流動EDEMに基づく速硬性コンクリート用3Dプリントノズルの設計と実験的調査
Design and Experimental Investigation of a 3D Printing Nozzle for Rapid-Hardening Concrete Based on Fluent-EDEM
速硬性コンクリートの目詰まり問題を解決するため、連成EDEM-Fluentシミュレーションに基づいた液固分離型3Dプリントノズルが提案され、その印刷性能が検証された。まず、異なるノズルタイプの有限要素モデルを構築し、Fluentシミュレーションでスラリー流速と乱流強度を解析して最適な出口形状を決定した。次に、EDEMを用いて様々な構造を持つ撹拌翼の混合効率を評価し、直交実験により翼の傾斜角、翼数、撹拌速度の最適組み合わせを特定した。設計された液固分離ノズルは、1時間の連続印刷テストで目詰まりなく動作し、短時間印刷タスクへの実現可能性を示した。また、印刷された速硬性コンクリート specimen (A2) の圧縮強度は、従来鋳造 specimen (A1) より14.3%高かったが、曲げ強度は有意な優位性を示さなかった。円錐形ノズルは0.0144の出口流速標準偏差を達成し、良好な流速均一性を示した。評価指標としての変動係数は、翼傾斜角40°、3枚翼、撹拌速度120 rpmで最小値を得て、最高の混合性能を示した。
- 連成EDEM-Fluentシミュレーションに基づく液固分離型3Dプリントノズルを提案し、速硬性コンクリートの目詰まり問題の解決を検証した。
- 設計した液固分離ノズルは1時間の連続印刷テストで目詰まりなく動作し、短時間印刷タスクへの実現可能性を示した。
- 印刷した速硬性コンクリート specimen (A2) の圧縮強度は従来鋳造 specimen (A1) より14.3%高かったが、曲げ強度は有意な優位性を示さなかった。
- 円錐形ノズルは出口流速標準偏差0.0144を達成し、良好な流速均一性を示した。
- 変動係数を評価指標とすると、翼傾斜角40°・3枚翼・撹拌速度120 rpmで混合性能が最小値(最高性能)となった。
速硬性コンクリートの3Dプリントにおける目詰まりという実務課題に対し、EDEM-Fluent連成シミュレーションでノズル形状と撹拌翼を最適化し、1時間連続印刷を達成した点は、建設3Dプリンティングの実用化・施工スピード向上に直結する。圧縮強度が従来鋳造品比+14.3%という数値は、材料・プロセス最適化が構造部材の性能優位に寄与し得ることを示すが、曲げ強度で有意差がなく単一specimen比較にとどまる点は割り引いて見るべき。ノズル設計・混合プロセスという装置側のノウハウが競争力の源泉になり得るため、建設材料・3Dプリント装置を手掛ける企業の技術導入動向を注視したい。