JP2017052289A - セメント系材料の搬送方法及び搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】巨大複合体、規格外の物体及びセメント系材料で形成された構造物を「印刷」できる３Ｄプリンタを提供することを目標とする。
【解決手段】セメント系材料を用いた多層工法を実行するための装置（１００）は、セメント系材料を入れるための容器（４）を有している。前記容器（４）は、搬送ノズル（１３）を有するプリントヘッド（６）に連結されている。前記搬送ノズル（１３）は、ロボットアームアセンブリ（１）によって動かされ、所定の経路に沿って割出され得る。前記セメント系材料の前記容器（４）から前記ノズル（１３）へのフローと、前記ノズル（１３）からの材料の押出しとは、前記ノズル（１３）の割出しと連動して制御される。支持材料、促進剤及び軟骨材料は、前記プリントヘッド（６）から積層されても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、新しい建築技術と、任意に「促進剤」の制御された利用を伴う、当該技術を実行するための、セメント系材料の積層のための装置とに関する。本発明はまた、セメント系材料を多層に積層させるための装置及び技術にも関するものであり、好ましくは当該セメント系材料にはさらに、当該材料が積層させられる時点において１つ又は複数の促進剤化合物が添加されており、それによって、部分的に硬化したセメント系材料の上に、当該材料が付加された層の重みで過度に変形することなく、さらなる層を適用することが可能になる。

ラピッドプロトタイピングは、過去１０年間で工業デザインの様々な分野において利用が大きく広がってきており、ニッチな技術から、材料の選択肢、解決法及び多種多様なその他の要因を提供する様々な技術を有する主流へと変化している。中でも、より一般的な技術は、ステレオリソグラフィー、選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ）及び熱溶解積層法（ＦＤＭ）であり、後者２つはどちらも、主にプラスチック材料と共に用いられる付加的な製造技術であり、特にＦＤＭは、短期間の急速製造又は小バッチサイズの製造、プラスチック部材の製造にも用いられる。

本発明は、ラピッドプロトタイピング技術によって提供された利点を製品デザイン及び製造の分野に生かし、当該利点を建築分野に導入すること、実際には、巨大複合体、規格外の物体及びセメント系材料で形成された構造物を「印刷」できる３Ｄプリンタを提供することを目標としている。

本発明によって提供された利点のいくつかを供給するために、いくつかの試みがなされたが、いずれも欠点を有しており、総じて、製造され得る物体／構造物の寸法と当該物体／構造物の複雑性とのどちらか１つに関して、又は両方に関して、極めて制限されたものになっている。

「促進剤」という用語は、触媒工程又はその他の工程によって、セメント系材料の硬化／凝結を促進することができるあらゆる材料を含むものとして理解されるべきである。

「抑制剤」という用語は、セメント系材料の硬化／凝結を抑制する又は遅延させるあらゆる材料に言及するものとして理解されるべきである。抑制剤は、加工性のためにオープンタイムを延長する、並びに／又は、加工性、押出し性、印刷適性及びビルダビリティのためにレオロジー特性を改善する可能性がある。

「セメント系材料」又は「硬化材料（cemented material）」という用語は、流体状態で搬送され、積層の後硬化することができる充填材及び結合剤のあらゆる凝集を含むものとして理解されるべきである。

「安定化セメント系材料」という用語は、抑制剤が添加されたセメント系材料を指している。

「支持材料」という用語は、構造体の後続層のための支持として機能するように一時的に積層させられる材料を指しており、当該支持材料は、当該構造体が完成すると取り除かれ、次に再利用するために任意で回収／リサイクルされる。

「軟骨材料」及び「軟骨層」という用語は、支持層とセメント質層との間、又は仕上げ面の上、又は何らかの内部形態若しくは外部形態の周囲に置かれた材料又は層を指しており、当該材料又は層は、これらの層の分離し易さを改善し、形成された構成要素の表面をその他の流体から分離し、それによって、例えば、硬化中の水分の蒸発若しくはセメント系材料からのその他の化合物の損失が最小限に抑えられ、セメント系材料の表面仕上げが改善され、及び／又は、当該セメント系材料への型押仕上の作成が可能になる。当該層は一時的、半永久的なものであって良く、又は、完成した構成要素の永久的な形態を形成して良い。

「加工面」という用語は、建築が開始される未使用の面だけではなく、最上の露出したセメント系材料、支持材料及び軟骨材料の内いずれか又は全ての層も指している。

特にセメント系材料及び支持材料の積層の相互関係の説明に関して、「実質上同時に」という用語は広く解釈されるべきである。なぜなら、どの所定の層も同じ量を要求し、セメント系材料及び支持材料の等しい配分を要求するという場合はあり得ないからであり、それゆえ必然的にセメント系材料が積層させられていない間に支持材料が積層させられている場合があり得るし、逆の場合も同じである。したがって、この用語は、セメント系材料及び支持材料の積層が、正確な同期が要求されていないものの、同期しているかもしれないと推測するものとして理解されるべきである。

「活性剤」という用語は、触媒工程又はその他の工程によって、支持材料の硬化／凝結を促進することができるあらゆる材料を含むものとして理解されるべきである。

「ノズル」という用語が用いられる場合、当該用語は、１つのノズルか、互いに隣接して配置された複数のノズルかを指すものとして理解されるべきであり、したがって、単数形は複数形も含むものとして理解されるべきであり、逆もまた同じである。

本発明は、先行技術／技術水準の欠点を克服すると共に、第１の態様において、各層の形成を伴う多層工法（multi-layer construction method）を提供する。当該多層工法は、
セメント系材料を供給するステップ；
当該セメント系材料をノズルまで搬送するステップ；
当該ノズルを所定の経路に沿って割出しする（indexing）ステップ；及び
当該ノズルを通じた押出しによって当該セメント系材料を加工面に適用するステップを有しており、
これらのステップは、構造体の付加的な層それぞれについて必要なだけ繰り返される。

好ましくは当該セメント系材料は、安定化セメント系材料である。好ましくは当該セメント系材料は、当該セメント系材料をノズルに搬送する前、及び、当該セメント系材料を加工面に適用する前に安定化される。好ましくは当該セメント系材料はコンクリート材料である。

好ましくは前記方法は、促進剤を当該セメント系材料に適用するという付加的なステップを特徴としており、当該促進剤の適用は、当該セメント系材料の押出しの前、間中、又は後に行っても良い。当該安定化セメント系材料を、振動、攪拌、混合又はその他の周知の方法を通じてかき混ぜて良く、それによって、当該セメント系材料と装置の内側面との間の減少した摩擦が、当該セメント系材料を搬送するのに用いられる。当該ノズルの所定の経路に沿った割出しは、好ましくはコンピュータによって制御される。

当該方法は好ましくはさらに、セメント系材料の適用と実質的に同時に、支持材料を、セメント系材料に接している層において、セメント系材料が望まれない領域に適用するステップを含み、それによって、支持材料が、セメント系材料と共に、構造体の次の層のための加工面を提供している。

好ましくは、当該方法はさらに、支持層を活性剤に曝すステップを含む。

当該方法はさらに、軟骨層を、支持層の上面で、後続の層がセメント系材料の層の１つであるべき領域に適用することを含んでいて良い。軟骨層の付加は、セメント系材料の表面仕上げを改善すると同時に、完成した構造体の構造的完全性を、硬化中にセメント系材料から失われる水分の量を最小限に抑えることによって改善する。

当該方法はさらに、１つ又は複数のカメラの使用を含んでいて良い。当該カメラによって、加工面の表面質感及び／又は変形に関するリアルタイムの情報が取得され、当該情報は、適用される現在の層についての必要な適用条件を決定するのに用いられ、当該適用条件は、ノズルの数、ノズルの寸法、ノズルの方向付け、セメント系材料の流量、ノズル割出しの速度、及び、促進剤の適用の割合又はタイミングから選択される。

セメント系材料、支持材料、軟骨層若しくは材料、又は促進剤のいずれかの適用／搬送を、振動可能なノズル若しくは可変直径ノズルによって、又は、その両方によって行うことが可能である。

本発明の第２の態様は、上述した多層工法を実行するための装置を提供している。当該装置はセメント系材料の容器であって、ノズルと機能的に結合する容器と、当該ノズルを所定の経路に沿って割出すための手段と、当該容器から当該ノズルへのセメント系材料のフローを制御し、かつ当該材料を当該ノズルから押出すための手段とを備える。

好ましくは、セメント系材料の容器は、安定化セメント系材料の容器を含む。当該容器は、ノズルからの不連続ではあるが圧力で制御されたフローの緩衝を可能にするあらゆる寸法であって良い。好ましくは、当該装置はさらに、促進剤をセメント系材料に適用するための手段を含む。

当該装置はさらに、当該容器及び／又は、当該容器と当該ノズルとの間の前記機能的結合と機能的に関連した攪拌手段を含んでいて良い。

当該装置は好ましくはさらにコンピュータ制御手段を含み、当該制御手段はノズルの割出しと、セメント系材料の流量と、促進剤の適用タイミング及び割合とを制御する。

割出し手段は好ましくはロボットアームを含み、当該ロボットアームは好ましくは、３つの独立した軸に沿った割出しが可能であると共に、ノズルの多軸回転も可能である。

当該装置は好ましくはさらに支持材料の容器を含み、当該容器は、支持材料適用ノズル、当該ノズルを所定の経路に沿って割出すための手段、当該容器から当該ノズルへの支持材料のフローを制御するための手段、及び、当該材料を当該ノズルから押出すための手段と機能的に関連している。

当該装置は好ましくは、活性剤を支持材料に適用するための手段も含む。

当該装置はさらに軟骨材料の容器を含んでいて良く、当該容器は、軟骨材料適用ノズル、当該ノズルを所定の経路に沿って割出すための手段、当該容器から当該ノズルへの軟骨材料のフローを制御するための手段、及び、当該材料を当該ノズルから押出すための手段と機能的に関連している。

特に好ましい一態様では、当該装置はさらに１つ又は複数のカメラを含み、当該１つ又は複数のカメラは、ロボットアームに取り付けられて静止しているか、又は、独立して押出しノズルを追跡するために割出可能であり、当該カメラは質感、立体形状又は平面形状に関する情報を取得することが可能であり、当該１つ又は複数のカメラは、当該情報をコンピュータ制御ユニットに伝達することが可能であり、当該コンピュータ制御ユニットは当該情報を解釈した後、当該情報を、１つ又は複数の押出しノズルと、１つ又は複数の容器から１つ又は複数のノズルまでの１つ又は複数の材料のフローとの制御を通知するために用いることができる。

セメント系材料、支持材料、軟骨材料又は促進剤の適用／搬送／押出しのためのノズルの内のいずれか１つ又は複数は、振動可能なノズル若しくは可変直径ノズル、又はその両方であって良い。

本発明の態様を、例を用いて、添付の図面を参考に説明する。示されているのは以下の図面である。

セメント系材料の多層搬送を実行するための搬送装置の概略図である。 図１に係る搬送装置と共に用いられる２つの積層ヘッドを含むプリントヘッドの概略図である。図２ａおよび図２ｂは、図２に係るプリントヘッドの積層ヘッドの積層中の配置を説明した概略図である。 セメント系材料を搬送するための補助搬送機構と共に図２に係るプリントヘッドの一部を形成するセメント系材料積層ヘッドの概略的部分横断面図である。図３ａは、プリントヘッドの概略的側面図である。 図１に係る装置と共に使用するのに適した、促進剤及び軟骨材料のための搬送機構と光学的測定システムとロボット制御機構の概略図である。 図１に係る装置と共に使用するのに適した、砂及び結合剤の積層ヘッドの概略的横断面図である。 図５に係る積層ヘッドと共に使用するのに適した、砂の搬送機構の概略図である。 図１に係る装置と共に使用するのに適した、セメント系材料攪拌機の概略的横断面図である。 図２に係るプリントヘッドと共に使用するのに適した振動ノズルの概略図である。 図２に係るプリントヘッドと共に使用するのに適した可変ノズルの概略図である。

図１は、セメント系材料をノズル１３に搬送する搬送装置１００を示しており、当該ノズルの空間位置及び方向付けはロボットによって制御され得る。搬送装置１００は、「印刷」プロセスと表現して良いものを、セメント系材料をノズル１３に搬送するための搬送ポンプ２を用いて実行する。ウォームポンプ２はホッパー１０２と共に、搬送パイプ３を通じて積層ヘッド６に連結される。積層ヘッド６は、ロボットアームアセンブリ１上に取り付けられており、当該ロボットアームアセンブリは、積層ヘッド６に自動的な動きの自由を供給するように構成されている。ロボットアームアセンブリ１はメインコントローラ１１０によって制御される。好ましくは、ロボットアームアセンブリ１は、積層ヘッド６を動かすこと、すなわち３つ全ての直交軸に沿って共に、又は、独立して割出しすることができ、かつ、ノズル１３を３つ全ての直交軸の周りに回転することができて、６自由度が可能となる。こうして、一般的な態様では、ロボットアームアセンブリ１は、ノズルを所定の経路に沿って割出す手段を提供する。

積層ヘッド６は多機能プリントヘッド１０１の一部を成し、当該プリントヘッドはロボットアームアセンブリ１の末端アーム１０３上に取り付けられている。末端アーム１０３も、セメント系材料をノズル１３に搬送するためにピストン５及び容器４を支持する。使用中には、ウォームポンプ２がセメント系材料をホッパー１０２から容器４へ搬送パイプ３を通じて搬送する。

セメント系材料を、適切なレオロジー状態を維持するために攪拌し続けて良い。容器４は、材料を積層ヘッド６に搬送する間にウォームポンプ２によって形成される望ましくない高い圧力を除去することができ、それによってセメント系材料の押出しが正確に制御される。セメント系材料は、好ましくは容器４からピストン５によって積層ヘッド６へ、そしてノズル１３へ調整可能な流量で搬送され、ロボットアームアセンブリ１を動作させるメインコントローラ１１０によって制御された所定の経路にそって押出される。抑制剤は好ましくは、セメント系材料がホッパー１０２に装入される前又はすでにホッパー１０２内に存在するときにセメント系材料に添加され、それによって安定化セメント系材料の容器が供給される。代わりに、後述するように抑制剤を下流で添加することが可能である。

図２は、プリントヘッド１０１と、ノズル１３及びプリントヘッド１０１の多軸回転とをより詳細に示している。プリントヘッド１０１は、モーター７、ギアボックス８、一方向軸受９、セメント系材料のための積層ヘッド６（ここでは「第１の」積層ヘッドとも記載される）及びそのノズル１３、並びに、支持材料のための第２の積層ヘッド１１及びそのノズル１２から成る。図２ａ及び図２ｂに示すように、プリントヘッド１０１は、図２の平面に直交する軸の周りに回転可能である。ロボットアームアセンブリ１の回転自由度は、第１及び第２の積層ヘッド６、１１が、材料を面１０４又は１０５ａ又は１０５ｂに対して積層させるために配置されること、及び、各軸の範囲内で形成されている面１０４、１０５ａ、１０５ｂに対して垂直であり続けることを可能にする。これは、ノズル１２、１３と印刷された面（例えば特に凹面１０５ａ）との間の衝突の危険を最小限にしながら、凹状又は凸状に湾曲した面１０５ａ、１０５ｂの形成を可能にすると共に、水平層１０４を形成するための固定された垂直の方向付けを可能にしている。

図３はさらに、プリントヘッド１０１及びセメント系材料搬送機構の詳細を示している。ピストン５は、空気吸入口１７からの空気によって駆動されるピストンシリンダ１６を有している。ピストンシリンダ１６は、容器４内でピストンロッド１０７を通じてピストンヘッド１０６を動作させるように構成されている。ピストンヘッド１０６は、密封リング２０及び１つ又は複数のマグネット１９を含んでおり、当該マグネットは、磁気スイッチ２２Ａ、２２Ｂを接近によって作動させ、ピストンヘッド１０６の第１及び第２の位置を示すように構成されている。スイッチ論理回路２１は、磁気スイッチ２２Ａ、２２Ｂの状態を監視し、フィードバックをメインコントローラ１１０に提供するように構成されている。

搬送パイプ３は、セメント系材料を搬送するために、容器４の端部に連結されている。プリントヘッド１０１上のセメント系材料積層ヘッド６は、移送ホース１８によって容器４に連結されており、当該移送ホースは、クランプ２５、２７によって積層ヘッド６に固定されている。ポンプローラプレート２３は、複数のローラ２４を担持し、軸１０８の周りに回転するように構成されており、それによってそれぞれのローラ２４が、移送ホースを、蠕動ポンプの設計に似た湾曲したプレッシャーシュー２８に対して連続的に押し付けることが可能である。

使用中には、空気吸入口１７を通る空気を注入してピストンシリンダ１６を動作させ、ピストンヘッド１０６をスイッチ２２Ｂの方へ押し込み、それによって安定化セメント系材料は容器４から吐き出され、移送ホース１８を通って積層ヘッド６へと搬送される。移送ホース１８内のセメント系材料は、図３に示されたように右回りに回転するポンプローラプレート２３上のローラ２４によって押出され、当該セメント系材料はノズル１３を通って押出される。ピストンヘッドマグネット１９が低い方のスイッチ２２Ｂを作動させた場合、スイッチ論理回路２１は、メインコントローラ１１０に信号を送り、空気吸入口１７を通じた空気の注入を停止させ、搬送パイプ３を通じて材料を圧送する。それによって、セメント系材料は容器４内に圧送され、当該容器は再び満たされる。これは、空気を第２の空気吸入口１７Ａに注入し、ピストンシリンダ１６及びピストンヘッド１０６を上方へ動かすことによって支援され得る。メインコントローラ１１０は、容器４を再充填している間に、ポンプローラプレート２３の回転及びロボットアームアセンブリの運動を停止させて、容器の再充填が完了した後の運転が再開される前に、再充填のための時間を与えても良い。抑制剤は、容器４への装入を行う際に当該セメント系材料に添加され得る。

このピストンの配置は、好ましくは、積層ヘッド６及び／又はノズル１３に一定の圧力を供給する。この機能は、別の選択肢として、圧力並びに容器からの材料のフロー又は積層ヘッド及び／若しくはノズルへの供給の制御に適したあらゆる機構によって実行され得る。例えば、ブラダー又はダイヤフラムに基づくシステムを用いることが可能である。

メインコントローラ１１０は一般的に、ノズル１３を通るセメント系材料の流量を、ノズルの動き又は割出しに合わせて制御する。

図３はまた、挿入された図３ａにおいて、プリントヘッド１０１の正面図も示しており、当該プリントヘッドは図の主要部分において末端横断面で描写されている。

記載された搬送機構で使用されるセメント系材料は、すでに述べたように任意の適切なタイプであって良いが、好ましくは、加工性、ポンプ能力、押出し性、印刷適性及びビルダビリティ等の基準に従って開発されるべきであり、３次元コンクリート印刷プロセスに最適化される。

図４は、光学的測定装置３２を用いたリアルタイムのフィードバックシステムを描写していると共に、さらに促進剤及び／又は軟骨材料を搬送するためのプリントヘッド１０１の特徴も示している。

当該フィードバックシステムは、光学センサ３２、測定プロセッサ３３及びロボットアームアセンブリ１のメインコントローラ１１０とのインターフェース３４を含む。光学センサは、材料の層が積層ヘッド６及び１１のどちらかからの押出しによって形成されるのを観察するための１つ又は複数のカメラを含んでいて良い。光学センサ３２（又は複数のセンサ）は、固定されていても良いし、又は、ロボットアームアセンブリ１の一部に取り付けられていても良いし、又は、プリントヘッド１０１に取り付けられていても良い。別の選択肢としては、１つの光学センサ又は複数の光学センサ３２は、単独で移動可能又は割出可能な構造物に、例えば単独の軌道又はロボットアームに取り付けられ得る。カメラ等の光学センサ３２は、好ましくは、積層ヘッド６、１１のいずれか１つ又は両方によって積層された材料の質感、立体形状又は平面形状に関する情報を取得するように構成されている。

使用中には、フィードバックシステムは、すでに形成された層の垂直、水平又はその他の変形だけではなく、積層の間における（例えばセメント系材料又は後述するその他の材料の）押出されたビードの連続性、幅、高さ及び反射率の内のいくつか又は全てを測定して良い。フィードバックシステムは、押出されたビード及び／又はすでに形成された層の表面仕上げと質感と３次元位置に関する情報を、コンピュータモデルから生成された指示を参照して監視しても良い。このような情報は、測定プロセッサ３３内でリアルタイムで処理され、設定パラメータに関する何らかの変動は、積層プロセス、圧送スピード、移動速度を、ロボットインターフェース３４の制御及びシステムの中断等によって変化させて良い。設定パラメータに関する変動は、材料が積層されるときに「オンザフライ」にもたらされるので、搬送装置へのリアルタイムのフィードバックが存在し、それによって積層されている現在の層を積層するために用いられている現在のパラメータが制御される。別の選択肢として、設定パラメータに関する変動を、未来のパラメータを制御するために、例えば次に積層される層に関して、先の１つ又は複数の層の所望の断面からの逸脱を「修正」又は「修理」するためにもたらしても良い。設定パラメータに関する変動は、積層されている材料の流量、高さ又は位置を制御するために、ポンプ又はノズル又はロボットアームアセンブリ等の積層装置の動作パラメータのいずれかを含んでいて良い。

プリントヘッド１０１又は搬送機構はさらに、促進剤（「急結剤」）のためのコンテナ２９及び軟骨材料のためのコンテナ３０を含んでいて良い。コンテナ２９、３０はそれぞれ、搬送パイプ１１１、１１２及び測定プロセッサ３３の制御下にある電磁弁３１を通じてノズル３５に連結されている。ノズル３５は、多室型ノズルの形でセメント系材料ノズル１３に統合されて良い。別の選択肢として、ノズル３５は、セメント系材料ノズル１３に隣接するか、同心であって良く、例えばシュラウド（shroud）を形成している。

したがって促進剤及び／又は軟骨材料は、ノズル３５を通って搬送されて良く、当該ノズルは、セメント系材料ノズル１３と同心であるか、セメント系材料ノズル１３に隣接しているか、又は少なくともセメント系材料ノズル１３を部分的に囲んでいる内の１つ又は複数の状態にある。促進剤ノズル及び／又は軟骨材料ノズル３５は、セメント系材料ノズル１３の周囲に周方向シュラウドを含んでいて良いか、又は、セメント系材料ノズル１３内に組み込まれて良い。これによって、軟骨材料が好都合なことにセメント系材料と同時に層内に蓄積されるか、又は、軟骨材料にセメント系材料が散在するか、又は、軟骨材料が１つ若しくはそれぞれのセメント質層に対する基層、中間層、若しくはキャップ層として蓄積されることが可能になる。例えば軟骨材料は、ラテックス、ゼラチン、ビニル、金属（例えば導電性、仕上げ、又は構造強化のため）、発泡体（例えば断熱のため）、樹脂、粉末、布地、染料、インク及びその他の表面仕上げ又は特性強化材料を含み得る。

使用中には、電磁弁３１は、ノズル３５を通じて積層されるべき促進剤及び軟骨材料のコンテナ２９、３０からの搬送を制御する。図４に係る促進剤及び軟骨材料の搬送システムは、重力送りシステムとして示されている。しかしながら、これらの内どちらか１つを圧送システムで代替することも可能である。例えば、蠕動ポンプは、促進剤又は軟骨材料の片方又は両方のノズル１３への搬送を測ることができる。

このように、一般的な態様においては、コンテナ２９、弁３１、搬送パイプ１１１及びノズル３５又は１３は、促進剤を安定化セメント系材料に適用する例示的手段を提供しており、メインコントローラ１１０、インターフェース３４は、タイミングの流量及び促進剤の適用割合を制御する装置を例示している。

建築（セメント系）材料のための促進剤は、硫酸塩、アルミニウム塩及びジエタノールアミンを含んでいて良く、セメント系材料の凝結時間を制御するために選択可能である。促進剤は、例えばアミノトリス（メチレンホスホン酸）、クエン性及びホルムアルデヒドによって形成された抑制剤と混合されて良く、それによって層のビルダビリティを保証するのに十分なオープンタイムが確保される。好ましくは、ホッパー１０２に供給され、積層ヘッド６に搬送されたセメント系材料と前もって混合される抑制剤もある。これは、セメント質の建築材料を使用するためにより長いオープンタイムを供給する。好ましくは、促進剤は抑制剤よりも後に、例えばノズル１３において添加され、それによって材料の積層後の硬化時間が短縮される。

図４のコンテナ２９、３０内の促進剤及び軟骨材料を、低圧状態でコンテナ２９、３０内に保持して良い。電磁弁３１が励磁され、材料がコンテナ２９又は３０のいずれかからノズル３５内へ流れることが可能になるとき、すでに配置された表面上への積層は、選択されたコンテナ２９、３０からの材料でコーティングされる。すでに言及したように、ノズル３５はシュラウドを含んでいて良く、当該シュラウドは、内部で分離したセグメントから構成されて良いと共に、回転可能であって良く、それによって建築中のワークピースに沿って積層ヘッド６が移動する方向に合わせられる。このように、一般的な態様では、プリントヘッド１０１はコンテナ２９、３０、電磁弁３１、搬送パイプ１１１、１１２及びノズル１３、３５と共に、促進剤のための容器、軟骨材料のための容器及び促進剤と軟骨材料とを押出しのためにノズルに搬送するための手段を提供する。

図５は、支持材料のための積層ヘッド１１の詳細をさらに示している。支持材料の例としては、結合剤及び砂があり得る。結合剤は、結合剤ポンプ３７及び混合チャンバ１１５の結合剤入口３８によって混合チャンバ１１５に連結された結合剤コンテナ３６内に貯蔵される。支持材料（例えば鋳物砂）は、図示されていない適切なコンテナから、砂入口３９を通って搬送され得る。混合チャンバ１１５は、砂と結合剤とを混合するための混合パドル４１、４２を含む。パドル４１、４２は、適したモーター４６及びシャフト１１７によって回転され、当該シャフトはノズル１２内のアンチロッジングロッド（anti-lodging rod）６６も回転させる。プレート４３Ａ、４３Ｂは開口部４３を有する。

使用中には、混合された砂及び結合剤は、開口部４３を通ってプレート４３Ａ、４３Ｂに流れる。当該プレートの寸法を調節することが可能であり、それによって混合された材料が落下して通過する割合が制御され、混合チャンバ１１５内での混合時間が制御され、混合度合が維持される。次に、混合された材料はノズル１２を通じて押出される。混合チャンバ１１５内の支持材料の量は、スリット１１９を有する回転シリンダ１１８を含む計測ユニット４０によって制御され、支持材料の流量は、可変磁気抵抗ピックアップ４７及びポンプ速度制御回路４８によって測定及び制御される。シャフト１１７、混合パドル４１、４２及びアンチロッジングロッド６６が回転するとき、可変磁気抵抗ピックアップは回転速度にしたがって可変周波数信号を生成する。可変磁気抵抗ピックアップによって行われる測定は、別の選択肢では、例えばホール効果装置又は光学装置等のその他の装置によって行われ得る。この可変周波数信号は周波数‐電圧変換器に入力された後、パルス幅変調回路（ＰＷＭ）に入力され、結合剤ポンプ３７を駆動する。結合剤ポンプは、好ましくは、砂と結合剤との所望又は一定の比率を維持するために駆動される。アンチロッジングロッド６６の回転は、ノズル１２の内部に残留物が蓄積されるのを防止する。

一般的な態様では、混合チャンバ１１５は、ノズル１２に搬送するための支持材料の容器の例を提供し、メインコントローラ１１０はさらに、支持材料のノズルへの流量をモーター４６及び結合剤ポンプ３７によって制御している。

支持材料のための促進剤又は「活性剤」を、促進剤搬送パイプ４４を経由してノズル１２に搬送して良い。図示されているように、ノズル１２はマルチポートノズルであって良く、支持材料のための活性剤を搬送するためのシュラウドノズル設備４５を含んでいて良い。したがって、活性剤をノズル４５を通して搬送して良く、当該ノズルは支持材料ノズル１２と同心であるか、支持材料ノズル１２に隣接しているか、又は少なくとも支持材料ノズル１２を部分的に囲んでいる内の１つ又は複数の状態にある。図示された設備では、活性剤ノズル４５は、支持材料ノズル１２の周囲に周方向のスロットを含んでいて良い。その他の設備では、活性剤は支持材料ノズル１２内で支持材料に混合される可能性がある。

上述したような設備は、ＣＯ_２等の気体状材料で凝結する鋳物砂又はその他の適切な粉末材料を計量分配するのに理想的に適している。例えば入口３９からの砂を結合剤コンテナ３６からの湿った結合剤材料（例えば水）と混合する積層ヘッド１１によって形成された湿った砂は、ＣＯ_２で凝結する。これによって、支持材料が、セメント系材料の場合と同じように、好都合なことに層内に蓄積されることが可能になる。すでに論じたように、積層の後、例えば品物を作製した後又はセメント系材料の後続の層を積層した後に取り除かれ、場合によってリサイクルされ得る支持材料を用いて良い。例えば、砂をベースとする支持材料を、プロセスの後半に水で洗い流すことが可能である。

支持材料のための活性剤の一例は二酸化炭素（ＣＯ_２）であって良く、二酸化炭素は、混合された支持材料に低圧下で適用され、乾燥を生じさせることによって、ケイ砂とケイ酸ナトリウムとの間の反応を促進する。促進剤を、６ｍｍパイプ４４を備えた外部のシリンダ（図示せず）から、電磁弁（図示せず）を通って、シュラウド４５を経由して排出ノズル１２まで搬送して良い。こうして、支持材料は、積層の間に活性化され得る。

図６は、支持材料の砂成分を搬送するための機構の詳細をさらに示している。乾燥ケイ砂等の支持材料は、気圧計５８及びニードル弁５０を通じて加えられる低圧圧縮空気を用いて、バルクコンテナ４９から搬送チューブ５５を通って、ロボットアームアセンブリ１の先端近くに取り付けられた小容器５６に吹き込まれる。容器５６からの排気は、ニードル弁５２及びエアチューブ５４によって調節され、それによって、乾燥砂が支持材料のための積層ヘッド１１へ向かう速度が減少する。支持材料の積層が行われていない間は、容器５６が満ちている場合、容器５６に合わせた重量センサ５７が、ニードル弁５１及びエアチューブ５３を用いて砂のフローを停止させる。バルクコンテナ４９、結合剤コンテナ３６及び混合チャンバ１１５の内１つ又は複数が、支持材料の容器の一例であっても良い。

すでに述べたように、セメント系材料を鮮度を保つために攪拌して良い。図７は、攪拌設備１２０の詳細を描写しており、当該設備においては、セメント系材料の連続的又は断続的な攪拌が可能である。攪拌設備１２０を、セメント系材料搬送経路中のあらゆる適した位置に配置して良く、例えば図１に示したホッパー１０２及びウォームポンプ２アセンブリに、又はその下流に配置して良い。セメント系材料は、混合又は攪拌パドル６２及び振動機６５を含むコンテナ５９に搬送される。混合又は攪拌パドル６２は、モーター６０によってシャフト６１を用いて回転可能である。コンテナ５９内での材料の攪拌は、シャフト６１及び混合パドル６２を駆動するモーター６０によって、並びに、コンテナ５９を振動させる振動機６５によって行われる。パドル６２は特定の表面積を有しているので、動かすのにある程度の力を必要とする。材料の剛性を示す力は、トルク測定ユニット６３によって測定され得る。力測定プロセッサ６４は、パドル６２を回転させるのに必要なトルクを監視し、プロセスパラメータと振動機６５の振動数及び振幅とを調整し、セメント系材料のフローを支援する。

このように、一般的な態様では、攪拌パドル６２及び／又は振動機６５は、セメント系材料又は安定化セメント系材料の攪拌に適した攪拌手段の一例を成す。

図８は振動ノズル設備１２１を示しており、当該設備は、材料が積層されているときに材料を圧縮し、表面仕上げだけではなく湿った材料に関する層間結合を改善するように構成されている。振動ノズル設備１２１は、建築（セメント系）材料か又は支持材料かを積層するために配置され得る。すなわち、当該振動ノズル設備は、図２及び図３ａのノズル１３又はノズル１２に組み込まれ得る。

図８の例示は、セメント系材料ノズルとして用いられる振動ノズル設備１２１を示している。セメント系材料を、ホース１８又はローラポンプ２４等のその他の導管を通じて搬送して良い。ホース１８は、ノズルヘッド１２２内に保持され、振動機１２３によって垂直に（図中で方向付けられたように）振動させられる。すなわち、振動は、ホースの長手軸に平行な方向、かつ、押出しの方向において生じる。振動機１２３は、ワイヤ６７を通じて電力供給装置に接続された圧電スタックであって良い。振動機１２３が固定された状態であり続ける間、より大きな振幅のために、音声コイル又は機械的動作を用いることも可能であるか、又は、代替的に用いることが可能である。より小さな振幅に関しては、正確な材料の制御のために、超音波振動を積層ヘッドノズルに適用することも可能であるか、又は、代替的に適用することが可能である。

このように、一般的な態様において、図８は振動可能なノズルを提供している。当該振動ノズルは、ノズル軸に対して平行な方向においてノズルを振動させるように構成され得る。この文脈においては、当該ノズル軸は、ホースの長手軸及び押出し方向に対応している。振動ノズルは、ノズルを通して押出される材料のフローを改善するか、又は、押出された材料を圧縮して良い。振動ノズルは、ノズル軸に対して直交する方向においてノズルを振動させるように構成され得る。これによって、転圧無しで表面の品質が異なる結果になる可能性がある。

図９ａ及び図９ｂは、可変ビード寸法及び可変ビードアスペクト比をもたらすように構成された可変直径ノズル１３０を示している。これによって、特定のジオメトリに関する充填の密度を増大させることが可能であり、迅速な動的システム応答がもたらされる。

可変直径ノズル１３０は、建築（セメント系）材料か支持材料かを積層するために配置され得る。すなわち、図２及び図３ａのノズル１３又はノズル１２に組み込まれ得る。

図９ａ及び図９ｂの例示は、セメント系材料ノズル１３として用いられる可変直径ノズル１３０を示している。セメント系材料を、ホース１８又はローラポンプ２４等のその他の導管を通じて搬送して良い。ホース１８は、ノズル１３０内のホースハウジング１３２に連結されており、当該ホースは、閉動作を最大化するために切り込まれた多軸スロット１３１を有している。図９ａ及び図９ｂが示すように、軸方向スロット１３１は、好ましくはホースの長手軸に対してわずかに斜めでもあり、好ましくはホースの半径方向に対して若干斜めでもある。

モーター及びギアボックス６８は、連結されてピニオンギア６９を回転させる。当該ピニオンギアは、リムロック７１に取り付けられたリングギア７０に係合し、回転させる。スレッド７３は、リングギア７０とリムロック７１とを連結させる。リングリムロック７１及びホースハウジング１３２のそれぞれ補完的に先細になった断面７５は、リムロック及びノズル１３がスレッド７３を用いて互いに軸方向に配置されている場合に、ホースハウジング１３２の遠心端７２の圧縮を引き起こす。それによって、ホースハウジング１３２の端部及びホース１８の半径が減少又は増大し、可変直径ノズル１３０が画定される。

可変直径ノズルのその他の設定は、ノズルの形状／横断面を変更し得るものであると想定して良い。したがって、「可変直径」ノズルという表現は、当該ノズル内でノズル端部の少なくとも１つの横断面寸法を変更できるノズルを包含することを意図している。当該横断面は円形又は楕円形である必要はないが、長方形又はその他の多面形状であり得る。ホースはその中にスロットを有する必要はないが、収縮又は拡張するためにはホース材料の柔軟性、可塑性又は弾性に依存し得る。

その開口部の形状及び／又は寸法が自動的に調節可能であり、それによって押出された材料の横断面を制御下で連続的に変化させる可変直径ノズルは、積層される材料の層が、１つ又は複数のビードの形成を必要とし、当該ビードは印刷された材料の層にとって標準的なビード寸法よりも小さい又は小幅であることが必要な場合に、特に有用であり得る。これによって、印刷されたビードについて異なる解像度が要求される場合に、部分的な間隙を残す必要、又はノズルを変更する必要が回避される可能性がある。

メインコントローラ１１０は、材料のノズル１２、１３、３５、４５への流量及び当該ノズルからの押出し率等の、光学センサ３２から受け取る情報／フィードバックに基づいて、搬送装置１００の任意の機能を制御するために用いられて良い。１つ又は複数の光学センサは、装置１００によって印刷されている層の質感、立体形状又は平面形状を監視するのに適した他のタイプのセンサと交換されるか、又は、当該センサによって補充され得る。例えば、電磁スペクトルの他の部分又は超音波を用いたセンサを用いることが可能である。

所定の経路に沿ってノズルを割出すための手段については、一般的に、旋回部を有するロボットアームがその例として挙げられてきたが、この機能を、ノズル１２、１３、３５、４５を空間での要求された場所かつ要求された角度に操作することが可能な、任意の適したロボットアームアセンブリ又は構造体によって行うことが可能である。例えば、プリントヘッド１０１にｘｙｚ軸ステージを提供するガントリーシステムが用いられ得る。当該ガントリーシステムは、垂直に進む２つの支持ビームを有する４つのコラムを含んでいて良い。これら２つの支持ビームは順々に、第３のビームを支持する。第３のビームは、プリントヘッドを支持する１つの水平軸に沿って進む。プリントヘッドは、第３のビームに沿って、もう一方の水平方向に進むことができる。当然のことながら、その他の設定も可能である。

特定用途向け回路を代わりに、又は、追加で配置することが可能ではあるが、メインコントローラ１１０は、好ましくはコンピュータ制御手段である。メインコントローラは、単独の中央ユニットであるか、又は、装置１００の様々な部材の間で分配され得る。

好ましい態様のセメント質積層ヘッドノズル１３及び支持材料積層ヘッドノズル１２が、プリントヘッド１０１（図２）上で異なる角度を有しており、当該ヘッドノズルはそれぞれ表面１０４に積層するための位置（図２ａ及び図２ｂ）に回転させられ得ると示されてきたものの、セメント系材料ノズル１３及び支持材料ノズル１２が代替的に同じ方向付けで供給され得ること、及び、これらが直接互いに隣接し合っており、それによって、例えば、同時の積層又はセメント系材料の積層と支持材料の積層との間のより速い切り替えがもたらされ得ることが理解されるであろう。

「プリント」タイプのプロセスにおいて、セメント系材料及び支持材料の両方を搬送できることの利点は、セメント系材料の体積及び質量を減少又は最小化させて、使用する位置に搬送することが可能であり、それによって、建築及び後処理の費用と時間、片付け及びリサイクルの時間を削減できる点にある。セメント系材料及び支持材料両方の搬送経路は、同じプリントヘッドへの搬送及び同じプリントヘッドからの搬送のために、別々に最適化され得る。これによって、中空パネル及び中空構成要素を含む構造体と、二重に湾曲した構造体の形成が可能になる。積層プロセスを、例えば滑らかな表面を形成するために、タンピング、又は振動／揺動器具、空気ジェット又はそれらの組み合わせといった、その他の表面処理又は表面加工技術と組み合わせることが可能である。

その他の態様は、添付された請求項の範囲に意図的に含まれる。

１ ロボットアームアセンブリ
２ ウォームポンプ
３ 搬送パイプ
４ 容器
５ ピストン
６ セメント系材料のための積層ヘッド
７ モーター
１１ 支持材料のための積層ヘッド
１２、１３ ノズル
１６ ピストンシリンダ
１８ 移送ホース
２１ スイッチ論理回路
２２Ａ、２２Ｂ 磁気スイッチ
２９、３０ コンテナ
３１ 電磁弁
３２ 光学センサ
３３ 測定プロセッサ
３４ インターフェース
３５ ノズル
３６ 結合剤コンテナ
３７ 結合剤ポンプ
３８ 結合剤入口
３９ 砂入口
４１、４２ 混合パドル
４４ 促進剤搬送パイプ
４５ ノズル
１００ 搬送装置
１０１ プリントヘッド
１１０ メインコントローラ

Claims (22)

1. 各層の形成が、
   セメント系材料を供給するステップ；
   前記セメント系材料をノズル（１３）まで搬送するステップ；
   前記ノズルを所定の経路に沿って割出しするステップ；及び
   前記ノズルを通じた押出しによって前記セメント系材料を加工面（１０４）に適用するステップを備え、
   これらの前記ステップは、構造体の付加的な層それぞれについて必要なだけ繰り返される、多層工法であって、
   前記多層工法は、
   前記セメント系材料の適用と実質的に同時に、支持材料を、前記セメント系材料に接している層において、セメント系材料が望まれない領域に適用するステップであって、それによって、前記支持材料が、前記セメント系材料と共に、構造体の次の層のための加工面を提供する、ステップと、
   後続の層がセメント系材料の層の１つであるべき領域において、支持層の上面に軟骨層を適用するステップ、又はその逆のステップと、
   をさらに備える、多層工法。
2. 前記セメント系材料が安定化セメント系材料である、請求項１に記載の工法。
3. 前記セメント系材料がコンクリート材料である、請求項１又は２に記載の工法。
4. 前記セメント系材料に促進剤が適用されるステップをさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の工法。
5. 前記安定化セメント系材料が、振動、攪拌、又は混合によってかき混ぜられる、請求項２に記載の工法。
6. 前記所定の経路に沿った前記ノズルの前記割出しは、コンピュータによって制御される、請求項１から５のいずれか一項に記載の工法。
7. 前記支持材料が砂ベース材料である、請求項１に記載の工法。
8. 前記支持材料を活性剤に曝すステップをさらに備える、請求項１に記載の工法。
9. 前記活性剤が気体状材料であり、前記支持材料が前記気体状材料で凝結可能な鋳物砂又はその他の適切な粉末材料である、請求項８に記載の工法。
10. １つ又は複数のカメラの使用をさらに備え、前記カメラによって、前記加工面の表面質感及び／又は変形に関するリアルタイムの情報が取得され、前記情報は、適用される現在の層に対しての必要な適用条件を決定するのに用いられる、請求項１から９のいずれか一項に記載の工法。
11. 前記適用条件は、ノズルの寸法、ノズルの方向付け、セメント系材料の流量、ノズル割出しの速度、及び、促進剤の適用の割合又はタイミングの内１つ又は複数である、請求項１０に記載の工法。
12. セメント系材料の容器（４）であって、セメント系材料ノズル（１３）と機能的に結合している容器（４）と、前記セメント系材料ノズルを所定の経路に沿って割出すための手段（１）と、前記容器から前記セメント系材料ノズル（１３）への前記セメント系材料のフローを制御し、かつ、前記セメント系材料を前記セメント系材料ノズルから押出すための手段（５）とを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の多層工法を実行するための装置（１００）であって、前記装置（１００）は、
    支持材料の容器（４９、３６、１１５）であって、支持材料適用ノズル（１２）と機能的に結合している容器（４９、３６、１１５）と、前記支持材料適用ノズルを所定の経路に沿って割出すための手段（１）と、前記容器（４９、３６）から前記支持材料適用ノズル（１２）への前記支持材料のフローを制御し、かつ前記支持材料を前記支持材料適用ノズルから押出すための手段（３７、４６、１１０、１１５）と、
    軟骨材料の容器（３０）であって、軟骨材料適用ノズル（３５）と機能的に結合している容器（３０）と、前記軟骨材料適用ノズルを所定の経路に沿って割出すための手段（１）と、前記容器（３０）から前記軟骨材料適用ノズルへの前記軟骨材料のフローを制御し、かつ前記軟骨材料を前記軟骨材料適用ノズルから押出すための手段（３１）と、
    をさらに備え、
    前記装置は、前記セメント系材料の適用と実質的に同時に、支持材料を、前記セメント系材料に接している層において、セメント系材料が望まれない領域に適用し、それによって、前記支持材料が、前記セメント系材料と共に、構造体の次の層のための加工面を提供するとともに、後続の層がセメント系材料の層の１つであるべき領域において、前記支持層の上面に軟骨層を適用する、又はその逆も同様となるように、さらに構成されている、装置（１００）。
13. 促進剤を前記セメント系材料に適用する手段（２９、１１１）をさらに備える請求項１２に記載の装置。
14. 攪拌手段（６１、６２、６５、１２３）をさらに備え、前記攪拌手段は前記セメント系材料の容器（４）、及び／又は、前記容器（４）と前記セメント系材料ノズル（１３）との間の機能的結合（１８）に機能的に関連している、請求項１２又は１３に記載の装置。
15. コンピュータ制御手段（１１０）をさらに備え、前記制御手段は前記ノズルの割出しと、前記セメント系材料の流量と、促進剤の適用タイミング及び割合とを制御する、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記割出し手段はロボットアーム（１、１０３）を備える、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 前記ロボットアーム（１、１０３）は、３つの独立した軸に沿った割出しが可能であると共に、前記ノズル（１３、１２）の多軸回転も可能である、請求項１６に記載の装置。
18. 活性剤を前記支持材料に適用するための手段（４４、４５）をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
19. 前記活性剤を適用するための手段が、気体状材料を前記支持材料適用ノズル（１２）に搬送するための手段（４４、４５）を備える、請求項１８に記載の装置。
20. １つ又は複数のカメラ（３２）をさらに備え、前記１つ又は複数のカメラは、ロボットアーム（１）に取り付けられて静止しているか、又は、独立して前記押出しノズルを追跡するために割出可能であり、前記カメラは質感、立体形状又は平面形状に関する情報を取得することが可能であり、前記１つ又は複数のカメラは、前記情報を前記コンピュータ制御手段（１１０）に伝達することが可能であり、前記コンピュータ制御手段は前記情報を解釈した後、前記情報を、１つ又は複数の前記押出しノズルと、１つ又は複数の前記容器から１つ又は複数の前記ノズルまでの１つ又は複数の材料のフローとの制御を通知するために用いることができる、請求項１５に記載の装置。
21. 前記ノズルの内のいずれか１つ又は複数は振動可能なノズル（１２１）を備える、請求項１２から２０のいずれか一項に記載の装置。
22. 前記ノズルの内のいずれか１つは可変直径ノズル（１３０）を備える、請求項１２から２０のいずれか一項に記載の装置。

Images