Performance characterization of 3D printed structures of cement composites by using integrated material and structural analysis

使用集成材料和结构分析对水泥复合材料 3D 打印结构进行性能表征

• 批准号: 18H05915
• 负责人: 大野 元寛
• 金额: $ 1.83万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-08-24 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18H05915/
• 关键词: ３Dプリンティング; セメント系材料; 積層性; ベーンせん断試験; 3D プリンティング; セメント系複合材料; マルチスケール連成解析; 収縮・クリープ

本研究は，セメント系材料の3D プリンティング（3DP)技術について，①造形された部材および構造物の力学的性能を評価すること，②3DP用セメント系材料の収縮・クリープをマルチスケール型力学・熱力学連成解析を用いて評価し，それらが構造性能へ及ぼす影響を明らかにすること，③材料・構造性能を統一的に扱う設計手法を構築すること，を当初の目的としていたが，3Dプリンタによる構造物の造形に際して解決すべき技術的・学術的課題が生じたため，研究内容を修正して実施した．セメント系材料を用いる3Dプリンタにより構造物の制作を試みた際，材料の積層性（積層可能な最大高さや，積層にともなう下層部の圧密沈下量）が施工環境の温度条件に大きく影響を受けることが分かった．そこで，積層性を支配する物理的パラメータを明らかにし，任意の環境条件に対して積層性を評価・予測できるモデルの構築に取り組んだ．当該モデルによって，任意の環境条件に応じた材料の最適化を体系的に行うことが可能となる．積層性を支配する物理的パラメータの候補として，各層に生じるせん断応力に着目し，積層性の予測モデルを考案した．ここでは，上層の自重によって各層に生じるせん断応力が，材料の降伏せん断応力を上回った時に積層体が崩壊すると仮定している．実験では，まず，ベーンせん断試験により，異なる温度条件下で降伏せん断応力の経時変化を測定した．10℃程度の温度差でも，測定値が大きく異なることを確認した．次に，同じ温度条件下で3Dプリンタを用いた積層試験を行い，積層可能な最大高さの測定を行った．得られた積層高さの実測値と，予測モデル（ベーンせん断試験値，材料の密度，各層の体積等をインプットとする）から得られる予測値を比較した．実験と予測に一定の乖離があったが，モデルのパラメータの適切な修正を行うことで，本予測手法が概略適用可能であることが示された．

在这项研究中，基于水泥的材料的3D打印（3DP）是为了评估建模成员和结构的机械性能，以及（2）3DP多尺度和热力学的基于水泥的材料的收缩最初的目的是使用一系列分析评估，并阐明它们对结构性性能的影响，（3）建立一种统一处理材料和结构性性能的设计方法，但由于应该是技术和学术问题。在对结构模型进行建模时已解决，对研究内容进行了修改和进行。尝试使用基于水泥的材料生产3D打印机的结构时，我发现的构造环境的温度条件极大地影响了层压材料（可以层压的最大高度，并在下层中密集地下沉）它。因此，我们阐明了控制层压的物理参数，并致力于建立一个可以评估和预测任何环境条件的模型。该模型可以根据任何环境条件系统地优化材料。作为主导层压的物理参数的候选者，我们专注于对每一层的重点的重点，并设计了一个层压的预测模型。在这里，假设由于上层的自重而在每层产生的剪切应力超过材料的投降时，层压体崩溃了。在实验中，首先，通过Vane Shen测试测量了在不同温度条件下进行投降力的翻新变化。已经证实，即使在约10°C的温度差，测得的值也大不相同。接下来，在相同的温度条件下进行使用3D打印机进行堆叠测试，以测量最大高度。比较了从预测模型（叶片庇护测试值，材料密度，每一层的体积等）获得的层压高度和预测模型的预测值。实验和预测之间存在一定的差距，但是证明该预测方法可用于应用对模型参数的适当校正。

项目成果

QUANTITATIVE EVALUATION OF BUILDABILITY IN 3D CONCRETE PRINTING BASED ON SHEAR VANE TEST

基于剪切叶片试验的3D混凝土打印可施工性定量评价

• 发表时间: 2019
• 作者: 河野 英昭;et. al.;西條 圭祐
• 通讯作者: 西條 圭祐