「未来を築く：建設における3Dプリンティングの可能性を探る」
コンピューター支援のデジタルファイルから3次元の固体製品を作ることは、アディティブマニュファクチャリングとしても知られる3Dプリンティングとして知られています。
当初、「3Dプリンティング」という用語は、インクジェットプリンターヘッドを使用して、粉末床にバインダー材料の層を重ねて堆積させるプロセスを指していました。ただし、この定義は現在、選択的レーザー溶融や電子ビームアディティブマニュファクチャリングなど、より広範囲のアディティブマニュファクチャリングプロセスを包含しています。
1980年代初頭、日本の発明家、小玉秀男が、3次元プラスチックモデルを作成するための2つのアディティブ技術を開発し、これがアディティブマニュファクチャリングのアイデアを生み出しました。彼は、光硬化性熱硬化性ポリマーを使用して3Dプリント構造を作成しました。
サンプルレポートへのアクセス（グラフ、チャート、図を含む）： https://univdatos.com/report/3d-printing-filament-material-market/get-a-free-sample-form.php?product_id=35768
3Dプリンターとは？
簡単に言うと、3Dプリンターは、CAD（コンピューター支援設計）を採用し、3Dテクノロジーを利用して、溶融プラスチック、粉末、コンクリートなど、さまざまな材料から3Dアイテムを製造します。卓上に置ける小さな建物モデルから、さまざまなサイズと設計の3Dプリンターを使用して、3Dプリント住宅を作成できます。3Dプリンターには3つの基本カテゴリーがあり、それらはすべて多少異なる動作をします。
3Dプリンターの種類
· 光造形方式（SLAプリンター） – 光造形（SLA）技術を使用する3Dプリンターは、液体樹脂をプラスチックに変えることができます。
· 選択的レーザー焼結方式（SLSプリンター） – SLSプリンター（選択的レーザー焼結）：これらのプリンターは、レーザーを使用してポリマー粉末粒子を焼結して固体構造にします。
· 熱溶解積層方式（FDMプリンター） – これらのプリンターは、加熱されたノズルから溶融熱可塑性フィラメントを放出することにより、層状のものを作成します。3D建築アプローチは、これらのプリンターが最も頻繁に使用される場所です。
3Dプリンティングは建設業界にどのように適用されますか？
1980年代以降、3Dプリンティング技術についてはいくつかの疑問が提起されています。しかし、材料の連続する層を重ね合わせることによって3次元オブジェクトの構築を可能にする方法自体の進歩により、その関連性が高まっています。この構築方法は非常に適応性があり、特定のプロジェクト要素の構築や、住宅や居住空間、オフィス、橋、壁、モジュール構造、補強型枠、柱、都市家具、さらには装飾要素など、さまざまな複雑な構造全体の構築に使用できます。
この技術を建設に実装するために必要な知識の大部分は、設計段階から得られます。3Dプリンティング技術の統合は、セクターがすでにコンピューター支援製造の専門知識を持っており、BIM（Building Information Modeling：ビルディングインフォメーションモデリング）が建設業界で繁栄しているため、それほど難しくありません。3Dプリンターは、CADまたはBIMプログラムから必要な情報を取得し、マシンは信号に従って材料レベルのオーバーレイを開始します。これは、砂、繊維、ジオポリマー、コンクリートの混合物である最も人気のあるさまざまな材料を使用して行うことができます。
Research and Marketsによる調査によると、3Dプリンティングは過去10年間で非常に肯定的な方向に進歩しており、建設業界におけるその市場価値は2028年までに最大1,034,096.7千米ドルに達すると予測されています。これにより、2021年から2028年までの複合年間成長率は91.5％増加します。
建設における3Dプリンティングの世界的な動向
建設とより良いインフラストラクチャの需要は、特に大都市でますます高まっています。人口の3％しか都市に住んでいなかった1800年と比較して、1900年までに都市に住む人が15％増加しました。世界経済フォーラムは、2050年までに世界人口の3分の2が主要都市に居住すると予測しており、これは現在の55％の割合から増加しています。
3Dプリンティングの使用をサポートする多数の政府主導の取り組みが現在、グローバルベースで構築されています。建物の25％を2030年までに3Dプリンティング技術で作成する必要があるドバイは、この競争で先頭を切ることを選択した都市の1つです。
図表1
図表2
建設における3Dプリンティングで利用可能なテクノロジー
ロボットアームエクストルーダー
ロボットアームエクストルーダーは、現在市場に出回っている3Dプリンティング技術の中で人気があります。このテクニックは、コンタークラフトと呼ばれています。これは、デスクトップFDM 3Dプリンターと同様に機能します。レールは、ロボットアームがノズルから出てくるコンクリートを押し出しながら、層ごとに通過できるようにパターンで設定されています。このXL建物の3Dプリンティング方法は、最も人気があります。
砂を使った3Dプリンティング
SLS（選択的レーザー焼結）やJet Fusionなどの産業用3Dプリンティングプロセスは、ここで説明する3D手順に匹敵します。彼のD-Shape 3Dプリンターでテストしたのは、イタリアの建築家エンリコ・ディニが最初でした。機械は、バインダーを使用して建設の形状を固める前に、表面を砂粉でコーティングします。これは、金属3Dプリンターの動作に匹敵します。
金属技術
WAAM（Wire Arc Additive Manufacturing：ワイヤーアークアディティブマニュファクチャリング）は、橋などのより大きな応力がかかる構造用に、オランダのスタートアップ企業であるMX3Dによって開発されました。同社は産業用ロボットと溶接機を組み合わせ、その結果、タスク用に特別に作成されたソフトウェアで動作する3Dプリンターが誕生しました。ロボットには、3Dプリンティング金属構造用の6軸構成があります。
建物への3Dプリンティングの利点
· 設計の柔軟性の向上 – 複雑な設計の作成は、3Dプリンティングが対処できる重要な建築上の課題です。複雑で困難な設計を実行するようにプログラムできるコンピュータープログラムが、建物の3Dプリンターで使用されています。
· BIMへの適応 – BIM 3Dテクノロジーの使用を通じて、ビルディングインフォメーションモデリングは、建物の設計を変革しました。実際に建設される前に、巨大な建物や構造物の画像を表示します。このブレークスルーは、BIMと統合し、ほぼ完璧な精度で複雑な設計を実行することにより、建設3Dプリンティングによって前進させることができます。
· ヒューマンエラーの削減 – 3Dプリンティングの基礎は、人間の影響を受けない事前プログラムされた自動操作です。これにより、本質的に人間が引き起こす間違いがなくなります。さらに、3Dプリンターは多くの人間の監視を必要としません。
· グリーンビルディング建設の支援 – 最も人気のあるタイプの建物は、急速にグリーンに移行しています。建設会社は、気候変動に対する意識の高まりの結果として、グリーン建設方法を使用し始めています。廃棄された再利用された建設材料を使用して3Dプリント構造を製造することにより、3Dプリンターはこの取り組みにおいて重要な役割を果たすことができます。
3Dプリント構造の欠点
· 高い電力消費 – 3Dプリンターは、他の従来の建設技術よりも多くの電力を使用します。このような高容量で電力を生成することの環境コストに加えて、電力に対するこのような大きな需要を満たすことは費用がかかります。
· 3Dプリンターは高価です – このテクノロジーはまだ初期段階にあるため、3Dプリンティングを使用することは現在経済的に実現可能ではありません。建築構造用の3Dプリンティング施設を設置するために必要な初期投資は大きく、現在の構成では、主要な建設部門に実装するには高すぎます。
· 材料の不足 – 通常の建築用品は、3Dプリンターで使用できません。まだ広く使用されていない特殊な材料が、3Dプリンターで必要です。材料の不足と高価なプリンターのために材料のコストが大幅に増加するため、大規模な建物に採用することはできません。
建設における3Dプリンティングの市場規模
1. モスクワの3Dプリントファミリーホーム
アメリカのテクノロジー企業であるApis Corによって、3Dプリント住宅がモスクワに建設されました。この家は、住宅建設で自動化を使用した最初の種類であり、他のコンクリート構造と同一です。建設の総費用は10,000ドル未満でした。
2. ドバイの世界最大の3Dプリント建物
最近、特にUAEでは、中東で新しいテクノロジーの進歩が見られました。ギネスブックのワールドレコードはすでに、エミレーツタワーコンプレックスが世界最大の3Dプリント建物であるという主張を検証しており、3Dプリンティングでこの傾向を継続しています。Apis Corによって建設された2階建ての建物は、表面積が640 m2、高さが9.5 mです。
3. 北米とカリブ海の3Dプリント住宅
世界中のコミュニティと非営利団体は、手頃な価格の住宅危機を解決するために、コンクリート3Dプリンティング技術を採用しています。たとえば、非営利団体であるNew Storyは、メキシコ初の3Dプリント住宅を記録的な24時間で建設しました。それ以来、同社は2,000戸の住宅がある近隣地域を建設しており、そのすべてが3Dプリンティング建設技術を使用して建設されました。
今後の展望
世界中で増加しているプロジェクトは、3Dプリンティング構造が建設部門を現在苦しめているいくつかの問題に対処する、革新的で業界を変える可能性のあるテクノロジーであることを示しています。野心的なレベルは非常に大きく、たとえば、ドバイの新しい構造物の25％は2030年までに3Dプリントされると予想されています。控えめに言っても、建設部門での3Dプリンティングの使用には有望な未来があります。
結論
建設業界は、3Dプリンティングにはまだ多くの長年の問題があるという事実にもかかわらず、イノベーションの準備ができています。従来の建設方法は、非効率的で、費用がかかり、時間がかかり、環境に有害である可能性があります。3Dプリンティングの精度、速度、信頼性のおかげで、土木技術者には、これらの課題に対処し、住みやすい構造の設計と建設を容易にし、より手頃な価格にする多くの機会があります。
著者：Sonu Kumar Sah
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