[논문]건설용 3D 프린팅 기술의 해외 사례 조사 및 국내 상용화 방안

승인배; 백효선; 박정환

doi:10.21289/ksic.2018.21.6.273

건설용 3D 프린팅 기술의 해외 사례 조사 및 국내 상용화 방안
Overseas Case Study of 3D Printing Technology for Construction and Commercialization Plan in Korea 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.21 no.6, 2018년, pp.273 - 284

승인배 ((주)제이에이치) , 백효선 ((주)제이에이치 연구소) , 박정환 ((주)제이에이치)

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing technology in the construction field is currently being developed and commercialized actively in foreign countries, but the development of material and equipment is underway as an initial research stage in Korea. It is necessary to implement commercialization through the introduction of 3D printing technology in the construction field as soon as possible in Korea, but there is no guideline for suitable equipment and materials in Korea at present. Therefore, in order to help prepare for commercialization, it is necessary to provide data such as equipment size and materials suitable for commercialization at the initial stage. This study investigates the types, specifications, and applications of equipment that are being used overseas to provide the equipment type and material cost required in the initial stage of commercialization in Korea. Using the surveyed data, it was possible to calculate the advantages and disadvantages of the equipment type and specification, and the cost of materials used. As a result of the analysis, Gantry type is suitable for the domestic commercialization, and the standard of the output area is $100m^2$ and the extrusion amount of $250m^3/sec$ is proposed, and the material cost of the commercial product is 20thousand won. The suggestions in this study will help to plan the construction of products and equipments to commercialize 3D printing technology in construction field in the future.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Additive manufacturing process categories(ISO / ASTM 52910:2018)
표 Table 2. Study Contents by Item
표 Table 3. A Material Case
표 Table 4. A Equipment Type
표 Table 5. The Pros and Cons of 3D Printing
표 Table 6. A Equipment Specifications and Advantages
표 Table 7. A Material Mix Designs
표 Table 8. The Price List by Material
표 Table 9. A Material Cost by Company
표 Table 10. The Extrusion by Company

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 현재 해외에서 개발되고 있는 건설용 3D프린팅에 대한 조사를 통해 독자적인 3D프린팅 기술 개발 시 해외 기업간의 기술 격차를 해소 할 수 있도록 건설용 3D프린팅 기술에 대한 핵심 요소를 분류하고 각 요소의 현재 수준을 분석하므로 써 건설용 3D프린팅 기술 개발의 최소 기준을 제안하고자 한다.
본 연구는 해외 사례 등을 통한 3D프린팅 기술을 사업화하기 위한 장비 형식, 재료, 운영 등에 대한 주요 성능 제안으로 관련된 자료 수집과 정리, 이를 통한 주요 장비들의 형식 및 특징, 성능을 파악하고 이를 토대로 제안하는 순서로 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 3D프린팅 기술의 국내 조기 사업화 실현 및 성공을 위하여 해외 사례 조사를 통한 출력 방식에 따른 장비 특성, 사용 재료의 배합 설계 자료를 이용한 재료 원가 산정을 실시하였다.
수집된 자료에 대하여 재료 및 장비별로 사례를 Table 3,4와 같이 정리하였다. 본 연구에서는 개발 기관에 따른 특징을 파악하고자 각 기관별 대표 사례만을 정리하였다.
이상과 같이 해외 사례를 통한 국내 상업화를 위한 기술적 방안에 대하여 살펴보았으며 이를 통해 3D프린팅 기술의 국내 상업화를 위하여 필요한 사항에 대하여 다음과 같이 제안을 하고자 한다.
특히 고가의 재료는 3D프린팅 기술의 장점을 상쇄하는 문제점을 야기할 수 있다. 이에 따라 해외 및 국내에서 개발되고 있는 배합비 자료를 이용하여 경제성을 검토하였다.

제안 방법

3D프린팅 관련 기술에 대한 문헌조사는 인터넷검색을 통해 관련 기관 및 개발 현황을 파악하였으며 수집된 자료의 세부 연구 결과를 파악하기 위하여 논문 검색 등을 통한 자료 수집을 실시하였다.
우선 장비에 따른 분류 및 장단점에 대하여 서술하면 Table 6과 같이 정리할 수 있다. 다양한 형태의 출력 장비가 있으나 현재 기술 수준에서 건설 분야에 적용 가능한 장비 출력 형식을 4가지로 구분하였다.
따라서 제한적이지만 수집된 자료의 분류화를 통해 각 출력방식의 장단점을 파악하였으며 장비 효율 및 재료의 특성에 따라 사업화의 성공 여부가 결정되므로 기존 장비 및 재료 분석을 통해 핵심 요소에 대한 제안 자료를 작성하였다.
설계기술, 디자인 등은 소프트웨어적인 분야로 앞서 본 연구에서는 제외하기로 하였으므로 사업화 성공을 위한 장비, 재료 부분만을 검토하였다.
이와 같이 수집된 자료 중 세부적인 성과에 대하여 파악할 필요성이 있는 업체(연구소, 기업 등)에 대해서는 방문을 통해 자료를 수집하였다.
사업 리스크를 최소화하면서 사업화에 성공한 모델로 윈선사가 대표적이며 초기 사업화 모델은 겐트리 방식을 적용하여 3D 출력 건축물을 제작하였다. 제작 방식은 Off-Site 출력후 각각의 부재를 현장에서 조립하는 형태를 취하였고 여러 형태의 부재를 연속해서 출력하기 위하여 겐트리 방식의 장비 제작시 길이 방향이 상당히 긴 형태로 제작하였는데 이는 출력 후 바로 제품을 이동하는 경우 외부 충격 등으로 인하여 문제가 유발 될 수 있으므로 충분한 양생 후 이동할 목적으로 이러한 형태를 취하였다. 이러한 장비 형식을 통해 여러 대의 장비 구입비용 절감하고 장비사용 효율을 향상시켜 사업초기 리스크를 최소화 하였다.

성능/효과

1. 국내 3D프린팅 기술의 사업화 초기에는 3D프린팅 건축물의 희귀성으로 인하여 3D프린팅 건축물이 부각될 수 있으므로 장비 가격이 저렴하고 여건에 따라 장비 규모 변경이 용이한 겐트리 방식의 사용을 제안함. 다만 지속적인 대중화와 다양한 소비자 니즈를 만족하기 위해서는 향후 제품 규모 및 품질에 따른 장비 다양화가 필요함.
2. 사업화 초기 장비 규격으로 현재 해외 사례에서 On-Site 최대규모가 95m²점과 국내 소비자가 선호하는 주택규모가 80-100m²가량인 점을 고려할 때 On-Site 출력면적이 100m²이며 최대 압출량이 250cm³ /sec인 장비 사양을 제안함.
그 동안 On-Site 제품들은 100m² 미만의 제품들이었으나 본 사례를 통해 재료, 해석 등의 기술적인 문제보다는 장비 규모의 문제로 장비 해결을 통해 충분한 크기의 제품 제작이 가능하며 건축물의 중요 항목인 지진에 대한 안정성 또한 벽체 두께 조절 등을 통해 해결이 가능함을 보여주고 있다.
기존 제품들이 건축물과 인테리어 제품군이 대부분 이었으나 최근 사례를 보면 윈선사의 이동실 화장실, 지하저류조를 비롯해서 아인트호벤대와 IAAC사에서 각각 제작한 보도용 교량 등 3D프린팅 기술이 적용된 다양한 시제품이었으나 SCG사의 경우 비정형적인 요소가 많은 추가 제품을 출시하는 등 3D프린팅의 다양한 응용 및 형태에 대한 연구가 진행되고 있음을 확인 하였다.
이는 시멘트 계열의 재료를 직접 출력하는 방식의 경우 비정형 출력에 한계가 있으나 D-Shape사의 방식을 사용하는 경우 이러한 한계를 극복할 수 있다. 따라서 D-Shape사의 생산 제품군을 보면 다양한 형태의 비정형 제품 생산에 사용하고 있으나 건축물의 경우 테스트 수준의 소형 건축물 하나 이외에는 비정형 조형물이 제작된 사례만을 확인 할 수 있었다.
문헌조사를 통해 확인한 것은 현재까지 On-Site로 제작된 제품은 소규모 단층 주택이 대부분으로 순수하게 시멘트 몰탈만 사용한 On-Site 규모의 건축물은 Icon사에서 2018년 3월에 공개한 건축물로 약 56m²규모의 건축물로 제작에 24시간이내가 소요되었으며 가격은 4,000$로 약 1m²당 71$(한화 8만원)로 일반적으로 철근콘크리트 구조 건축물 제작시 국내 기준으로 1m²당 76만원 정도 소요되는 것을 고려하면 상당히 저렴한 비용으로 제작되고 있음을 확인 할 수 있다.
산정결과 한국건설기술연구원(KICT)에서 개발 중인 재료의 가격은 Loughborough University 및 Surrey University(Group #2)의 배합과 거의 같은 수준(108%-95%)의 가격을 보였다. 배합 재료를 대량 구매 시 할인되는 비용을 고려하더라도 현재 국내에서 개발되고 있는 재료의 m³당 가격은 30만원 중반 수준이 될 것으로 예상된다.
실제 거주할 수 있는 규모의 건축물을 제작된 사례를 통해 보면 Gantry 방식 사례가 다수 있으며 크레인 방식이 1건, 다축로봇의 경우 그 동안 연구 목적의 사례들만 있었으나 낭트대에서 거주 목적의 건축물을 2018년에 완성하여 다축로봇 또한 건축물에 적용 가능한 3D프린팅 장비로서의 가능성을 보여주었다.
압출량을 산정한 결과 겐트리 방식을 사용하는BETABRAM 장비가 가장 압출량이 많았으며 다축로봇을 사용하는 CyBe장비가 가장 적었다.
제작 방식은 Off-Site 출력후 각각의 부재를 현장에서 조립하는 형태를 취하였고 여러 형태의 부재를 연속해서 출력하기 위하여 겐트리 방식의 장비 제작시 길이 방향이 상당히 긴 형태로 제작하였는데 이는 출력 후 바로 제품을 이동하는 경우 외부 충격 등으로 인하여 문제가 유발 될 수 있으므로 충분한 양생 후 이동할 목적으로 이러한 형태를 취하였다. 이러한 장비 형식을 통해 여러 대의 장비 구입비용 절감하고 장비사용 효율을 향상시켜 사업초기 리스크를 최소화 하였다.
장비별 압출량에 대해 조사한 결과 겐트리 방식을 사용하는 BETABRAM 장비가 가장 압출량이 많았고 다축로봇을 사용하는 CyBe장비가 가장 적었다. 이를 종합해 볼 때 상업화를 위한 장비로는 겐트리 타입이 가정 적합한 장비로 판단된다.
장비별 압출량에 대해 조사한 결과 겐트리 방식을 사용하는 BETABRAM 장비가 가장 압출량이 많았고 다축로봇을 사용하는 CyBe장비가 가장 적었다. 이를 종합해 볼 때 상업화를 위한 장비로는 겐트리 타입이 가정 적합한 장비로 판단된다.
제작기간은 54시간이 소요되었으며 비용은 ￡176,000(한화 255백만원)으로 1m²당 263만원으로 제작자 발표 자료상으로는 기존 건축방법에 비하여 20%이상 절감한 것으로 발표하였다.
최근의 제작 경향을 보면 실제 거주할 수 있는 내부 인테리어까지 제작되어 실질적인 상용화를 목표로 제작되고 있음을 확인 할 수 있었다.
이는 장비 구조가 간단하여 장비 규모를 쉽게 조정할 수 있으며 타 출력 방식에 비하여 출력속도가 높은 결과라 사료된다. 출력물의 품질(2차 가공 없이 출력 완료후의 외형)은 겐트리 방식이 타 출력 방식에 비하여 거칠게 표현되었으나 이는 상업화를 위하여 시공속도를 빠르게 하기위한 선택으로 보이며 필요시 출력 속도 및 압출량 조정등을 통해서 겐트리 방식의 품질은 충분히 조절이 가능하다고 판단된다.

후속연구

3. 3D프린팅에 사용되는 재료에 사양은 기본적으로 3D프린팅이 가능한 재료적 특성이 있어야 하겠지만 재료비 측면에서 현재 사용하거나 개발 중인 배합비의 재료 원가가 39만원대인 점을 고려할 때 사업 초기에는 39만원대의 배합설계 적용을 제안하나 향후에는 레미콘 대비 5배 이상의 고가임 점이 3D프린팅 사업의 대중화에 장애가 될 수 있으므로 향후 재료 품질을 유지되면 가격은 20만 원대에 사용가능한 배합 설계 개발을 제안함.
국내 3D프린팅 기술의 사업화 초기에는 3D프린팅 건축물의 희귀성으로 인하여 3D프린팅 건축물이 부각될 수 있으므로 장비 가격이 저렴하고 여건에 따라 장비 규모 변경이 용이한 겐트리 방식의 사용을 제안함. 다만 지속적인 대중화와 다양한 소비자 니즈를 만족하기 위해서는 향후 제품 규모 및 품질에 따른 장비 다양화가 필요함.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건설용 3D프린팅 기술은 어떤 기술이 요구되는가?	사례 조사에 있어서도 건설용 3D프린팅 기술은 단순히 장비를 운영하는 것이 아닌 목적물에 따라 장비, 재료, 소프트웨어가 유기적인 관계를 갖고 변형되어야 하는 시스템으로 각 분야별 기술이 요구된다. 그러나 본 연구에서는 장비 및 재료 부분만으로 국한하였다.
	국외의 다양한 시도에 비해 국내의 건설용 3D프린팅 기술이 아직 개발 단계 수준인 이유는 무엇인가?	국내의 기술 도입과 상용화가 국외에 비해 늦은 이유에 대해서 여러 요인이 있으나 가장 큰 요인은 건설 분야의 3D프린팅 기술은 최근에 상업화되고 있는 기술로 개발 업체에서는 시장 선점 등의 목적으로 기술을 제한적으로 공개하고 있고 장비, 재료, 설계, 시공 등의 세부적인 기술들이 플랫폼 형태로 관리되지 못했던 점들과 제도적인 문제점도 있어 3D프린팅 기술을 건설 분야에 사용하기 위해서는 설계 및 시공법에 관한 관련 법규 및 지침이 제정되어야 하나 이러한 여건이 조성되지 못한 것도 해외보다 3D프린팅 기술 도입과 상용화가 뒤쳐진 요인이다.
	3D프린팅 기술은 어떤 분야에 적용되고 있는가?	3D프린팅 기술은 의료, 기계, 항공 등 다양한 산업분야에서 현재는 맞춤형의 소량 생산이 필요한 부분에서 다양하게 적용되고 있으며 3D프린팅 기술은 1980년도에 관련 기술이 소개된 이후 여러 기술이 개발되고 도태되는 과정을 통해 현재 표준화를 위한 논의가 시작되어 국내의 경우 국가표준원이 ISO TC261(Additive Manufacturing)에2014년부터 참여하여 진행 하고 있으며 2018년 7월에 3D프린팅 관련 국제표준(ISO/ASTM52910)이 발표되었다.[1]

참고문헌 (18)

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International Organization for Standardization, ISO/A STM 52910:2018, ISO/ASTM International 208, pp.01-24, 2018
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Winsun, Available From: http://www.officeofthefuture.ae/(accessed Nov.,05, 2018)
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Aqeela Alwi, Stelios Karayiannis, Brian Starkey, Matthew Gardner, Kleveleine Reodique, Thomas Varley, MegaScale 3D Printing-Group 1, pp.42, University of Surrey
AJames Airey, Simon Nicholls, Hinde Taleb, Samuel Thorley, Samuel Tomlinson, Deep Upendra Hiralal, MegaScale 3D Printing-Group 2, pp.174, University of Surrey
H. J. Park, M. B. Seo, K. B. Ju, "A Development of Work Item and Duration Estimation Method for 3D Printing based Building", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 18, No. 12, pp.200-207, 2017

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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].

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