[논문]3D 프린팅 콘크리트 배합설계 프로세스에 관한 연구

진초; 박유나; 유승규; 배성철; 김재준

doi:10.13161/kibim.2017.7.3.001

3D 프린팅 콘크리트 배합설계 프로세스에 관한 연구
Developing Design Process of 3D Printing Concrete Mix Proportion 원문보기

Journal of KIBIM = 한국BIM학회논문집, v.7 no.3, 2017년, pp.1 - 10

진초 (한양대학교 건축공학과) , 박유나 (한양대학교 건축공학과) , 유승규 (한양대학교 건축공학부) , 배성철 (한양대학교 건축공학부) , 김재준 (한양대학교 건축공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

3D concrete printing technology builds structural components layer-by-layer with concrete extruded through a nozzle without using forms. This technology can simplify construction processes by optimizing design flexibility, construction time, and cost. Furthermore, the 3D printing technology is easy to make an irregularly shaped and function embedded building(or object) which is difficult to be constructed by conventional construction method. However, the 3D printing concrete is not suitable for current commercial standard and the material itself. It is also difficult to apply it to the construction site due to the lack of initial strength and the nozzle which is clogged during the process. The research of mix proportion design process for 3D printing concrete which differs from the conventional concrete is necessary in order to solve the problems. This paper aims to calculate the 3D printing concrete mix proportion design process based on the mix materials and performance information derived from the previous researches. Therefore, the usage variation range, mutual influence relationship, and the importance priority of the mix proportion are analyzed. Based on this results, the basic design process of 3D printing concrete which contains planning design phase, basic design phase and validating performance phase is suggested. We anticipate to confirm applicability verification about the actual production by referring to this 3D printing concrete mix proportion study. In the future, this study can be utilized for blueprint of the 3D printing concrete mix proportion.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 3D 프린팅 콘크리트의 배합설계 프로세스 개발에 대한 기초 연구로서 적합한 배합비 설계 프로세스를 제안하였다. 하지만 실제 제안된 배합비 설계 프로세스를 이용하여 3D 프린팅 콘크리트를 제작/평가/검증을 수행하지는 못하였다.
본 연구에서는 3D 프린팅 콘크리트의 선행연구 및 특허 조사를 통해 콘크리트 성능에 영향을 주는 요인을 도출하였고, 도출된 3D 프린팅 콘크리트의 영향 요인을 바탕으로 기존 3D 프린팅 콘크리트의 문제점을 보완할 수 있는 콘크리트 배합설계 프로세스를 제시하였다. 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 앞서 내외부 요인을 모두 종합하여 그림 7과 같은 3D 프린팅 콘크리트의 배합설계 프로세스를 제안하였다. 배합설계 프로세스는 크게 외부 영향 요인을 확인하는 계획 설계단계, 골재/결합재/ W/B를 설계하는 기본 설계 단계, 마지막으로 혼화제와 섬유의 사용량을 확인하는 단계별 배합(Mix1~Mix5) 과정을 포함하는 실험 검증 및 개선 단계로 나누어진다.
이를 통해 각 배합재료의 사용량 변동 범위, 상호 영향관계, 중요도 우선 순위를 도출하고자 한다. 본 연구에서는 최종적으로 3D 프린팅 콘크리트 배합 설계 프로세스를 제안하였다.
이에 따라 본 연구는 기존 3D 프린팅 콘크리트 개발 사례, 특허, 연구문헌에서 도출된 각각의 3D 프린팅 콘크리트의 배합 재료와 성능 정보를 기반으로 배합설계 프로세스를 구축하고자 한다. 이를 통해 각 배합재료의 사용량 변동 범위, 상호 영향관계, 중요도 우선 순위를 도출하고자 한다. 본 연구에서는 최종적으로 3D 프린팅 콘크리트 배합 설계 프로세스를 제안하였다.
이에 따라 본 연구는 기존 3D 프린팅 콘크리트 개발 사례, 특허, 연구문헌에서 도출된 각각의 3D 프린팅 콘크리트의 배합 재료와 성능 정보를 기반으로 배합설계 프로세스를 구축하고자 한다. 이를 통해 각 배합재료의 사용량 변동 범위, 상호 영향관계, 중요도 우선 순위를 도출하고자 한다.

제안 방법

3) 3D 프린팅 콘크리트의 배합비 설계시 참고할 수 있는 기본설계프로세스를 제안하였고, 계획 설계 단계, 기본 설계 단계, 실험 검증 및 개선 단계 세 단계로 나누어 구성하였다. 실험 검증 및 개선 단계에서는 시험 검증 순서는 각 영향 요인들의 사용량이 콘크리트 성능에 영향을 주는 순서에 따라 프로세스 순서가 기존 성능을 변동시키지 않도록 유동성과 압축성, 접착성, 경화시간, 강도, 시공성 검증의 순서로 진행하였다.
, 2012). 결과적으로 본 연구에서는 배합비를 설계할 때 유동성, 압축성, 접착성, 경화시간, 압축강도, 시공성을 반드시 고려해야할 6개 영향요인으로 선정하였다.
다음으로 선행 연구를 통해 3D 프린팅 콘크리트 배합 재료와 콘크리트 성능 간의 관계에 대해 분석하였고, 각 요인들의 영향 정도에 따라 표 3과 같이 정리 하였다. 배합 재료는 모두 시공성에 영향을 주기 때문에 표 3에는 생략하였고 배합 설계 시 종합성능으로 검사할 것이다.
이에 따라 성능검증 프로세스를 설계할 때, 여러 배합재료로부터 많은 영향을 받는 성능을 먼저 검증하게 되면 이후 나머지 배합재의 변동에 따라 성능이 변하는 문제가 생기게 된다. 따라서 본 연구의 프로세스는 혼화제와 섬유의 사용량이 콘크리트 성능에 영향을 주는 순서에 따라 기존 성능을 변동시키지 않도록 유동성과 압축성, 접착성, 경화 시간, 강도, 시공성 검증의 순서로 제시되어 있다.
외부환경 요인으로는 환경조건과 설계강도, 내구성 등이 있다. 본 연구에서는 3D 프린팅 콘크리트의 배합 단계에서 직접적으로 고려되어야 하는 재료들을 내부요인으로, 환경 조건 및 제한요인은 외부요인으로 나누어 고찰하였다.
본 연구에서는 3D 프린팅 콘크리트의 배합성능을 총 5개의 요인(유동성, 압축성, 경화시간, 압축강도, 시공성²⁾)으로 평가하였다. 다만 앞서 언급된 성능이 모두 고려된다고 하더라도 콘크리트 성능이 완벽하다고 할 수 없다.
접착성에 영향을 주는 요인은 시멘트, 고로슬래그, 증점제, 섬유 등이다. 시멘트와 고로슬래그 사용량은 기본 설계 단계에서는 이미 고려되었으므로 증점제와 섬유 사용량으로 접착성을 평가한다. 퍼짐 현상 또는 형상이 유지되지 않거나, 적층면간 연결성이 옳지 않으면 증점제 혼입을 증가시켜야 한다.
3) 3D 프린팅 콘크리트의 배합비 설계시 참고할 수 있는 기본설계프로세스를 제안하였고, 계획 설계 단계, 기본 설계 단계, 실험 검증 및 개선 단계 세 단계로 나누어 구성하였다. 실험 검증 및 개선 단계에서는 시험 검증 순서는 각 영향 요인들의 사용량이 콘크리트 성능에 영향을 주는 순서에 따라 프로세스 순서가 기존 성능을 변동시키지 않도록 유동성과 압축성, 접착성, 경화시간, 강도, 시공성 검증의 순서로 진행하였다.
게다가 개발된 3D 프린팅 콘크리트는 강도가 현저히 낮거나, 수축변형이 심하고, 다양한 양생 환경에 적용시킬 수 없다는 한계를 가지고 있었다. 이를 바탕으로 본 연구는 배합재료와 콘크리트 성능 간 상호 영향 관계를 분석하고, 배합재료의 중요도 우선 순위 및 사용량 변동 범위를 도출하여 3D 프린팅 콘크리트의 배합설계 프로세스를 도출하는 과정으로 연구를 진행하였다.
W/B와 골재량은 기본 설계 단계에서 이미 결정되었으므로 이 단계에서는 감수제 사용량으로 유동성과 압출성을 검증하게 된다. 프린팅 단계에서 호스가 막히지 않고 원활하게 공급될 수 있는지, 노즐에서 연속적으로 압출할 수 있는지, 적절히 성형될 수 있는지를 확인하여 감수제 사용량을 조절한다. 감수제는 유동성, 압축성과 모두 비례관계로, 감수제 양이 감소하면 유동성과 압축성 또한 감소한다.

대상 데이터

증점제는 점도를 향상시키고 압출 이후에 형태를 유지할 때 필요하지만, 고점도의 재료는 펌프의 압송 과정에서 펌프 압력을 상승시키는 문제를 발생시킬 수 있으므로 혼입량에 주의하여야 한다. 기존 9개 사례를 보면 증점제는 결합재의 0%~1%사이로 사용하였다.
국내외 3D 프린팅 콘크리트에 대한 연구는 아직 기초단계에 머물러 있어 선행연구, 특허 등의 수집이 어렵다. 이에 따라 본 연구는 3D 프린팅 콘크리트 배합비 및 성능 정보의 수집이 가능 한 9가지 사례를 추출하였다. 사례국가와 명칭은 표 1과 같으며, 배합비 및 성능 정보는 표 2와 같다.

성능/효과

2) 3D 프린팅 콘크리트의 내부 요인으로는 W/B, 시멘트, 골재,혼화재·제, 섬유가 있고, 환경조건, 요구 성능, 노즐 등 외부 요인도 고려해야 한다.
4로 설계하였으며, 압축강도가 40MPa이상인 고강도 콘크리트로 나타났다. C, D 콘크리트는 상대적으로 높은 W/B를 설정하여 압축강도가 27.35MPa, 33.42MPa로 낮게 나오는 결과를 보였다. 높은 압축강도를 얻기 위해 W/B는 0.
42MPa에 불과하였다. 결과적으로 배합설계 시 섬유 사용량은 1.2kg/m³이며 요구성능에 따라 변동가능하다.
게다가 낮은 B/Sand는 프린팅된 레이어 사이에 접착력을 감소시켜 압축강도를 낮춘다. 기존 9개 사례를 검토해보면 골재 사용량은 최대한 결합재 사용량의 5배까지 사용하는 것을 확인할 수 있다.
감수제는 유동성, 압축성과 모두 비례관계로, 감수제 양이 감소하면 유동성과 압축성 또한 감소한다. 따라서 사례를 토대로 감수제는 결합재의 0~2%가 적절하다. 만약 감수제 사용량을 최대로 조절했음에도 불구하고 성능이 만족되지 않는다면 기본 설계단계로 되돌아가 W/B를 다시 선정해야한다.
사례분석 결과 국내외 개발사례 대부분에서는 3D 프린팅 콘크리트의 배합비 설계 시, 재료의 종류, 사용량, 성능평가 방법, 실험검증 프로세스 등에 대해 일관성을 확보하고 있지 않았다. 게다가 개발된 3D 프린팅 콘크리트는 강도가 현저히 낮거나, 수축변형이 심하고, 다양한 양생 환경에 적용시킬 수 없다는 한계를 가지고 있었다.
또한 혼화재없이 순수 시멘트만 사용하는 경우도 있는 것을 확인할 수 있다. 시멘트 사용량이 적어지면 배합의 접착성이 떨어지고 모래 분리는 더 심각하게 발생하는 것으로 나타났다.
국내에서는 연세대학교에서 자동화 적층 시스템과 3D 프린팅용 콘크리트를 연구하였다. 이 연구에서는 초결시간이 60분, 압축강도(28일) 52.7MPa의 속경 콘크리트를 개발하였는데 시멘트의사용량이 골재 사용량의 2배를 초과하여 경제성에 문제가 있었다. 한국동산콘크리트산업(주)에서는 2016년 3D 프린트용 모르타르및 제조 방법에 대한 특허를 출원하였다.
표 3을 보면 결합재 내 시멘트 사용 비율은 레이어간 접착성에 높은 영향을 주고, 유동성 및 압축성과 경화시간에도 영향을 주는 것을 볼 수 있다. 그림 2는 9가지 사례의 결합재 내 시멘트사용비율로 모두 총 결합재의 70%이상 사용되었다.

후속연구

그리고 3D 프린팅 콘크리트는 콘크리트 자체의 성능만을 고려하는 것이 아니라 프린터 성능, 노즐 사이즈, 환경온도 등 외부 환경도 고려해야 하므로 배합설계 시 단계별로 성능 평가과정이 수반되어야 한다. 따라서 향후 연구에서는 본 연구에서 제안된 배합설계 프로세스를 기초로 실제 3D 프린팅 콘크리트를 제작하여 프로세스의 효용성을 검증하고 또한 그 결과를 바탕으로 보다 개선된 최적의 설계 프로세스를 도출할 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 효과는?	이 방식은 콘크리트를 직접 압출하여 거푸집 없이 객체를 생성할 수 있다는 점에서 주 목받고 있다. 이를 통해 객체의 시공 과정을 간소화하여 노동력과 비용을 절감하고, 설계의 자유도를 높일 수 있다는 것이 핵심이다1). 하지만 현재 개발되고 있는 콘크리트 기반 3D 프린팅 방식은 형상의 자유도가 시장기대치보다 낮으며, 재료의 물성도 실제 사용기준에 도달하지 못하고 있다.
	2019년 전 세계 3D 프린터 제조 및 관련 서비스 시장의 규모는 얼마로 예상되는가?	전 세계 3D 프린터 제조 및 관련 서비스 시장의 규모는 2019년 61억 달러로 예상되며, 3D 프린팅으로 제조된 제품의 가치를 더할 경우 133억 달러에 달할 것으로 전망된다(Oh et al., 2014).
	건설분야에서 주로 활용되는 3D 프린팅 기술은 무엇인가?	현재까지 건설분야에서 주로 활용되어오고 있는 3D 프린팅 기술은, FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이며 콘크리트 또는 시멘트 모르타르를 재료로 활용한다. 이 방식은 콘크리트를 직접 압출하여 거푸집 없이 객체를 생성할 수 있다는 점에서 주 목받고 있다.

참고문헌 (23)

Airey, J., Nicholls, S., Taleb, H., Thorley, S,. Tomlinson, S., Hiralal, D. U. (2012). Multidisciplinary Design Project Mega scale 3D Printing, Master of Engineering From the University of Surrey, pp. 15-18.
Gosselin, C., Duballet, R., Roux, P., Gaudilliere, N., Dirrenberger, J., Morel, P. (2016). Large-scale 3D printing of ultra-high performance concrete-a new processing route for architects and builders, Materials and Design, pp. 102-109.
He, G. Q., Zhang, T., Huo, L., Li, G. Y., Zhang, N., Wang, B. H. (2016). Preparation and application of 3D printing materials in construction, Concrete Institute of China, 320(6), pp. 141-144.
Jeon, K. H., Park, M. B., Kang, M. K., Kim, J. H. (2013). A Study on the Development of an Automated Freeform Fabrication System and Construction Materials, Journal of The Korean Society of Civil Engineers, 33(4), pp. 1665-1673.

원문보기 상세보기
Jeon, J. Y., Seo, D. (Dongshan Concrete Industry Co., Ltd.). (2016). Concrete composition for 3D Printing, Concrete and Manufacturing Method of the Concrete using it, KR Patent, KR101620074B1, (May. 3. 2016).
Jeon, J. Y., Seo, D. (Dongshan Concrete Industry Co., Ltd.). (2016). Mortar composition for 3D Printing, Mortar and Manufacturing Method of the Concrete using it, KR Patent, KR101620075B1, (May. 3. 2016).
Kim, S. S., Park, K. P., Lee, J. B. (2008). Performance Based Design for High Curability Concrete, Korea Concrete Institute (KCI), pp. 969-974.
Kim, G. J. (2017). Build a home with 3D printer technology in 2020, HYPERLINK "http//www.cnews.co.kr/uhtml/read.jsp\?idxno201702141141037270851"http://www.cnews.co.kr/uhtml/read.jsp?idxno201702141141037270851 Construction Business, (Feb. 9. 2017).
Li, X., Li, G. W. (2014). Experimental Study on the mix design and performance of 3D printing concrete, Huazhong University of Science and Technology, Master Thesis, pp. 24-25.
Le, T. T., Austin, S. A., Lim, S., Buswell, R. A., Gibb, A. G. F., Thorpe, T. (2012). Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete, International Union of Laboratories and Expertsin Construction Materials, Systems and Structures (RILEM), pp. 1221-1232.
Lim, S. W., Buswell, R., Le, T., Wackrow, R., Austin, S., Gibb, A., Thorpe, T. (2011). Development of a viable concrete printing process, 28th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC2011), pp. 665-670.
Ma, J. W., Jiang, Z. W., Su, Y. F. (2014). Development and Prospect of 3D Printing Concrete Technology Building Decoration Materials World, 61(61), pp. 41-46.
Malaeb, Z., Hachem, H., Tourbah, A., Hamzeh, F. (2015). 3D concrete printing: machine and mix design, International Journal of Civil Engineering and Technology, 6(6), pp. 14-22.
Market-Reports, (2016). 3D Concrete Printing Market By Product Type (Walls, Floors & Roofs, Panels & Lintels), by Concrete Type (Ready-Mix, High-Density, Precast, Shotcrete), by Software (Design, Inspection, Printing), by End-Use Sector (Architectural, Industrial, Domestic) & by Region - Forecast to 2021, http//www.marketsandmarkets. com/Market-Reports/3d-concrete-printing-market-10362292.html (May. 2016).
Oh, J., Oh, J. S., Jung, H. Y. (2014). Applicability to the Construction of 3D Printing Technology, The Magazine of the Korean Society of Civil Engineers, 62(9), pp. 38-44.
Oh, J. W., Song, K. R., Ahn, Y. S. (2002). A Study on the Application of Constructability in Construction Project Process, Architectural Institute of Korea, 18(12), pp. 157-164
Qiao, X. Y., Pan, N., Li, Y. T. (2016). Mix proportion design of 3D printing concrete, China Academic Journal Electronic Publishing House, pp. 240-241.
Skanska. (2017). 3D printing for construction, http://www.skanska.co.uk/about-skanska/innovation-and-digitalengineering/innovation/3d-printing/ (Jan. 23. 2017).
Shin, T. Y. (2017). Ministry of Land, Create a Building with 3D printer......The 10 meters of hanok (Korean traditional house) is also open tovisitors, HYPERLINK "http//www.viva100.com/main/view.php\?key20170108010002542"http://www.viva100.com/main/view.php?key20170108010002542 Bridge economy, (Jan. 2017).
Tess. (2016). Dubai lays out regulations for 3D printed buildings, HYPERLINK" http//www.3ders.org/articles/20160714-dubai-lays-out-regulations-for- 3d-printed-buildings.html" http://www.3ders.org/articles/20160714-dubai-lays-out-regulations-for-3dprinted-buildings.html (Jul. 14. 2016 ).
Werkheiser, N.J., Fiske, M.R., Edmunson, J.E., Khoshnevis, B. (2015). Development of additive construction technologies for application to development of lunar/martian surface structures using in-situ materials, CAMX Conference Proceedings, pp. 1-9.
Zhang, Z. J., Zhang, Q. Q., Yu, C. R., Li, G. H., Geng, J. H. (2015). Exploration and application of concrete strength, fly ash content and water cement ratio, Concrete Practical Technology, 311(9), pp. 152-153.
Zhang, J. D., Wang, P. M. (2004). High-titanium blast furnace slag powder and its application in concrete, Tongji University Master's Thesis, pp.13-15.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증