete structure utilizing the device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は３Ｄプリンティング装置及び方法に関し、より詳細にはコンクリート混合物をプリント原料として利用し、３次元の立体物を製作する３Ｄプリンティング装置及び方法、またこれを利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法に関する。 The present invention relates to a 3D printing apparatus and method, and more particularly to a 3D printing apparatus and method for producing a three-dimensional solid object using a concrete mixture as a printing material, and a method for constructing a steel concrete structure using the same. .
３Ｄプリンティング（３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）は最近脚光を浴びている製造技術として、プラスチック液体あるいはその他原料を射出したり、積層、凝固させて３次元形状の固体製品を製作する技術をいい、伝統的な材料加工技術に比べて速度、価格、使用上便利性など多様な側面から優位性を示している。 3D printing (3D printing) is a technology that has recently been attracting attention as a technology for producing solid products in three-dimensional shapes by injecting plastic liquids or other raw materials, or by laminating and solidifying them. Compared to technology, it has advantages from various aspects such as speed, price, and convenience in use.
３Ｄプリンティングは、原料によって液体、パウダー、固体に分けられ、レーザ、熱、光などのソースを基盤に凝固／積層する多様な方式があり、３Ｄプリンティング方式は現在まで多様に開発されてきており、それぞれの方式は製品製作において長所と短所を有する。 3D printing is divided into liquids, powders, and solids depending on the raw materials, and there are various methods for solidifying / lamination based on sources such as laser, heat, light, etc., and 3D printing methods have been developed to date. Each method has advantages and disadvantages in product production.
３Ｄプリンティング方式は、それぞれの分野ごとに異なる方式が使用され得、大きくはＦＤＭ（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ）、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、ＳＬＡ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、ＳＬＳ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）、ＰｏｌｙＪｅｔ（Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ Ｊｅｔｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、ＤＭＴ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｔｏｏｌｉｎｇ）、ＰＢＰ（Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ ＆ ｉｎｋｊｅｔ ｈｅａｄ ３ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、ＬＯＭ（Ｌａｍｉｎａｔｅｄ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）などに区分される。 Different 3D printing methods can be used for each field. FDM (Fused Deposition Modeling), DLP (Digital Light Processing), SLA (StereomorphicJeting, SLS) ), DMT (Direct Metal Touring), PBP (Powder Bed & Inkjet Head 3d printing), LOM (Laminated Object Manufacturing), and the like.
一般的には、熱可塑性プラスチックからなるワイヤーまたはフィラメントを繰り出しリールと移送リールを介して供給し、供給されたフィラメントを作業台に対して相対的にＸＹＺ三方向に位置が調節される３次元移送機構に取り付けられたヒーターノズルで溶融させて排出することによって２次元平面形態を作り、これを作業台の上に一層ずつ積層して３次元に成形する溶融樹脂の押し出しによる造形法（ＦＤＭ）が広く使用されている。 In general, a wire or filament made of thermoplastics is supplied via a supply reel and a transfer reel, and the supplied filament is adjusted in three directions XYZ relative to the work table. There is a modeling method (FDM) by extruding molten resin that creates a two-dimensional planar form by melting and discharging with a heater nozzle attached to the mechanism, and layering it one by one on a workbench and molding it three-dimensionally. Widely used.
このように押出ヘッドから出る凝固性モデリング材料の層を融着させて３次元モデルを製造する方法及び装置に関する例は既存の多くの特許から見つけることができ、例えば米国特許第５、１２１、３２９号に記述されたように固体棒形状や繰り出しリール上に巻かれた柔軟性のあるフィラメント形態で押出ヘッドに供給され得る。この際、押出ヘッドは凝固時に適切な接着力にて前の層に接着する凝固性材料を使用し、熱可塑性材料がこのような溶融積層に特に適切なものとして知られているため主に用いられている。 Examples of methods and apparatus for producing a three-dimensional model by fusing layers of solidifiable modeling material exiting the extrusion head in this way can be found in many existing patents, such as US Pat. No. 5,121,329. Can be supplied to the extrusion head in the form of a solid bar or a flexible filament wound on a pay-out reel as described in US Pat. At this time, the extrusion head uses a solidifying material that adheres to the previous layer with an appropriate adhesive force during solidification, and is mainly used because thermoplastic materials are known to be particularly suitable for such melt lamination. It has been.
しかし、前述したような３Ｄプリンタを利用してコンクリート構造物を施工しようとする場合、その材料であるコンクリートの基本的な特性上、製作に多くの時間を要するという問題がある。 However, when a concrete structure is to be constructed using the 3D printer as described above, there is a problem that it takes a lot of time for the production because of the basic characteristics of the concrete material.
コンクリートは水とセメント、砂などが混ざっている物質として、セメントが水と反応して固まる水和反応を利用するが、押出ヘッドで押し出される速度に比べてコンクリートの凝固速度が遅いため、３Ｄプリンタによる３次元形状の製作時間は凝固速度に大きい影響を受ける。 Concrete uses a hydration reaction in which cement reacts with water as a substance in which water, cement, sand, etc. are mixed, but the solidification rate of concrete is slower than the speed at which it is extruded by an extrusion head, so a 3D printer The production time of the three-dimensional shape is greatly affected by the solidification rate.
すなわち、３Ｄプリンタの押出ヘッドは速い速度で動きながらコンクリートを押し出すが、押し出されたコンクリートが凝固するまで相当な時間を要するため、完全に凝固していない層上に再びコンクリートが押し出される場合、製品の形状が崩れる問題がある。 That is, the extrusion head of the 3D printer extrudes the concrete while moving at a high speed, but it takes a considerable amount of time until the extruded concrete solidifies. Therefore, when the concrete is extruded again on a layer that is not completely solidified, There is a problem that the shape of.
一方、一層を積層して完全に凝固するまで待った後、繰り返しその上の層を積層する方式で作業すると、作業時間が顕著に増加して生産性が低下する問題がある。 On the other hand, when the layers are stacked and waited until they are completely solidified, and then repeatedly worked on the layer, there is a problem that the working time is remarkably increased and the productivity is lowered.
さらに、コンクリートの内部に鉄筋や鉄骨ビームが骨組みとして補強される鉄骨コンクリート構造物の場合、従来の３Ｄプリンタによってはこのような異種の材料が複合した構造物の製作が難しいという問題がある。 Furthermore, in the case of a steel concrete structure in which a reinforcing bar or a steel beam is reinforced as a framework inside the concrete, there is a problem that it is difficult to manufacture a structure in which such different materials are combined depending on the conventional 3D printer.
特に、鉄筋や鉄骨ビームは溶融温度が非常に高いため、前述した溶融積層方式の適用は不適合であり、構造物の規模が大きい場合は別途の作業台で構造物を支えることができないという問題がある。 In particular, rebars and steel beams have a very high melting temperature, so the application of the melt lamination method described above is incompatible, and when the scale of the structure is large, the structure cannot be supported by a separate workbench. is there.
本発明は、前述した問題点を解決するためになされたものでり、３Ｄプリンティング装置及び方法、これを利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法を提供することに目的がある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object to provide a 3D printing apparatus and method, and a construction method of a steel concrete structure using the same.
前述した本発明の目的は、ベースフレームと、前記ベースフレームの上部に移動可能に設けられる移動部と、前記移動部の一側に設けられ、前記ベースフレームの表面側にプリント原料であるコンクリート混合物を吐出する押出ヘッドを含む３Ｄプリンティング装置を提供することによって達成され得る。 The object of the present invention described above is to provide a base frame, a moving part movably provided above the base frame, a concrete mixture which is provided on one side of the moving part and is a printing raw material on the surface side of the base frame. Can be achieved by providing a 3D printing apparatus including an extrusion head that discharges water.
本発明の好ましい特徴によれば、前記押出ヘッドの一側に備えられ、前記押出ヘッドを介して吐出された前記コンクリート混合物にマイクロ波を照射して硬化させるマイクロ波照射部をさらに含み得る。 According to a preferred aspect of the present invention, the apparatus may further include a microwave irradiation unit provided on one side of the extrusion head and configured to irradiate and harden the concrete mixture discharged through the extrusion head.
本発明の他の好ましい特徴によれば、前記押出ヘッドの一側に設けられ、高圧の洗浄水を噴射して前記押出ヘッド内の残留混合物を除去する洗浄装置をさらに含み得る。 According to another preferred feature of the present invention, the apparatus may further include a cleaning device provided on one side of the extrusion head and jetting high-pressure cleaning water to remove a residual mixture in the extrusion head.
本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記移動部の他側に設けられ、粉末金属を噴射する噴射ノズルをさらに含み得る。 According to still another preferred feature of the present invention, the apparatus may further include an injection nozzle that is provided on the other side of the moving unit and injects powder metal.
本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記噴射ノズルの一側に備えられ、前記噴射ノズルを介して噴射された前記粉末金属にレーザを照射して焼結硬化させるレーザ照射部をさらに含み得る。 According to still another preferred aspect of the present invention, the laser device further includes a laser irradiation unit provided on one side of the injection nozzle and configured to sinter and harden the powder metal injected through the injection nozzle. obtain.
本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記押出ヘッドに前記プリント原料として前記コンクリート混合物を供給する第１原料供給部と、前記噴射ノズルに前記粉末金属を供給する第２原料供給部と、前記押出ヘッドに前記プリント原料として合成樹脂を供給する第３原料供給部をさらに含み得る。 According to still another preferred feature of the present invention, a first raw material supply unit that supplies the concrete mixture as the printing raw material to the extrusion head, a second raw material supply unit that supplies the powder metal to the spray nozzle, A third raw material supply unit that supplies synthetic resin as the printing raw material to the extrusion head may be further included.
本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記マイクロ波照射部は前記押出ヘッドの外周縁に前記押出ヘッドの移動方向に沿って複数備えられ得る。 According to still another preferred aspect of the present invention, a plurality of the microwave irradiation units may be provided along the moving direction of the extrusion head at the outer peripheral edge of the extrusion head.
また、前述した本発明の目的は、チェンバと、前記チェンバの内部に設けられるベースフレームと、前記ベースフレームの上部に移動可能に設けられる移動部と、前記移動部の一側に設けられ、前記ベースフレームの表面側にプリント原料としてコンクリート混合物を吐出する押出ヘッドと、前記チェンバの内壁に少なくとも一つ以上設けられ、前記ベースフレームの表面側にマイクロ波を照射して前記プリント原料を硬化させるマイクロ波照射部を含む３Ｄプリンティング装置を提供することによっても達成され得る。 Further, the object of the present invention described above is provided on one side of the chamber, a base frame provided inside the chamber, a moving part movably provided on an upper part of the base frame, the moving part, An extrusion head that discharges a concrete mixture as a printing material on the surface side of the base frame, and a micro that is provided on the inner wall of the chamber and that irradiates microwaves on the surface side of the base frame to cure the printing material. It can also be achieved by providing a 3D printing device including a wave irradiator.
また、前述した本発明の目的は、（ａ）ベースフレーム上にプリント原料としてコンクリート混合物を吐出してプリント層を形成する段階と、（ｂ）前記プリント層を硬化させる段階と、（ｃ）前記（ａ）段階と前記（ｂ）段階を繰り返し行い印刷しようとする対象の３次元形状に前記プリント層を連続積層する段階を含む３Ｄプリンティング方法を提供することによっても達成され得る。 The above-described objects of the present invention are: (a) a step of discharging a concrete mixture as a printing raw material on a base frame to form a print layer; (b) a step of curing the print layer; It may also be achieved by providing a 3D printing method including the step of repeating the steps (a) and (b) and successively laminating the print layer on the three-dimensional shape of the object to be printed.
本発明の好ましい特徴によれば、（ｄ）前記押出ヘッドの内部に高圧の洗浄水を噴射し、残留プリント原料を洗浄して除去する段階をさらに含み得る。 According to a preferred aspect of the present invention, the method may further include the step of (d) spraying high-pressure washing water into the extrusion head and washing and removing the residual printing material.
本発明の他の好ましい特徴によれば、前記（ａ）段階は（ａ−１）押出ヘッドにプリント原料を供給する段階と、（ａ−２）押出ヘッドを介して前記プリント原料をベースフレームの表面に吐出する段階を含み、前記（ｂ）段階は（ｂ−１）制御部によってマイクロ波の照射量を決定する段階と、（ｂ−２）マイクロ波照射部を介して前記プリント層にマイクロ波を照射する段階を含み得る。 According to another preferred aspect of the present invention, the step (a) includes (a-1) supplying the printing material to the extrusion head, and (a-2) supplying the printing material to the base frame via the extrusion head. The step (b) includes a step (b-1) of determining a microwave irradiation amount by a control unit, and (b-2) a step of microbing the print layer via the microwave irradiation unit. Irradiating waves may be included.
本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記（ｂ−２）段階は前記プリント原料を吐出する押出ヘッドの移動方向に沿って前記照射部が共に移動できる。 According to still another preferred aspect of the present invention, in the step (b-2), the irradiation unit can move along the moving direction of the extrusion head that discharges the printing material.
また、前述した本発明の目的は、３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法において、噴射ノズルを介して粉末金属を噴射した後、レーザを照射することによって焼結硬化させて鉄骨層を形成し、押出ヘッドを介してコンクリート混合物を吐出した後、マイクロ波を照射することによって硬化させてコンクリート層を形成し、前記鉄骨層の形成と前記コンクリート層の形成を繰り返し行い施工しようとする構造物の形状に連続積層することを特徴とする３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法を提供することによっても達成され得る。 The object of the present invention described above is a method of constructing a steel concrete structure using a 3D printing apparatus, in which a powder metal is injected through an injection nozzle and then sintered and hardened by irradiating a laser to form a steel layer. After the concrete mixture is discharged through the extrusion head, it is hardened by irradiating with microwaves to form a concrete layer, and the steel layer and the concrete layer are repeatedly formed and applied. It can also be achieved by providing a method for constructing a steel-concrete structure using a 3D printing apparatus characterized by continuously laminating the shape of the structure.
本発明の好ましい特徴によれば、前記コンクリート層を形成した後、前記押出ヘッドの内部に高圧の洗浄水を噴射して残留コンクリート混合物を除去できる。 According to a preferred feature of the present invention, after the concrete layer is formed, the residual concrete mixture can be removed by spraying high-pressure washing water into the extrusion head.
一方、前述した本発明の目的は、３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法において、（ａ）押出ヘッドを介して合成樹脂を吐出した後、レーザを照射することによって硬化させて鉄骨外郭境界層を形成する段階と、（ｂ）押出ヘッドを介してコンクリート混合物を吐出した後、マイクロ波を照射することによって硬化させてコンクリート層を形成する段階と、（ｃ）噴射ノズルを介して粉末金属を噴射した後、レーザを照射することによって焼結硬化させて鉄骨層を形成する段階を含み、前記（ａ）段階ないし前記（ｃ）段階を繰り返し行い施工しようとする構造物の形状に前記鉄骨層と前記コンクリート層を連続積層することを特徴とする３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法を提供することによっても達成され得る。 On the other hand, the above-mentioned object of the present invention is to provide a steel-concrete structure construction method using a 3D printing apparatus. (A) After discharging a synthetic resin through an extrusion head, the steel frame is cured by irradiation with a laser. A step of forming an outer boundary layer, (b) a step of forming a concrete layer by discharging the concrete mixture through an extrusion head and then curing by irradiating microwaves, and (c) through an injection nozzle After spraying the powder metal, it includes a step of forming a steel layer by sinter hardening by irradiating a laser, and repeating the steps (a) to (c) to form the structure to be constructed. Construction method of a steel concrete structure using a 3D printing apparatus, wherein the steel layer and the concrete layer are continuously laminated It can be achieved by providing a.
本発明の好ましい特徴によれば、前記（ａ）段階は、押出ヘッドを介して合成樹脂を吐出した後、レーザを照射することによって硬化させてコンクリート外郭境界層を形成する段階をさらに含み得る。 According to a preferred feature of the present invention, the step (a) may further include a step of forming a concrete outer boundary layer by discharging a synthetic resin through an extrusion head and then curing by irradiating a laser.
本発明の他の好ましい特徴によれば、前記（ｂ）段階は、前記押出ヘッドの内部に高圧の洗浄水を噴射し、残留物を洗浄して除去する段階をさらに含み得る。 According to another preferred feature of the present invention, the step (b) may further include a step of spraying high-pressure washing water into the extrusion head and washing and removing the residue.
本発明のまた他の好ましい特徴によれば、前記（ｃ）段階は、レーザの照射による前記粉末金属の焼結硬化時に前記鉄骨外郭境界層が除去され得る。 According to still another preferred aspect of the present invention, in the step (c), the outer boundary layer of the steel frame may be removed when the powder metal is sintered and hardened by laser irradiation.
本発明による３Ｄプリンティング装置及び方法によれば、コンクリート混合物を平面上に押し出すと同時に所望する形状に積層させてコンクリート混合物からなる３次元形状を容易に製作できる。 According to the 3D printing apparatus and method of the present invention, it is possible to easily manufacture a three-dimensional shape made of a concrete mixture by extruding a concrete mixture on a flat surface and simultaneously laminating it into a desired shape.
また、本発明による３Ｄプリンティング装置及び方法によれば、鉄骨層とコンクリート層を平面上に所望する形状に積層させて３次元形状の鉄骨コンクリート構造物を容易に製作できる。 In addition, according to the 3D printing apparatus and method of the present invention, a three-dimensional steel concrete structure can be easily manufactured by laminating a steel layer and a concrete layer in a desired shape on a plane.
この際、平面上に押し出されたセメントまたはコンクリート混合物はマイクロ波を照射することによって凝固時間が短縮されるため、生産性を向上する効果がある。 At this time, the cement or concrete mixture extruded on a flat surface has an effect of improving productivity because the solidification time is shortened by irradiation with microwaves.
また、鉄骨層とコンクリート層の外郭線に沿って合成樹脂素材で境界層を形成することによって測定精度を向上できる。 Moreover, measurement accuracy can be improved by forming a boundary layer with a synthetic resin material along the outline of the steel layer and the concrete layer.
以下では本発明の実施例について添付する図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下で説明する実施例は本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が発明を容易に実施できる程度に詳細に説明するためのものであり、これによって本発明の保護範囲が限定されない。また本発明の多様な実施例を説明することにおいて、同じ技術的特徴を有する構成要素に対しては同じ図面符号を使用する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described below are for explaining in detail to the extent that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can easily carry out the invention, thereby limiting the protection scope of the present invention. Not. In describing various embodiments of the present invention, the same reference numerals are used for components having the same technical characteristics.
〔第１実施例〕
図１は、本発明の第１実施例による３Ｄプリンティング装置の構成図である。
[First embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram of a 3D printing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
図１に示すように、本発明の第１実施例による３Ｄプリンティング装置１００は、ベースフレーム２００と、ベースフレーム２００の上部に移動可能に設けられる移動部３００と、移動部３００の一側に設けられてベースフレーム２００の表面側にプリント原料を吐出する押出ヘッド４００と、押出ヘッド４００の一側に備えられ、マイクロ波（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）を照射するマイクロ波照射部５００を含む。
As shown in FIG. 1, the
ベースフレーム２００は上部が開口されたチェンバ６００の底面に昇降可能に設けられ、製作しようとする３次元形状の製品Ｐは押出ヘッド４００から吐出されるプリント原料がベースフレーム２００上に連続積層されることによって製作される。
The
ベースフレーム２００の上部には前後左右方向に移動可能な移動部３００が設けられる。例えば、図１に示すように左右方向にリードスクリューまたはＬＭガイド形態のガイド部３１０が長く設けられ得る。この際、移動部３００はモータまたはシリンダの駆動力によってガイド部３１０に沿って左右方向に移動でき、ガイド部３１０自体が前後方向に移動する場合、移動部３００はガイド部３１０と共に前後方向に移動する。
A moving
すなわち、ベースフレーム２００はチェンバ６００内にＺ軸方向（図面の上下方向）に移動可能に設けられ、移動部３００はベースフレーム２００の上部にＸ軸方向（図面の左右方向）とＹ軸方向（図面の前後方向）に移動可能に設けられる。
That is, the
これは、ベースフレーム２００に対して後述する押出ヘッド４００がＸＹＺ３軸方向に相対移動可能に構成するためであり、このための多様な変形例を適用できる。例えば、ベースフレーム２００がＸＹ２軸方向に移動可能に設けられ、移動部３００がＺ軸方向に移動可能に設けられることもでき、ベースフレーム２００は固定した状態で移動部３００がベースフレーム２００に対してＸＹＺ３軸方向に相対移動可能に設けられるか、押出ヘッド４００が固定された状態で押出ヘッド４００に対してベースフレーム２００がＸＹＺ３軸方向に相対移動可能に設けられることも可能である。
This is because an
移動部３００の一側、好ましくは移動部３００の下側にプリント原料をベースフレーム２００の表面方向に吐出する押出ヘッド４００が備えられる。
An
この際、プリント原料はチェンバ６００の一側に設けられる原料供給部７００から供給ライン７１０を介して押出ヘッド４００に供給され、セメントと水を含むセメント混合物、またはセメントと水及び砂や砂利または砂利粉末などの骨材を含むコンクリート混合物がプリント原料として供給され得る。
At this time, the printing raw material is supplied to the
押出ヘッド４００を介してベースフレーム２００表面に吐出されたセメント混合物またはコンクリート混合物を硬化させるため、マイクロ波照射部５００を介してマイクロ波が照射される。マイクロ波はセメント混合物またはコンクリート混合物に含まれている水分を蒸発させてベースフレーム２００の表面に積層されたプリント原料を急速凝固させる役割を果たし、通常１ｍｍ〜１ｍの波長、３００ＧＨｚ〜３００ＭＨｚの振動数を有する電磁波である。
In order to harden the cement mixture or the concrete mixture discharged to the surface of the
コンクリート混合物は熱伝導度が非常に低いため、コンクリート混合物層を薄く形成するとしても、一般的な熱伝導及び熱輻射などを利用した外部加熱方式によっては表面部のみが加熱されるだけであり、短時間内に中心部まで乾燥させにくい。 Since the concrete mixture has a very low thermal conductivity, even if the concrete mixture layer is formed thin, only the surface portion is heated by an external heating method using general heat conduction and heat radiation, etc. It is difficult to dry to the center within a short time.
これに対し、マイクロ波を照射する場合、コンクリート混合物に含まれている水分子が極性を帯びている点を利用して短時間内にコンクリート混合物層を乾燥させ得る。マイクロ波を照射してコンクリート混合物に電場をかけると、水分子で正電荷を帯びた部分は陰極に向かい、負電荷を帯びた部分は陽極に向かって整列するが、このとき、電場の方向が変わると前に整列していた水分子が電場の方向に沿って回転して再整列する。このように水分子が再整列する過程で分子間の衝突によって運動エネルギが周囲の水分子に伝達され、これによってコンクリート混合物に含まれていた水分が速い速度で加熱される。 On the other hand, when irradiating with microwaves, the concrete mixture layer can be dried within a short time by utilizing the point that water molecules contained in the concrete mixture are polar. When an electric field is applied to the concrete mixture by irradiating microwaves, the positively charged parts of water molecules are directed toward the cathode, and the negatively charged parts are aligned toward the anode. When changed, the previously aligned water molecules rotate and realign along the direction of the electric field. In this process of realigning water molecules, kinetic energy is transferred to surrounding water molecules by collision between the molecules, thereby heating the moisture contained in the concrete mixture at a high speed.
すなわち、マイクロ波の照射によってコンクリート混合物層の内部と外部が同時に速く加熱するため、一般的な外部加熱方式より速くかつ安定的にコンクリート混合物の水分を蒸発させることができる。 That is, since the inside and the outside of the concrete mixture layer are simultaneously and rapidly heated by microwave irradiation, the moisture of the concrete mixture can be evaporated more quickly and stably than a general external heating method.
マイクロ波照射部５００は押出ヘッド４００の一側に備えられ、移動部３００の移動時に押出ヘッド４００と共に移動する。好ましくは、押出ヘッド４００の移動経路に沿って押出ヘッド４００を介して吐出され、ベースフレーム上に積層されたセメント混合物またはコンクリート混合物層にマイクロ波を照射して急速に凝固させる。
The
図２は、本発明の一実施例による押出ヘッドの構成図である。 FIG. 2 is a block diagram of an extrusion head according to an embodiment of the present invention.
マイクロ波照射部５００は押出ヘッド４００の外周縁に押出ヘッド４００の移動方向に沿って複数備えられることが好ましい。すなわち、移動部３００によって押出ヘッド４００がＸＹ２軸方向に移動可能な場合、図２に示すように押出ヘッド４００を中心にＸＹ２軸方向すなわち、押出ヘッド４００の前後左右方向にそれぞれマイクロ波照射部５００が備えられる。これは、押出ヘッド４００を介してベースフレーム２００上に吐出されるセメント混合物またはコンクリート混合物層の生成経路に沿ってマイクロ波を照射して直ちに凝固させるためである。
It is preferable that a plurality of
一方、図２に示す例では押出ヘッド４００とマイクロ波照射部５００の出口側の断面が四角形からなる例を示しているが、本発明はこれに限定されない。押出ヘッド４００とマイクロ波照射部５００の出口側の断面は必要に応じて円形または三角形や五角形など多角形の断面形状に形成され得る。
On the other hand, the example shown in FIG. 2 shows an example in which the cross section on the exit side of the
また、図２に示すように押出ヘッド４００の外周面に密着してマイクロ波照射部５００を備えることもでき、他の例として押出ヘッド４００の外周面から所定の間隔で離隔してマイクロ波照射部５００を備えることもできる。
In addition, as shown in FIG. 2, the
再び図１を参照すると、チェンバ６００の一側に制御部８００が備えられる。一例として、制御部８００はチェンバ６００の一側にコントロールパネル形態で設けられ得る。
Referring to FIG. 1 again, a
このとき、制御部８００は押出ヘッド４００に供給される原料供給量、押出ヘッド４００から吐出される原料吐出量、ベースフレーム２００及び移動部３００の作動、またマイクロ波の照射量など３Ｄプリンティング装置１００の作動の全般を制御する役割を果たす。
At this time, the
本発明の第１実施例による３Ｄプリンティング装置１００の作動は次の通りに行われる。
The operation of the
先ず、製作しようとする製品の３次元形状をコンピュータモデリングし、数多くの薄い層に分けられた２Ｄデータに基づいてセメント混合物またはコンクリート混合物などからなるプリント原料を一層ずつプリンティングして積み上げるが、このために先に移動部３００が移動してベースフレーム２００上の積層開始地点に押出ヘッド４００を位置させる。
First, computer modeling of the three-dimensional shape of the product to be manufactured is performed, and printing materials made of cement mixture or concrete mixture are printed one by one on the basis of 2D data divided into many thin layers. First, the moving
その後、原料供給部７００から押出ヘッド４００にセメント混合物またはコンクリート混合物などのプリント原料が供給され、押出ヘッド４００を介してベースフレーム２００の表面方向にプリント原料が吐出される。
Thereafter, a printing material such as a cement mixture or a concrete mixture is supplied from the
移動部３００は各層の２Ｄデータに基づいて移動し、移動部３００と共に移動する押出ヘッド４００の軌跡に沿ってベースフレーム２００上にセメント混合物またはコンクリート混合物からなる２Ｄ形状のプリント層が形成される。この際、押出ヘッド４００の外周縁に備えられるマイクロ波照射部５００からマイクロ波が照射され、プリント層内の水分が蒸発してプリント層が硬化する。
The moving
マイクロ波照射部５００は押出ヘッド４００の移動経路を追従しながらマイクロ波を照射することが好ましく、例えば押出ヘッド４００が＋Ｘ軸方向に移動する場合、押出ヘッド４００に対して−Ｘ軸方向に設けられたマイクロ波照射部５００によってマイクロ波が照射されることが好ましい。
The
この際、制御部８００はプリント層を急速に硬化するために押出ヘッド４００の移動速度、マイクロ波照射部５００とプリント層との間の間隔、プリント原料に含まれた水分量などの作業条件に応じてマイクロ波の波長や振動数、照射量を制御することが好ましい。
At this time, in order to rapidly cure the print layer, the
押出ヘッド４００から吐出されてベースフレーム２００上に形成されたプリント層はマイクロ波照射部５００から照射されるマイクロ波によって硬化し、硬化されたプリント層上に再びその上の層の２Ｄデータに基づいたプリント層の形成を繰り返し行い所望する３次元形状を製作する。
The print layer ejected from the
この際、ベースフレーム２００上に形成されるプリント層の積層高さの分だけベースフレーム２００が下降するようにし、押出ヘッド４００及びマイクロ波照射部５００とプリント層との間の間隔を一定に維持することが好ましい。もちろん、移動部３００がＺ軸に移動可能に設けられた場合はベースフレーム２００が固定された状態で移動部３００が上昇しながらプリント層を積層することもでき、必要に応じてベースフレーム２００と移動部３００のＺ軸方向移動なしでプリンティング作業を行うこともできる。
At this time, the
一方、前述したような３Ｄプリンティング作業が完了すると、押出ヘッド４００の内部にセメント混合物またはコンクリート混合物などのプリント原料が残留し、残留したプリント原料によって押出ヘッド４００の出口が詰まらないように分解した後、洗浄することが好ましい。
On the other hand, after the 3D printing operation as described above is completed, the printing raw material such as the cement mixture or the concrete mixture remains in the
図３は、本発明の一実施例による洗浄装置の構成図である。 FIG. 3 is a configuration diagram of a cleaning apparatus according to an embodiment of the present invention.
本発明による一実施例によれば、図３に示すように押出ヘッド４００の一側に洗浄装置９００が設けられる。この洗浄装置９００はチェンバ６００の一側に設けられる洗浄水貯蔵槽９１０と、押出ヘッド４００の内周面に設けられる噴射ノズル９２０と、洗浄水を噴射ノズル９２０に供給する供給ポンプ９３０を含む。この際、洗浄装置９００は洗浄水貯蔵槽９１０の一側に設けられる化学薬品貯蔵槽９４０をさらに含み構成され得る。化学薬品貯蔵槽９４０にはプリント原料を溶解させるための化学薬品が貯蔵され、化学薬品貯蔵槽９４０の化学薬品は洗浄水貯蔵槽９１０に投入され、洗浄水と混合された後噴射ノズル９２０に供給され得る。本発明による一実施例によれば、３Ｄプリンティング作業が完了した後、噴射ノズル９２０を介して押出ヘッド４００の内部に高圧の洗浄水を噴射することによって残留プリント原料を除去でき、この際、必要に応じてプリント原料を溶解させるための化学薬品を洗浄水に混合する。
According to one embodiment of the present invention, a
〔第２実施例〕
図４は、本発明の第２実施例による３Ｄプリンティング装置の構成図である。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a configuration diagram of a 3D printing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
本発明の第２実施例による３Ｄプリンティング装置１００’は、図１を参照して前述した第１実施例の３Ｄプリンティング装置１００とその構成がほぼ同様であるが、照射部５００’がチェンバ６００の内壁に設けられる点が違う。
The
したがって、前述した第１実施例の構成と同じ機能を有する同じ構成に対しては同じ図面符号を付与して重複する説明は省略する。また第１実施例との差異点を中心に本発明の第２実施例による３Ｄプリンティング装置１００’について説明する。 Therefore, the same components having the same functions as those of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted. A 3D printing apparatus 100 'according to the second embodiment of the present invention will be described focusing on the differences from the first embodiment.
本発明の第２実施例によれば、ベースフレーム２００の表面方向にマイクロ波を照射する照射部５００’がチェンバ６００の内壁に沿って少なくとも一つ以上設けられる。
According to the second embodiment of the present invention, at least one
この際、照射部５００’は移動部３００の移動方向と対応するように設けられることが好ましい。例えば、六面体形状のチェンバ６００は互いに対向する４個の内壁を有し、それぞれの内壁に対向して設けられた照射部５００’はそれぞれ＋Ｘ軸、または−Ｘ軸、または＋Ｙ軸、または−Ｙ軸方向にマイクロ波を照射できる。
At this time, the
好ましくはそれぞれの内壁に幅方向に沿って複数の照射部５００’が互いに所定の間隔で離隔して設けられる。
Preferably, a plurality of
一例として、図４に示すようにマイクロ波の照射範囲を広くする場合、押出ヘッド４００の移動方向変更に関係なくマイクロ波がベースフレーム２００の表面側に継続して照射されることによってプリント層の硬化が持続的に行われる長所がある。
As an example, when the microwave irradiation range is widened as shown in FIG. 4, the microwave is continuously irradiated to the surface side of the
一方、マイクロ波の照射範囲を狭くする場合、プリント層の形成軌跡を追従してマイクロ波が照射されるように、チェンバ６００の内壁に上下回転可能に照射部５００’を設けることもできる。この場合、プリント層の形成軌跡の選択区間に沿って照射部５００’が上下回転しながらマイクロ波を照射する。
On the other hand, when the microwave irradiation range is narrowed, the
さらに、一つのプリント層が形成される間、照射部５００’の上下回転によって選択区間に対して繰り返してマイクロ波を照射する場合、次のプリント層の積層作業が行われる前に該当プリント層が確実に硬化する長所がある。
Furthermore, when the microwave is repeatedly applied to the selected section by the vertical rotation of the
図５は、本発明の一実施例による３Ｄプリンティング方法の順序図である。図６は、本発明による一実施例により製造された防波堤の単位ユニットの使用状態を示す図である。以下図５と図６を参照して前述した３Ｄプリンティング装置（１００、１００’）による３次元形状の製品、特に防波堤の単位ユニットの製作方法について段階別に説明する。 FIG. 5 is a flowchart illustrating a 3D printing method according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram illustrating a usage state of a unit unit of a breakwater manufactured according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a method for manufacturing a three-dimensional product, particularly a breakwater unit, using the 3D printing apparatus (100, 100 ') described above with reference to FIGS. 5 and 6 will be described.
（プリント層の形成段階（Ｓ１０））
ベースフレーム２００上にプリント原料を吐出してプリント層を形成する。
(Formation step of print layer (S10))
A print material is discharged on the
この際、プリント原料はセメント混合物またはコンクリート混合物からなり、原料供給部７００から押出ヘッド４００に供給された後、押出ヘッド４００を介してベースフレーム２００の表面側に吐出される。
At this time, the printing raw material is made of a cement mixture or a concrete mixture, and is supplied from the raw
押出ヘッド４００はベースフレーム２００の上部に設けられた移動部３００と共にＸＹ軸方向に移動し、制御部８００により予め設定された２Ｄ経路に沿って移動しながらベースフレーム２００上にプリント層を形成する。
The
（プリント層の硬化段階（Ｓ２０））
ベースフレーム２００上に形成されたプリント層にマイクロ波を照射して硬化させる。
(Curing stage of print layer (S20))
The printed layer formed on the
この際、マイクロ波照射部５００は押出ヘッド４００の移動軌跡に沿ってマイクロ波を照射してプリント層を硬化させ得る。一例として、マイクロ波を照射するマイクロ波照射部５００が押出ヘッド４００の外周縁に設けられて押出ヘッド４００と共に移動するように構成され得る。
At this time, the
一方、押出ヘッド４００の移動方向に関係なく、照射部５００’によりプリント層の一定範囲に持続的にマイクロ波が照射されるか、またはプリント層の一定区間にマイクロ波が繰り返して照射されることも可能である。
On the other hand, regardless of the moving direction of the
プリント層を硬化するとき、セメント混合物またはコンクリート混合物内に含まれた水分がマイクロ波によって瞬間的に蒸発して急速に硬化が行われ、このときのマイクロ波の照射量は制御部８００により制御される。制御部８００は押出ヘッド４００の移動速度、照射部（５００、５００’）とプリント層の間の間隔、プリント原料に含まれた水分量などの条件によってマイクロ波の照射量を決定し、照射部（５００、５００’）の作動を制御してプリント層が急速に凝固するようにする。
When the printed layer is cured, moisture contained in the cement mixture or the concrete mixture is instantaneously evaporated by the microwave and is rapidly cured. The amount of microwave irradiation at this time is controlled by the
（プリント層の形成及び硬化の繰り返し段階（Ｓ３０））
製作しようとする製品Ｐの３次元形状が形成されるときまで、前述したプリント層の形成段階（Ｓ１０）とプリント層の硬化段階（Ｓ２０）を繰り返す。
(Repeated Step of Forming and Curing Print Layer (S30))
The print layer forming step (S10) and the print layer curing step (S20) are repeated until the three-dimensional shape of the product P to be manufactured is formed.
この際、一層ずつ積層されるそれぞれのプリント層は、製品の３次元形状モデリングに基づいて得られたそれぞれの２Ｄ層のデータに基づいて形成される。 At this time, each printed layer to be laminated one by one is formed based on the data of each 2D layer obtained based on the three-dimensional shape modeling of the product.
図６は、本発明による一実施例により製造された防波堤の単位ユニット２の使用状態を示す図であり、複数の防波堤の単位ユニット２が水平及び垂直方向に配列されて防波堤構造物１を形成する例を図示している。
FIG. 6 is a diagram illustrating a use state of a breakwater unit unit 2 manufactured according to an embodiment of the present invention, in which a plurality of breakwater unit units 2 are arranged horizontally and vertically to form a
図６に示す防波堤の単位ユニット２の場合、上板３と下板４及び支持部５を含み、上板３と下板４には複数のホール６が貫通して形成される。
The breakwater unit unit 2 shown in FIG. 6 includes an upper plate 3, a lower plate 4 and a support portion 5, and a plurality of
このような防波堤の単位ユニット２を３Ｄプリンティングで製造する方法は次の通りである。先ず、防波堤の単位ユニット２の３次元形状をモデリングした後、高さ方向に沿って複数の層（ｌａｙｅｒ）にスライス（ｓｌｉｃｉｎｇ）して２Ｄデータを得る。 A method of manufacturing such a breakwater unit 2 by 3D printing is as follows. First, after modeling the three-dimensional shape of the unit 2 of the breakwater, 2D data is obtained by slicing into a plurality of layers along the height direction.
その後、３Ｄプリンティング装置（１００、１００’）を使用してそれぞれの２Ｄデータに基づき一層ずつプリントしながら防波堤の単位ユニット２の形状に積層させる。 After that, using the 3D printing apparatus (100, 100 '), the layers are stacked in the shape of the unit unit 2 of the breakwater while printing one layer at a time based on the respective 2D data.
この際、上板３と下板４及び支持部５を３Ｄプリンティング装置（１００、１００’）によってそれぞれ別に製造した後、現場で組み立てることもでき、上板３と支持部５、または下板４と支持部５を一体で製造することもできる。 At this time, the upper plate 3, the lower plate 4 and the support portion 5 can be separately manufactured by the 3D printing apparatus (100, 100 ') and then assembled on the site. The upper plate 3 and the support portion 5 or the lower plate 4 can be assembled. It is also possible to manufacture the support portion 5 integrally.
プリント材料としてはコンクリート材料を使用することが好ましく、プリント層の急速乾燥及び硬化のためにプリント層にマイクロ波を照射する。 A concrete material is preferably used as the print material, and the print layer is irradiated with microwaves for rapid drying and curing of the print layer.
一方、図６に示す防波堤の単位ユニット２は本発明による一実施例であり、セメントまたはコンクリート素材を使用した３Ｄプリンティング方法によって多様な形態の防波堤の単位ユニットを製造できることはもちろんである。 On the other hand, the breakwater unit unit 2 shown in FIG. 6 is an embodiment according to the present invention, and it is a matter of course that various types of breakwater unit units can be manufactured by a 3D printing method using cement or concrete material.
（後処理の段階（Ｓ４０））
プリント層の形成及び硬化を繰り返して所望する３次元形状に製作された製品Ｐは、マイクロ波の照射または加熱や乾燥などの追加的な硬化過程を経たり、表面処理またはペインティング過程を経て最終製品に完成される。
(Post-processing stage (S40))
The product P manufactured in a desired three-dimensional shape by repeatedly forming and curing the printed layer is subjected to an additional curing process such as microwave irradiation or heating and drying, and a final surface treatment or painting process. Completed in product.
一方、作業が完了した３Ｄプリンティング装置（１００、１００’）に対しては残留プリント原料の凝固によって押出ヘッド４００の出口が詰まらないように押出ヘッド４００の内部を洗浄して残留プリント原料を除去することが好ましい。
On the other hand, for the 3D printing apparatus (100, 100 ′) that has been completed, the inside of the
〔第３実施例〕
図７は、本発明の第３実施例による３Ｄプリンティング装置の構成図である。
[Third embodiment]
FIG. 7 is a block diagram of a 3D printing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
図７に示すように、本発明の第３実施例による３Ｄプリンティング装置１０００は作業場の床面に設けられるベースフレーム２０００とベースフレーム２０００の上部に前後左右の方向に移動可能に設けられる移動部３０００と移動部３０００の一側に設けられてプリント原料を吐出する押出ヘッド４０００と移動部３０００の他側に設けられて粉末金属を噴射する噴射ノズル５０００を含む。
As shown in FIG. 7, a
本発明の第３実施例によれば、ベースフレーム２０００の上部で移動部３０００が作業領域内の一定経路に沿って移動する間、押出ヘッド４０００を介してコンクリート混合物が吐出され、噴射ノズル５０００を介して粉末金属が噴射される。この際、吐出されたコンクリート混合物はマイクロ波によって急速に凝固され、噴射された粉末金属はレーザを照射することによって焼結硬化して一つの層を成す。このような層が連続して積層されることによってコンクリートと金属の複合鉄骨コンクリート構造物１０が所望する３次元形状に製作される。
According to the third embodiment of the present invention, the concrete mixture is discharged through the
図８は、本発明の第３実施例によるベースフレームと移動部の概略斜視図である。ベースフレーム２０００は移動部３０００を支持する役割を果たす一方、３Ｄプリンティングが行われる作業領域を設定する役割を果たす。
FIG. 8 is a schematic perspective view of a base frame and a moving part according to a third embodiment of the present invention. The
一例として、ベースフレーム２０００は図８に示すように、四角形状の作業場の床面に互いに離隔して垂直するように立てられる４個の垂直フレーム２１００を含み得る。この際、それぞれの垂直フレーム２１００は四角形状の作業場のコーナーの部分にそれぞれ垂直に立てられる。
As an example, the
垂直フレーム２１００で区切られた空間の内部に昇降フレーム２２００が設けられ、この昇降フレーム２２００はモータ（図示せず）の駆動またはシリンダ（図示せず）の作動によって垂直フレーム２１００の高さ方向に沿って昇降可能である。例えば、昇降フレーム２２００は４個の単位フレームが四角形状に結合してなり、互いに隣接する一対の垂直フレーム２１００の間にそれぞれの単位フレーム２２１０が昇降可能に設けられ、垂直フレーム２１００に備えられるスライドレール（図示せず）に沿って昇降できる。
An elevating
左右方向に互いに離隔して対向する一対の単位フレーム２２１０を横切るように移動フレーム２３００が設けられる。この際、移動フレーム２３００の両端は左右側の単位フレーム２２１０にスライド移動可能に結合され、移動フレーム２３００はモータの駆動またはシリンダの作動によって左右側の単位フレーム２２１０の長さ方向に沿って前後方向に移動可能である。
A moving
移動フレーム２３００の一側にはブロック形状の移動部３０００がモータ（図示せず）の駆動またはシリンダ（図示せず）の作動によって移動フレーム２３００の長さ方向に沿ってスライド移動が可能に設けられる。
A block-shaped moving
したがって、移動部３０００はベースフレーム２０００の内部の作業領域で３軸（ｘ、ｙ、ｚ）方向に移動可能である。例えば、本実施例で移動部３０００のｚ軸方向（図面の高さ方向）の移動は昇降フレーム２２００が垂直フレーム２１００の高さ方向に沿って移動することによってなされる。また、移動部３０００のＹ軸方向（図面の前後方向）の移動は移動フレーム２３００が左右側単位フレーム２２１０の長さ方向に沿って移動することによってなされる。さらに、移動部３０００のｘ軸方向（図面上左右方向）の移動は移動部３０００が移動フレーム２３００の長さ方向に沿って移動することによってなされる。もちろん、昇降フレーム２２００と移動フレーム２３００及び移動部３０００のうち少なくとも一対が同時に移動することによって移動部３０００が対角線方向に移動することも可能である。
Accordingly, the moving
図９は、本発明の他の実施例によるベースフレームと移動部の概略斜視図である。
本発明の他の実施例として、作業場の床面に一対のレール２４００が互い離隔して左右方向に長く設けられ、それぞれのレール２４００の上に垂直フレーム２１００がレール２４００に沿って移動可能に設けられ得る。この際、垂直フレーム２１００を横切って移動フレーム２３００が昇降可能に設けられ、移動部３０００は移動フレーム２３００の一側に前後方向に移動可能に設けられる。この場合、移動部３０００のｘ軸方向の移動は垂直フレーム２１００がレール２４００に沿って移動することによってなされ、ｙ軸方向の移動は移動部３０００が移動フレーム２３００の長さ方向に沿って移動することによってなされ、ｚ軸方向の移動は移動フレーム２３００が垂直フレーム２１００の高さ方向に沿って移動することによってなされる。この際、それぞれの移動はモータ（図示せず）の駆動またはシリンダ（図示せず）の作動を制御することによってなされることはもちろんである。
FIG. 9 is a schematic perspective view of a base frame and a moving unit according to another embodiment of the present invention.
As another embodiment of the present invention, a pair of
前述した本発明の他の実施例のように作業場の床面にレール２４００を設ける場合、施工しようとする構造物の長さに応じてレール２４００の長さを可変させることによって長さが長い構造物を連続施工できるという長所がある。また、ベースフレーム２０００の分解及び再設置の作業を必要としないため、費用と時間を節減できる。
When the
再び図７を参照すると、移動部３０００の底面に押出ヘッド４０００と噴射ノズル５０００が下方向に向かって備えられる。
Referring to FIG. 7 again, an
押出ヘッド４０００を介してコンクリート混合物または合成樹脂が吐出され、噴射ノズル５０００を介しては粉末金属が噴射される。このため、ベースフレーム２０００の一側にはコンクリート混合物と合成樹脂及び粉末金属を移動部３０００に供給するための原料供給部６０００が設けられる。この際、原料供給部は押出ヘッド４０００にコンクリート混合物を供給する第１原料供給部と、噴射ノズルに粉末金属を供給する第２原料供給部と、押出ヘッド４０００に合成樹脂を供給する第３原料供給部を含んでなる。
Concrete mixture or synthetic resin is discharged through the
原料供給部６０００はそれぞれのプリント原料が貯蔵される貯蔵槽６１００と、貯蔵槽６１００と移動部３０００が連通するように連結する供給管６２００と、供給管６２００を開閉するバルブ６３００と、供給管６２００の一側に設けられて貯蔵槽６１００の原料を移動部３０００に供給する供給ポンプ６４００を含んで構成される。
The raw
この際、貯蔵槽６１００はコンクリート混合物を貯蔵する第１貯蔵槽６１１０と、粉末金属を貯蔵する第２貯蔵槽６１２０、および合成樹脂を貯蔵する第３貯蔵槽６１３０を含んで構成されることが好ましく、それぞれのプリント原料が互いに混ざらないように互いに異なる供給管６２００を介して移動部３０００に供給されることが好ましい。
At this time, the
例えば、コンクリート混合物は第１供給ポンプ６４１０の作動によって第１供給管６２１０に介して移動部３０００に供給され、押出ヘッド４０００を介して作業領域に吐出される。粉末金属は第２供給ポンプ６４２０の作動によって第２供給管６２２０を介して移動部３０００に供給され、噴射ノズル５０００を介して作業領域に噴射される。合成樹脂は第３供給ポンプ６４３０の作動によって第３供給管６２３０を介して移動部３０００に供給され、押出ヘッド４０００を介して作業領域に吐出される。
For example, the concrete mixture is supplied to the moving
図１０は、本発明の第３実施例による押出ヘッドと噴射ノズルの斜視図である。 FIG. 10 is a perspective view of an extrusion head and an injection nozzle according to a third embodiment of the present invention.
図１０に示すように、本発明の第３実施例による押出ヘッド４０００の底面にはコンクリート混合物が吐出される吐出口４１００と、吐出口４１００の一側に備えられ、マイクロ波を照射するマイクロ波照射部４２００が備えられる。
As shown in FIG. 10, the bottom surface of the
ここでコンクリート混合物はセメントと水及び砂や砂利または砂利粉末などの骨材が混合してなる。マイクロ波照射部４２００は作業領域に吐出されたコンクリート混合物を硬化させるためにマイクロ波を照射する。前述した実施例で説明した通り、マイクロ波はコンクリート混合物に含まれている水分を蒸発させて吐出及び積層されるコンクリート混合物を急速に凝固させる役割を果たす。
Here, the concrete mixture is formed by mixing cement, water, and aggregate such as sand, gravel, or gravel powder. The
この際、押出ヘッド４０００は移動部３０００に対して軸回転可能に設けられることが好ましいが、これは移動部３０００が移動するときにマイクロ波照射部４２００が吐出口４１００の移動軌跡に沿ってコンクリート混合物を急速に凝固させるためである。他の例として、吐出口４１００が押出ヘッド４０００の底面中央部に形成され、吐出口４１００の移動方向（例えば、前後左右方向）にそれぞれマイクロ波照射部４２００が備えられ得る。
At this time, the
一方、吐出口４１００に残留するコンクリート混合物は時間の経過につれ自然に凝固し、これによって吐出口４１００が詰まる問題が発生し得る。したがって、コンクリート層形成を完了した後は吐出口４１００に残留するコンクリート混合物を除去する必要がある。このような洗浄装置の詳細な構成については図３を参照して前述した。
On the other hand, the concrete mixture remaining at the
一方、前述した実施例では押出ヘッド４０００を介してプリント原料としてコンクリート混合物が吐出される例を説明したが、本発明の他の例として、押出ヘッド４０００を介してコンクリート混合物と合成樹脂が交互に吐出され得る。この際、プリント原料の入れ替えがある度に洗浄装置によって吐出口４１００を洗浄することが好ましい。
On the other hand, in the above-described embodiment, the example in which the concrete mixture is discharged as the printing raw material through the
再び図１０を参照すると、本発明の第３実施例による噴射ノズル５０００は移動部３０００の底面に下方向に向かうように備えられ、噴射ノズル５０００を介して粉末金属が噴射される。
Referring to FIG. 10 again, the
この際、噴射された粉末金属はレーザの照射によって焼結硬化するが、粉末金属の噴射とレーザの照射による焼結がほぼ同時に行われるように、噴射ノズル５０００の内部にレーザ照射部５２００を備えることが好ましい。これについて図１１を参照して説明する。
At this time, the injected powder metal is sintered and hardened by laser irradiation, but a
図１１は、本発明の第３実施例による噴射ノズルの内部構成図である。 FIG. 11 is an internal block diagram of an injection nozzle according to a third embodiment of the present invention.
図１１に示すように、噴射ノズル５０００は概ね円筒形の本体でなり、下段部は外周面が内側下向に傾斜して形成され、中央部には噴射口５１００が形成される。
As shown in FIG. 11, the
噴射ノズル５０００の内部には噴射口５１００と垂直するようにレーザ照射部５２００が形成され、レーザ照射部５２００と噴射口５１００はレーザの照射方向をガイドする円筒形のガイド管５３００によって連結される。そして、ガイド管５３００の外周面の周囲に沿って流動管５４００が形成されるが、第２貯蔵槽６１２０から移動部３０００に供給された粉末金属はこの流動管５４００を介して噴射ノズル５０００の噴射口５１００にガイドされる。粉末金属の噴射は不活性ガスの流れによって行われることが好ましい。
A
流動管５４００の下段部は所定角度の内側下向に傾斜することが好ましく、これは粉末金属が正確な位置に噴射され、レーザ焼結されるようにするためである。仮に、流動管５４００の下段部の傾斜角（α）が大きすぎると、粉末金属が鉄骨層の上に落下する途中にレーザ焼結され得、傾斜角が小さすぎると、レーザの照射領域を外れた地点に粉末金属が積層される問題がある。したがって、流動管５４００の下段部の傾斜角は噴射ノズル５０００の規格と、鉄骨層（２０、図１３を参照）と噴射ノズル５０００の間の間隔を考慮して適切に選択する必要がある。
The lower portion of the
再び図７を参照すると、原料供給部６０００の一側、またはベースフレーム２０００の一側にコントロールパネル形態の制御部７０００が備えられる。制御部７０００は押出ヘッド４０００及び噴射ノズル５０００に供給される原料供給量、押出ヘッド４０００及び噴射ノズル５０００から吐出される原料吐出量と吐出速度、移動部３０００の移動、マイクロ波とレーザの照射量、洗浄装置の制御など３Ｄプリンティング装置１０００の作動の全般を制御する役割を果たす。
Referring to FIG. 7 again, a
図１２は、本発明の第３実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工方法の順序図である。図１３は、本発明の第３実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工順序を示す工程図である。 FIG. 12 is a flowchart illustrating a method for constructing a steel concrete structure according to a third embodiment of the present invention. FIG. 13 is a process diagram showing the construction sequence of the steel concrete structure according to the third embodiment of the present invention.
以下、図１２と図１３を参照して本発明の第３実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工方法について段階別に詳細に説明する。 Hereinafter, the construction method of the steel concrete structure according to the third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
（鉄骨層の形成および硬化の段階（Ｓ１００））
先に、粉末金属を噴射して鉄骨層２０を形成する。この際、粉末金属は必要な硬度と素材費用などを考慮して適切に選択し得、例えばスチール種類またはアルミニウムやチタニウムなどの合金素材からなる。
(Steel layer formation and hardening stage (S100))
First, the
粉末金属は第２貯蔵槽６１２０から第２供給管６２２０を介して移動部３０００の噴射ノズル５０００に供給され、流動管５４００と噴射口５１００を経て噴射される。噴射された粉末金属はレーザ照射部５２００から照射されるレーザによって焼結硬化する。
The powder metal is supplied from the
この際、噴射ノズル５０００は移動部３０００の移動によって移動し、制御部７０００により予め設定された経路に沿って移動しながら鉄骨層２０を形成させる。
At this time, the
制御部７０００は噴射ノズル５０００の移動速度、レーザ照射部５２００と鉄骨層２０との間の間隔、素材特性などの条件に応じてレーザの照射量を決定し、レーザ照射部５２００の作動を制御して鉄骨層２０を形成する。
The
（コンクリート層の形成段階（Ｓ２００））
コンクリート混合物を吐出してコンクリート層３０を形成する。第１貯蔵槽６１１０から第１供給管６２１０を介して移動部３０００に供給されたコンクリート混合物は押出ヘッド４０００を介して吐出される。
(Concrete layer formation stage (S200))
The
押出ヘッド４０００は移動部３０００の移動によって移動し、制御部７０００によって予め設定された経路に沿って移動しながらコンクリート層３０を形成させる。
The
（コンクリート層の硬化段階（Ｓ３００））
コンクリート層３０にマイクロ波を照射して硬化させる。マイクロ波照射部４２００はコンクリート混合物が吐出される押出ヘッド４０００の吐出口４１００の一側に備えられ、移動部３０００の移動時の吐出口４１００の移動軌跡に沿ってコンクリート層３０を硬化させる。
(Concrete layer hardening stage (S300))
The
コンクリート層３０はコンクリート混合物内に含まれた水分がマイクロ波によって瞬間的に蒸発され、急速に硬化が行われ、このときのマイクロ波の照射量は制御部７０００により制御される。制御部７０００は押出ヘッド４０００の移動速度、マイクロ波照射部４２００とコンクリート層３０との間の間隔、コンクリート混合物に含まれた水分量などの条件に応じてマイクロ波の照射量を決定し、マイクロ波照射部４２００の作動を制御してコンクリート層３０を急速に凝固するようにする。
In the
一方、必要に応じて鉄骨層２０とコンクリート層３０が十分に接合する時間を与えるため、鉄骨層２０と隣接する部分のコンクリート層３０の硬化速度を適切に調整できる。例えば、鉄骨層２０とコンクリート層３０の境界部分はコンクリート層の硬化段階（Ｓ３００）の最後の経路で硬化され得る。
On the other hand, if necessary, the
（繰り返しの段階（Ｓ４００））
施工しようとする構造物の３次元形状が形成されるときまで、前述した段階（Ｓ１００〜Ｓ３００）を繰り返し行う。
(Repetition stage (S400))
The above-described steps (S100 to S300) are repeated until the three-dimensional shape of the structure to be constructed is formed.
この際、一層ずつ積層される鉄骨層２０とコンクリート層３０は、構造物の３次元形状モデリングに基づいて得られたそれぞれの２Ｄ層のデータに基づいて形成される。例えば、先ず構造物の３次元形状をモデリングした後、高さ方向に沿って複数の層（ｌａｙｅｒ）にスライスして２Ｄデータを得る。その後、３Ｄプリンティング装置１０００を利用してそれぞれの２Ｄデータに基づき一層ずつプリントしながら構造物の最終形状に積層させる。
At this time, the
作業が完了した３Ｄプリンティング装置１０００に対しては、残留プリント原料の凝固によって押出ヘッド４０００の出口が詰まらないように押出ヘッド４０００内部を洗浄して残留プリントの原料を除去することが好ましい。
For the
図１４は、本発明の第３実施例により製造される鉄骨コンクリート構造物の例を示す概略図である。本発明による３Ｄプリンティング装置によれば、図１４（ａ）の鉄骨コンクリートビーム１１や図１４（ｂ）の鉄筋コンクリート柱１２のように、鉄骨層２０とコンクリート層３０の複合鉄骨コンクリート構造物１０を形成できる。もちろん、図１４に示す構造物の形態は本発明の実施例により製造される一例であり、この他に多様な形態の鉄骨コンクリート構造物１０を施工できる。
FIG. 14 is a schematic view showing an example of a steel concrete structure manufactured according to the third embodiment of the present invention. According to the 3D printing apparatus of the present invention, the composite
図１５は、本発明の他の実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工順序を示す工程図である。 FIG. 15 is a process diagram showing a construction sequence of a steel concrete structure according to another embodiment of the present invention.
図１２と図１３を参照して前述した実施例では、先に鉄骨層２０を形成した後、コンクリート層３０を形成する例を説明した。この際、移動部３０００は先に鉄骨層２０の形成領域内に予め設定された経路に沿って移動しながら鉄骨層２０を形成し、鉄骨層２０形成を完了した後、コンクリート層３０の形成領域に移動してコンクリート層３０を形成する。
In the embodiment described above with reference to FIGS. 12 and 13, the example in which the
図１５はこれとは異なり、先にコンクリート層３０を形成した後、鉄骨層２０を形成する施工方法を示している。この際、移動部３０００は先にコンクリート層３０の形成領域内に予め設定した経路に沿って移動しながらコンクリート層３０を形成し、その後、鉄骨層２０の形成領域に移動して鉄骨層２０を形成する。ここでコンクリート層３０と鉄骨層２０を接合するため、コンクリート層３０が養生によって完全に固まる前に鉄骨層２０を形成されなければならないのはもちろんである。
FIG. 15 shows a construction method in which the
図面に示していないが、前述したように鉄骨層２０とコンクリート層３０をそれぞれ順次に別途形成するのではなく、移動経路に沿って移動部３０００が１回移動するとき鉄骨層２０とコンクリート層３０が共に形成されるようにすることも可能である。
Although not shown in the drawings, the
例えば、図１４（ａ）に示す構造物の場合、移動部が左側から右側方向に“Ａ”経路に沿って１回移動する間、鉄骨層２０の左側コンクリート層３０の形成−鉄骨層２０の形成−鉄骨層２０の右側コンクリート層３０の形成が順次に行われる。
For example, in the case of the structure shown in FIG. 14A, the left
図１６は、本発明のまた他の実施例による鉄骨コンクリート構造物の施工順序を示す工程図である。コンクリート層３０はコンクリート混合物の噴射及びマイクロ波の照射による急速硬化によって形成される。この際、コンクリート混合物は水分によって若干の流動性を有するため、コンクリート層３０が先に形成され、次いで隣接する鉄骨層２０が形成される場合、硬化前の流動によってコンクリート混合物が鉄骨層２０の形成領域に流動し、鉄骨層２０の形成領域が縮小されたり鉄骨層２０の内部硬度が低下され得る。図１６は前述したような問題を防止するため、コンクリート層３０と鉄骨層２０の境界領域に合成樹脂からなる鉄骨外郭境界層４０を先に形成する例を示している。
FIG. 16 is a process diagram showing a construction sequence of a steel concrete structure according to another embodiment of the present invention. The
合成樹脂は光硬化性合成樹脂類のうちから選択され得、第３貯蔵槽６１３０から第３供給管６２３０を介して押出ヘッド４０００に供給される。移動部３０００は予め入力された鉄骨層２０の外郭境界線に沿って移動し、押出ヘッド４０００を介して吐出された合成樹脂は、後に続く噴射ノズル５０００のレーザ照射部５２００により硬化され鉄骨外郭境界層４０を成す。この際、移動部３０００が移動するときの押出ヘッド４０００の移動軌跡を沿ってレーザ照射部５２００が移動できるように押出ヘッド４０００と噴射ノズル５０００は移動部３０００の底面に回転可能に結合された回転プレート（３１００、図１０を参照）上に設けられることが好ましい。制御部７０００は回転プレート３１００の回転角度を制御することによって押出ヘッド４０００の移動軌跡を沿って噴射ノズル５０００が移動するようにする。
The synthetic resin can be selected from among photo-curable synthetic resins, and is supplied from the
鉄骨外郭境界層４０の形成を完了すると、次いでコンクリート層３０と鉄骨層２０を形成する。この際、コンクリート層３０と鉄骨層２０が順次にまたは同時に形成され得ることについては前述した通りであり、コンクリート混合物の吐出前に押出ヘッド４０００を洗浄して残留合成樹脂を除去することが好ましい。
When the formation of the steel
鉄骨層２０を形成するときには鉄骨外郭境界層４０を形成するときの光硬化性合成樹脂に照射されたレーザに比べて高出力のレーザが照射される。このとき、鉄骨層２０とコンクリート層３０の境界に形成された合成樹脂材の鉄骨外郭境界層４０が溶融または燃焼などの方法で除去され、鉄骨層２０とコンクリート層３０が直接相互接合する。
When the
一方、コンクリート混合物の硬化前の流動によってコンクリート層３０の外郭境界線の部分が粗く形成され得、これを防止するためにコンクリート層３０の外郭境界線に沿って合成樹脂材からなるコンクリート外郭境界層５０を形成し得る。この場合、完成された構造物の表面は合成樹脂によってコーティングされ、必要に応じて構造物の完成後の表面の合成樹脂を除去できる。合成樹脂が除去された構造物の表面の粗さは合成樹脂を使用しなかったときに比べてより滑らかに形成される長所がある。
On the other hand, the outer boundary of the
１００、１００’、１０００ ３Ｄプリンティング装置
２００、２０００ ベースフレーム
３００、３０００ 移動部
４００、４０００ 押出ヘッド
５００、５００’、４２００ マイクロ波照射部
５０００ 噴射ノズル
５２００ レーザ照射部
７００、６０００ 原料供給部
８００、７０００ 制御部
９００ 洗浄装置
100, 100 ′, 1000
Claims (18)
前記ベースフレームの上部に移動可能に設けられる移動部と、
前記移動部の一側に設けられ、前記ベースフレームの表面側にプリント原料であるコンクリート混合物を吐出する押出ヘッドを含む３Ｄプリンティング装置。 A base frame,
A moving part movably provided on the upper part of the base frame;
A 3D printing apparatus including an extrusion head that is provided on one side of the moving unit and that discharges a concrete mixture, which is a printing raw material, on a surface side of the base frame.
前記チェンバの内部に設けられるベースフレームと、
前記ベースフレームの上部に移動可能に設けられる移動部と、
前記移動部の一側に設けられ、前記ベースフレームの表面側にプリント原料としてコンクリート混合物を吐出する押出ヘッドと、
前記チェンバの内壁に少なくとも一つ以上設けられ、前記ベースフレームの表面側にマイクロ波を照射して前記プリント原料を硬化させるマイクロ波照射部を含む３Ｄプリンティング装置。 With the chamber,
A base frame provided inside the chamber;
A moving part movably provided on the upper part of the base frame;
An extrusion head that is provided on one side of the moving part and discharges a concrete mixture as a printing raw material on the surface side of the base frame;
A 3D printing apparatus including a microwave irradiation unit provided on at least one inner wall of the chamber and irradiating the surface of the base frame with microwaves to cure the print raw material.
（ｂ）前記プリント層を硬化させる段階と、
（ｃ）前記（ａ）段階と前記（ｂ）段階を繰り返し行い印刷しようとする対象の３次元形状に前記プリント層を連続積層する段階を含む３Ｄプリンティング方法。 (A) discharging a concrete mixture as a printing material on the base frame to form a printed layer;
(B) curing the printed layer;
(C) A 3D printing method including the step of continuously laminating the print layer on a three-dimensional shape to be printed by repeating the steps (a) and (b).
噴射ノズルを介して粉末金属を噴射した後、レーザを照射するによって焼結硬化させて鉄骨層を形成し、押出ヘッドを介してコンクリート混合物を吐出した後、マイクロ波を照射することによって硬化させてコンクリート層を形成し、前記鉄骨層の形成と前記コンクリート層の形成を繰り返し行い、施工しようとする構造物の形状に連続積層することを特徴とする３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法。 In the construction method of a steel concrete structure using a 3D printing device,
After injecting powder metal through an injection nozzle, it is sintered and cured by irradiating a laser to form a steel layer, and after discharging the concrete mixture through an extrusion head, it is cured by irradiation with microwaves. Construction of a steel concrete structure using a 3D printing apparatus, wherein a concrete layer is formed, the formation of the steel layer and the formation of the concrete layer are repeated, and the layers are continuously laminated in the shape of the structure to be constructed. Method.
（ａ）押出ヘッドを介して合成樹脂を吐出した後、レーザを照射することによって硬化させて鉄骨外郭境界層を形成する段階と、
（ｂ）押出ヘッドを介してコンクリート混合物を吐出した後、マイクロ波を照射することによって硬化させてコンクリート層を形成する段階と、
（ｃ）噴射ノズルを介して粉末金属を噴射した後、レーザを照射することによって焼結硬化させて鉄骨層を形成する段階を含み、
前記（ａ）段階ないし前記（ｃ）段階を繰り返し行い施工しようとする構造物の形状に前記鉄骨層と前記コンクリート層を連続積層することを特徴とする３Ｄプリンティング装置を利用した鉄骨コンクリート構造物の施工方法。 In the construction method of a steel concrete structure using a 3D printing device,
(A) after discharging the synthetic resin through the extrusion head, curing by irradiating a laser to form a steel outer boundary layer;
(B) after discharging the concrete mixture through the extrusion head, curing by irradiating microwaves to form a concrete layer;
(C) including a step of forming a steel layer by spraying powder metal through a spray nozzle and then sintering and hardening by irradiating a laser;
A steel-concrete structure using a 3D printing apparatus, wherein the steel layer and the concrete layer are continuously laminated in the shape of the structure to be constructed by repeating the steps (a) to (c). Construction method.
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