[논문]건축물 3D 프린팅 기술

이승혜; 김남일; 이재홍

[국내논문] 건축물 3D 프린팅 기술
Building 3D Printing Technology 원문보기

전산 구조 공학 = Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea, v.28 no.3, 2015년, pp.42 - 48

이승혜 (세종대학교 건축공학과) , 김남일 (세종대학교 건축공학과) , 이재홍 (세종대학교 건축공학과)

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문제 정의

본 기사에서는 현재 전 세계적으로 건축물 3D 프린팅 기술을 연구하고 실현하는 그룹 및 산업체를 소개하고 기술의 현황을 기술하였다. 또한 건설분야로의 3D 프린터 기술의 전망, 특허 현황 등을 분석하여 이를 통해 우리나라도 아직 늦지 않았음을 상기하고 적극적인 연구개발을 제안하고자 한다.
본 기사에서는 현재 전 세계적으로 건축물 3D 프린팅 기술을 연구하고 실현하는 그룹 및 산업체를 소개하고 기술의 현황을 기술하였다. 또한 건설분야로의 3D 프린터 기술의 전망, 특허 현황 등을 분석하여 이를 통해 우리나라도 아직 늦지 않았음을 상기하고 적극적인 연구개발을 제안하고자 한다.
표 1은 현재까지 검색 가능한 연구그룹의 목록을 나타내었다. 이외에도 자동시공 기술을 연구하는 그룹도 있으나 본 기사에서 소개하는 건축물 3D 프린팅 기술은 시멘트 모르타르 혹은 그 외 건설재료를 분사･적층하여 건축부재 이상의 구조물을 구축하는 기술현황을 소개하기로 한다.
⁸⁾ 콘크리트 프린팅의 구동형식은 앞서 언급한 WINSUN과 USC의 경우와 마찬가지로 시멘트 모르타르를 압출하여 적층하는 방식이다. 본 프로젝트는 구조물을 출력하는데 앞서 고성능 프린팅 콘크리트를 위한 프린팅재료의 배합에 중점을 두었다. 본 연구팀은 다른 연구팀에 비해 비교적 심도 있는 분사재료 연구를 진행하였으며, 층과 층사이의 공극에 대한 연구, 재료배합에 따른 적층 성형성, 물성치, 압출성능 등 다각적인 측면으로 연구를 수행하고 있다.
본 기사에서는 현재 전 세계적으로 건축물 3D 프린팅 기술을 연구하고 실현하는 그룹 및 산업체를 소개하고 특허 동향 및 기술의 현황을 기술하였다. 하지만 ‘왜 건축물까지 3D 프린터로 지으려 하는가?’, ‘경제성은 어떠한가?’, ‘사업화가 가능한가?’ 등 여러 의구심이 드는 것은 이미 예상된 바이다.

제안 방법

WINSUN은 모든 프로젝트에 시멘트 기반 재료를 모듈화하여 출력한 뒤 현장에서 조립하는 공법을 적용하였다. 건물을 전체 출력하는 형태가 아닌 프리캐스트공법과 유사하며 3D 프린터를 사용함으로 기존의 공장제작 과정에서 필요한 형틀제작, 타설, 탈형, 양생과정을 생략하고 제작과정을 단순화할 수 있다(그림 3).
건물을 전체 출력하는 형태가 아닌 프리캐스트공법과 유사하며 3D 프린터를 사용함으로 기존의 공장제작 과정에서 필요한 형틀제작, 타설, 탈형, 양생과정을 생략하고 제작과정을 단순화할 수 있다(그림 3). 또한 WINSUN은 벽체의 소요강도를 위해 벽체 내에 철근 보강을 추가로 작업하였고, 시멘트 모르타르 안에 유리섬유를 삽입하여 내구성을 증진시켰다. 아직 마감상태 및 기타 부대설 비가 미흡하여 실제 거주가 가능한 상태는 아니나 진취적인 사업화 전략 덕분에 두바이의 ‘Museum of the Future’ 프로젝트의 일환인 ‘3D Printed Office’건립사업에 대한 참여계약을 성사시켰으며⁶⁾ 건축용 3D 프린터 산업을 통해 전 세계적으로 진출하겠다는 포부를 발표하기도 하였다.
본 프로젝트는 구조물을 출력하는데 앞서 고성능 프린팅 콘크리트를 위한 프린팅재료의 배합에 중점을 두었다. 본 연구팀은 다른 연구팀에 비해 비교적 심도 있는 분사재료 연구를 진행하였으며, 층과 층사이의 공극에 대한 연구, 재료배합에 따른 적층 성형성, 물성치, 압출성능 등 다각적인 측면으로 연구를 수행하고 있다.^9,10) 그림 5는 본 연구팀이 제시하는 건축용 3D 프린터의 재료분사 개념도로서 콘크리트 모르타르가 분사되기까지 요소기술을 잘 나타내고 있다.

성능/효과

두 기관 모두 독일 산업용 로봇 제조회사인 KUKA 제품을 보유한 기관으로 ‘Robots in Architecture’ 협회의 홈페이지에서 KUKA 및 ABB(로봇, 에너지, 자동화 기술 분야를 주된 사업으로 하는 다국적 기업)기업의 로봇 군을 소유한 기관명을 확인할 수 있다.
그림 10을 살펴보면 최근 3년간 건축물 3D 프린팅 기술에 대한 특허출원 현황을 볼 수 있는데 일부 국가를 제외하고 모두 중국의 특허임을 알 수 있다.¹⁵⁾ 선두에 위치한 Ma Yihe는 앞서 소개한 중국 WINSUN 업체의 대표이며 최근 활발하게 특허출원을 하고 있음을 알 수 있다. 이러한 특허출원 동향을 고려하면 앞으로 중국 업체의 영향력은 점점 더 커질 것으로 전망할 수 있다.

후속연구

컨투어 크래프팅 연구진이 제안하는 바와 같이 전체 구조물을 연속적으로 출력하는 시스템을 구축하기 위해서는 해결해야 할 과제가 산재해 있으며, 이를 해결하기 위해 시공 전 과정에 대한 지속적인 연구가 수반되어야 한다. 이에 대해 컨투어 크래프팅 연구진은 구체적인 방안을 제시하고 있으며, 자동 보강방법, 자동 배관설치 및 코일철근을 사용한 보강법 등 여러 가지 대안을 모색하고 있다(그림 4(b)~(c)).
^9,10) 그림 5는 본 연구팀이 제시하는 건축용 3D 프린터의 재료분사 개념도로서 콘크리트 모르타르가 분사되기까지 요소기술을 잘 나타내고 있다. 그림 5와 같이 재료가 분사되기 위해 파이프는 물론 노즐, 펌프, 그리고 시멘트 기반 재료의 교반기 등에 대한 연구가 수반되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중국의 WINSUN 건설업체가 시멘트 기반 재료를 모듈화하여 출력한 뒤 현장에서 조립하는 공법을 적용하는 등 진취적인 사업화 전략으로 성사시킨 계약은 무엇인가?	또한 WINSUN은 벽체의 소요강도를 위해 벽체 내에 철근 보강을 추가로 작업하였고, 시멘트 모르타르 안에 유리섬유를 삽입하여 내구성을 증진시켰다. 아직 마감상태 및 기타 부대설 비가 미흡하여 실제 거주가 가능한 상태는 아니나 진취적인 사업화 전략 덕분에 두바이의 ‘Museum of the Future’ 프로젝트의 일환인 ‘3D Printed Office’건립사업에 대한 참여계약을 성사시켰으며6) 건축용 3D 프린터 산업을 통해 전 세계적으로 진출하겠다는 포부를 발표하기도 하였다.
	3D 프린터 관련 기사들은 3D 프린터가 어떤 분야에 적용 가능하다고 하는가?	홍수처럼 쏟아지는 3D 프린터 관련 기사들은 의료, 의류, 식품, 기계, 항공 등 모든 분야에서 적용 가능하다는 점을 언급하면서 적어도 5년에서 10년 사이에 일반 소비자들이 3D 프린터를 소유하게 될 것이라는 전망을 조심스럽게 하고 있다2). 하지만 이 때 건설 분야의 설계자 및 엔지니어들은 3D 프린터 산업이 타 분야의 이야기로만 인식하거나 혹은 건물의 설계 모형을 제작하는 용도로만 과소평가했을 수도 있다.
	건축분야 3D 프린터 점유율은 얼마라고 추정되는가?	분야별 3D 프린터 점유율3)을 살펴보아도 건축분야가 대략 4% 정도로 추정되고 있으며, 이는 타 산업의 점유율에 비해 상당히 적은 수치를 보이고 있다(그림 1). 분야의 명칭 또한 건설산업(Construction Industry)이라고 분류하지 않고 단순히 건축학(Architectural)이라는 명칭을 쓴 것으로 보아 설계분야에서 사용하는 모형제작 용도로 거의 대부분이 사용되었을 것으로 추정할 수 있다.

참고문헌 (16)

Wohlers, T, "Wohlers Report 2012-History of Additive Manufacturing, Wohlers Associates Inc., Fort Collins, USA, 2012
Gartner, "Hype Cycle for 3D Printing", 2014
Wohlers, T, "Wohlers Report 2012-Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry Annual Worldwide Progress Report", Wohlers Associates Inc., Fort Collins, USA, 2012
https://www.youtube.com/watch?vSObzNdyRTBs
https://www.yhbm.com
http://www.dubaicityinfo.com/cityguide/press_news_28433.aspx
http://www.contourcrafting.org/
http://www.buildfreeform.com/
Le, Thanh T., et al. "Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete." Materials and structures 45.8, pp.1221-1232, 2012

상세보기
Le, Thanh T., et al. "Hardened properties of high-performance printing concrete." Cement and Concrete Research 42.3, pp.558-566, 2012

상세보기
http://3dprintcanalhouse.com
http://www.d-shape.com/
http://betabram.com/
http://www.robotsinarchitecture.org/
세연특허법률사무소, "건축용 3D프린터 특허동향조사보고서", 2015
Sarah Anderson Goehrke, "LU ans Skanska Sign Collaborative Agreement to Commercialize 3D Concrete Printing Robot", 3D Printer & 3D Printing News, 2014

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