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．

这项研究最初是为了1）评估基于水泥材料（3DP）技术的机械性能，以及1）评估形状组件和结构的机械性能，2）评估3DP的基于水泥的材料的收缩和蠕变，使用多尺度机械和热力学的构造材料以及3DP的构建效果，以及3DP的构造效果，以及3），以及3DP的效果。统一的方式，但是当使用3D打印机塑造结构时，就会出现技术和学术问题，因此对研究进行了修订和进行。当尝试使用3D打印机使用基于水泥的材料创建结构时，发现材料的层压特性（可以堆叠的最大高度以及与层压层相关的下层的压实沉降量）受到安装环境的温度条件的极大影响。因此，我们开发了一个模型，可以通过阐明管理层压特性的物理参数来评估和预测任何环境条件下的层压特性。该模型允许根据任何环境条件系统地优化材料。设计了一个可堆积性的预测模型，重点是作为候选叠加性的物理参数的剪切应力。在这里，假定由于上层的重量超过材料的屈服剪切应力，层压板在每层产生的剪切应力时崩溃。在实验中，通过叶片剪切测试在不同的温度条件下测量屈服剪切应力的时间过程。已经证实，即使温度差异约为10°C，测量值也有显着差异。接下来，在相同温度条件下使用3D打印机进行层压测试，并测量可以堆叠的最大高度。将获得的堆叠高度的实际测量值与从预测模型获得的预测值（来自Vane剪切测试值，材料密度，每一层的体积等）进行了比较。尽管实验和预测之间存在一定的差异，但表明该预测方法可以通过对模型参数的适当修改大致应用。

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