コンポジットソリューションがコンクリートファサード製造を加速：3Dプリント型で従来比10倍の耐久性実現

今日建設される全ての複数階建物にはファサードが必要です。フランス語「ファサード（façade）」に由来し、さらにイタリア語「ファッチャータ（facciata）」に遡り、「顔」を意味します。簡単に言えば、ファサードは建物に個性、色、形状を与える外部公共向け構造です。建築家にとって、ファサードは建物の残りの部分のトーンを大いに設定し、設計者の建築的意図を多く語ります。

ファサードは機能的でもあります。窓とドアを囲む構造を提供し、建物を天候と衝撃から保護し、建物のエネルギー効率に影響を与えます。ファサードはコンポジット、石、鋼、ガラス、コンクリートなど多様な材料で構築可能です。ファサードにおけるコンクリートは、その成形性により、特にコンクリート形状が多様な場合、建物に高度に立体的で視覚的にインパクトのある外観を与えることができます。

シュガー・イズ・キング

これはブルックリン・ウィリアムズバーグ水辺の11エーカー再開発プロジェクト「ドミノ・パーク」で実現されました。ドミノ・パークの中心には、138年の歴史を持つドミノ・シュガー精製所があり、2004年に閉鎖、現在はオフィスと小売スペースとして改修中。ドミノ・パークには「ワン・サウス・ファースト」（45階建て）と接続された「テン・グランド」を含む複数の新築ビルがあります。これらの建物で、建築家クックフォックス（米国ニューヨーク）は、遠目からサトウキビの結晶感を緩やかに表現するため、複数の表面角度、複数の窓枠形状、複数の窓枠幅を持つコンクリートファサードを採用しました。これはサイトの歴史に敬意を表したものです。

ゲート・プレキャスト社（米国フロリダ州ジャクソンビル）が、ワン・サウス・ファーストプロジェクトのコンクリートファサード——基本的に一連の窓枠——建設契約を獲得。同社は通常通り自社施設で枠を製造し、完成枠を現場へ輸送、クレーンで吊り上げ設置します。伝統に従えば、全てのコンクリート枠成形用に木製型枠を製作するところですが、ゲートは伝統を踏襲しませんでした。

背景を理解するには2017年に遡ります。ゲートはプレキャスト/プレストレストコンクリート協会（PCI、米国イリノイ州シカゴ）とオークリッジ国立研究所（ORNL、米国テネシー州オークリッジ）と提携し、大型アディティブ・マニュファクチャリングによるコンポジット金型の工場内プレキャストコンクリート成形への活用を予備評価。この評価はORNLのBAAM（大面積アディティブ・マニュファクチャリング）マシンで実施。BAAMは25平方メートルビルドエンベロープを持つ大型AMマシンで、ORNLとシンシナティ社（米国オハイオ州ハリソン）が共同開発。ゲートはワン・サウス・ファーストファサード用コンポジット金型建設を決定。プロジェクトには合計80金型が必要で、うち37をプリント、残り43は木製で製作。この決定時点で金型納期はタイトでした。

2016年、アディティブ・エンジニアリング・ソリューションズ（AES、米国オハイオ州アクロン）がシンシナティ社から初のBAAMマシンを導入。このためORNLとゲート・プレキャストはAESに協力を要請。AESのVP兼共同創業者アンドリュー・バダー氏によれば、AESとORNLで作業分担し、AESが37金型中18を製造。各窓枠金型は幅約5-6フィート（1.5-1.8m）、高さ約9-10フィート（2.7-3m）、奥行き16インチ（約40cm）、重量約500ポンド（約227kg）です。

バダー氏によれば、長方形窓を囲む枠を生産するため、金型内部形状は比較的シンプル。しかし、前述の通り枠外部表面設計はより複雑で、各金型に様々な深さと角度が統合されています。1つのプリント金型が、多数の個別カット部材を釘打ち組立した木製型枠を置き換えました。「形状はシンプルだが複雑だ」とバダー氏。「フレーム位置により複数のユニークなフレーム設計が必要でした。」

生産の一部で、AESはSABIC（米国テキサス州ヒューストン）供給の20%チョップドカーボンファイバー強化ABSベース高弾性・低反り材料「LNPサーモコンプAMコンパウンド」を選択。BAAMマシンで各モノリシック金型構築に8-10時間、クインタックス（米国オハイオ州ストウ）CNCマシンで4-8時間の機械加工と仕上げ。必要寸法までサンディングされたが、シーリングはされていません。

窓枠製造

金型はゲートのケンタッキー州ウィンチェスター施設へ納入され、同プロジェクト用にゲートが製作した43木製型枠と共に使用されました。木製型枠はゲート従業員が手作業で組立、ガラスマットとレジンコートを施し、離型用フォームオイルを噴霧。コンポジット金型にもフォームオイルを噴霧し離型を促進。

コンクリート打設には、複数金型を長さ40-50フィート（12-15m）の木製キャスティングテーブル上に配置。金型をガングして単一枠、ダブル枠、トリプル枠を生産。各金型内に鉄筋を配置し、周囲にコンクリート打設。キャスティングテーブルを振動させコンクリートを締固め。14-20時間硬化後、窓枠を脱型、酸洗いと研磨。その後窓を取り付け、パッケージ全体をトラックでブルックリン建設現場へ出荷。

バダー氏によれば、AESコンポジット金型は従来木製型枠と並行稼働し、すぐにその利点を示しました。第一に、木製型枠は15-20回のコンクリート打設で修繕または交換が必要になるのに対し、AES金型は最小限の修繕・ダウンタイムで200回打設可能。そして200回はプロジェクト終了を意味し、金型寿命の終わりではありません。「そこまでで止まっただけです」とバダー氏。「適切に管理すれば、数百回、数百回と使用可能と考えます。」

さらに、150回以上使用の場合、ゲート試算では木製型枠で1つのAES金型性能を満たすのに最大10個必要。また、木製型枠製造にゲートが40マンアワー要することを考慮すると、37コンポジット金型なしではワン・サウス・ファーストプロジェクトのスケジュール要件を満たせなかったとしています。

バダー氏はAESコンポジット金型コストが木製型枠の4倍であることを認めつつ、耐久性は少なくとも10倍であると強調。「プレキャスト型枠の作り方は数十年ほぼ変わっていません」とバダー氏。「突然ある日、500ポンドの3Dフォームを作り始め、皆が衝撃を受けました。」ただし、こうした金型へのアディティブ・マニュファクチャリングは、コンクリート型枠が複雑な形状または高反復——同一型枠を多数回使用——する用途で「最も」コスト効率が良いと認めています。

AESは現在BAAMマシン4台を保有・運用し、高さ8フィート（約2.4m）までの部品製造が可能。より大型部品は複数ピース接合で製作されています。