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

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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．