[논문]3D 프린터용 시멘트 복합체의 간극비가 출력성과 적층성에 미치는 영향

서지석; 이봉춘; 김윤용

doi:10.11112/jksmi.2019.23.7.104

초록
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3D 프린팅용 시멘트 복합체 모르타르의 재료적 특성을 평가하고 굳지 않은 상태에서의 모르타르 간극비를 단일지표로 하여 프린팅이 가능한 성능 범위를 산출하였다. 시험 결과, W/B가 증가하면 모르타르 흐름값은 증가하였으며 밀도와 강도는 감소하였다. SS/B가 증가하면 모르타르 흐름값은 감소하였다. 그러나 강도와 밀도는 특정 SS/B까지 증가하다 감소하였다. Ad/B가 증가할수록 모르타르 흐름값, 밀도, 강도는 감소하였다. 이러한 경향성은 따른 3D 프린팅용 모르타르의 목표 성능 만족하기 위한 배합설계를 어렵게 한다. 한편, 간극비가 증가할수록 모르타르 흐름값은 비례적으로 증가하는 반면 밀도와 강도는 감소하는 경향을 보였으며, 그 상관성은 높게 나타났다. 이는 배합설계에 따른 재료적 특성을 제어하는 단일지표로서 간극비를 활용할 수 있음을 나타낸다. 3D 프린터로 출력 가능한 모르타르 배합범위를 시험한 결과, 간극비가 0.6~0.7일 때 출력이 가능하였다. 이를 검증하기 위해 W/B 35.0 %, SS/B 60.0 %, Ad/B 0.1%를 배합하여 간극비를 0.634로 설계했을 때 출력이 가능하였다. 그러나 3D 프린팅 출력 모르타르의 품질을 향상하기 위해서는 혼화제를 활용하는 추가적인 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The material properties of the 3D printing cement composite mortar were evaluated, and the performance range in which printing was possible was calculated using the void ratio in a fresh state as a single index. As a results of the tests, as the water-binder ratio (W/B) increased, the mortar flow va...

The material properties of the 3D printing cement composite mortar were evaluated, and the performance range in which printing was possible was calculated using the void ratio in a fresh state as a single index. As a results of the tests, as the water-binder ratio (W/B) increased, the mortar flow value increased and the density and strength decreased. As the sand-binder ratio (SS/B) increased, the mortar flow value decreased. However, strength and density increased and decreased up to a certain SS/B. As admixture-binder ratio (Ad/B) increased, mortar flow value, density, and strength decreased. These trends make it difficult to mix-design to meet the target performances of 3D printing mortars, represented by extrudability and buildability. The value of mortar flow increased proportionally with the void ratio, while the density and strength apparently decreased as the void ratio increased. This indicates that void ratio can be utilized as a single index for controlling the material properties in the design of mortar mixtures. It was found that mortar mixture could be printed by a 3D printer when the void ratio was in the range from 0.6 to 0.7. This was verified by printing a mortar which has the void ratio of 0.634. The mortar was produced with the mixture design of W/B 35.0%, SS/B 60.0%, and Ad/B 0.1%. Further research applying diverse admixtures is needed to improve the quality of 3D printing output mortars.

주제어

표/그림 (19)

표 Table 1 Binder for 3D printing
표 Table 2 Fine aggregate and admixture for 3D printing
표 Table 3 Determination methods of the bulk density of mortar
그림 Fig. 1 Diagrams of the water film thickness
그림 Fig. 2 W/B vs. Flow of mortar for 3D printing
그림 Fig. 3 SS/B vs. Flow of mortar for 3D printing
그림 Fig. 4 Ad/B vs. Flow of mortar for 3D printing
표 Table 4 Mix designs of mortar for 3D Printing
그림 Fig. 5 W/B vs. Density of mortar for 3D printing
그림 Fig. 6 SS/B vs. Density of mortar for 3D printing
그림 Fig. 7 Ad/B vs. Density of mortar for 3D printing
그림 Fig. 8 3D printing specimens by mix designs
표 Table 5 Results of mortar strength for 3D printing
표 Table 6 Results of calculating void ratio for 3D printing mortar mix designs
그림 Fig. 9 Void ratio vs. Flow of mortar for 3D printing
그림 Fig. 10 Void ratio vs. Density of mortar for 3D printing
그림 Fig. 11 Void ratio vs. strength of mortar for 3D printing
그림 Fig. 12 Result of 3D Printing Test
표 Table 7 Mortar Mixing Design of 3D Printable Test

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 모르타르를 이용하여 ME 방식의 3D 프린터로 건축 내」외장재를 출력하기 위해 시멘트계 복합 결합재를 활용하여 사용재료의 배합비율과 간극비에 따른 출력성과 적층성, 역학적 특성의 상관관계를 실험적으로 분석하고 3D 프린팅용 모르타르의 적정배합을 도출하였다.

제안 방법

3D 프린팅용 시멘트 복합체의 배합에 따른 특성을 고찰하기 위해 굳지 않은 상태에서의 평가와 굳은 상태에서의 평가로 나누어 진행하였으며 최종적으로 3D 프린터를 통해 출력한 출력물을 평가하였다. 굳지 않은 상태에서는 3D 프린팅 적층성 및 출력성을 평가하기 위해 유동성을 측정하는 모르타르 흐름시험과 적층 시 재료가 부담하는 자중을 측정하기 위한 밀도시험을 진행하였으며 굳은 상태에서는 출력물의 출력강도를 간접적으로 평가하기 위해 시험체를 제작하여 압축강도를 평가하였다.
따라서, 재료적 특성을 공통으로 제어하는 단일지표가 필요하다. 이 연구에서는 3D 프린팅용 시멘트 복합체 모르타르의 간극비를 단일지표로 선정하여 각 물리적 특성을 비교한 후 3D 프린팅 가능한 실제 출력범위를 설계하였다. 목표한 출력 및 성능을 만족하는 범위는 Fig.

대상 데이터

3D 프린팅용 모르타르를 출력하기 위해 사용한 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC), 플라이애시(Fly Ash, 이하 FA)와 에틸렌비닐클로라이드(Etylenevinyl Chloride, 이하 EVCL)를 배합하여 사용하였다. FA는 포졸란 반응으로 시멘트 복합체의 구조가 치밀하여 내구성이 우수하며 구상의 입자 간 볼베어링 효과에 의해 유동성을 개선하는 재료이다.
사용 잔골재로는 출력 표면의 조도를 고려하여 규사 8호(Silica Sand NO.8, 이하 SS)를 사용하였으며 혼화제로는 메틸셀룰로오스계 증점제(Thickener, 이하 Ad)를 사용하였다. 굳지 않은 시멘트 복합체에 증점제를 적절히 사용할 경우 점도, 전단응력이 향상되어 적층성을 개선하고 연속출력 시 노즐에서 출력되는 필라멘트(filament) 형상의 재료의 표면에서 갈라짐이나 이형의 주름을 방지하는 효과를 가진다.

이론/모형

3D 프린팅용 모르타르의 흐름시험은 KS L 5105, KS L ISO 679를 준용하여 실시하였다. 사전 시험 시 배합요인에 의한 유동성의 변동이 크게 나타나 시험자, 시험환경에 따른 오차를 최소화하기 위해 배합 절차와 시간을 고정하여 시험을 수행하였다.
용기에 모르타르를 다짐하는 방법은 EN 규격을 참조하여 모르타르 흐름값 범위에 따라 Table 3에 나타냈다. 모르타르 흐름값의 범위는 EN 1015-3을 통해 측정한 값으로서 KS 시험과 방법은 같다. 그러나, 시험조건인 낙하거리, 15초간 낙하횟수, 흐름 테이블의 중량이 다르다.
시멘트 복합체 3D 프린팅 출력물의 강도는 사전시험을 통몰드 제작 대비 70 %의 압축강도를 나타낸 것을 확인했으나 모델링 시 빈 공간의 채움조건에 따라 강도가 달라지기 때문에 출력성을 가늠할 수 없는 상태의 강도특성을 간접적으로 알아보기 위해 KS L 5105를 준용하여 시험을 수행하였으며 두 상태의 강도 상관성은 향후 검토가 필요하다. 시험체의 제작은 50×50×50 mm 정육면체 몰드에 모르타르를 타설한 후 층당 16회씩 총 32회 다짐하여 제작했다.

성능/효과

(3) 이 연구에서 사용한 ME 방식 3D 프린터에서 출력이 가능하고, 소요 성능을 만족하는 모르타르의 간극비 u의 범위는 0.6~0.7인 것으로 나타났다. 그러나, 모르타르 필라멘트 형상의 부분적 끊김과 기포의 발생 등과 같은 출력물 품질 저하 현상을 제거하기 위해서는 증점제, 소포제 등의 혼화제를 활용하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
(2) 배합 재료비에 따른 각각의 재료적 특성을 단일지표로 제어하기 위해 간극비  를 통해 모르타르 흐름값, 밀도, 강도와의 상관관계를 평가하였다. 간극비 u가 증가할수록 모르타르 흐름값은 증가하는 반면 밀도와 강도는 감소하는 경향을 보였으며, 그 상관성은 매우 높은 것으로 나타났다. 그러나 SS/B가 120% 이상의 범위에서는 간극비 u와 강도의 상관성이 감소하는 것으로 나타났으며, 이 범위는 출력이 불가한 배합이다.
간극비 u가 증가할수록 모르타르 흐름값은 증가하는 반면 밀도와 강도는 감소하는 경향을 보였으며, 그 상관성은 매우 높은 것으로 나타났다. 그러나 SS/B가 120% 이상의 범위에서는 간극비 u와 강도의 상관성이 감소하는 것으로 나타났으며, 이 범위는 출력이 불가한 배합이다.
Ad/B가 증가할수록 모르타르 흐름값, 밀도, 강도는 감소하였다. 이 결과는 3D 프린팅이 출력 가능한 모르타르 배합범위를 찾는 단일지표로 모르타르 흐름값을 사용할 수 없음을 의미한다.

후속연구

7인 것으로 나타났다. 그러나, 모르타르 필라멘트 형상의 부분적 끊김과 기포의 발생 등과 같은 출력물 품질 저하 현상을 제거하기 위해서는 증점제, 소포제 등의 혼화제를 활용하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
현 시점에서 외장재 형상을 및 크기를 고려한 적층높이는 60 mm로 확인하였으나 하부변형이 뚜렷하게 발생하지 않은 점을 고려할 때 그 이상도 가능할 것으로 판단된다. 그러나, 적층높이를 개선하기 위해서는 모르타르의 출력성이 시간에 따라 저하되기 때문에 실시간으로 배합 후 출력할 수 있도록 현 장비의 개선이 필요한 실정으로 추가적인 연구가 필요하다. 이 모르타르의 간극비 u는 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건설용 3D 프린팅 기술을 연구하는 이유는 무엇인가?	3D 프린팅은 출력하고자 하는 대상을 3차원으로 모델링한 후 층별로 제조하는 기술로서 고분자, 금속, 세라믹 등 재료를 활용하여 적층하는 AM(Additive Manufacturing) 방법이 있다. 건설 분야에서는 시간과 비용을 절감하면서 비선형적이고 기하학적 복잡성을 표현할 수 있는 구조물을 제작하기 위해 다양한 건설용 3D 프린팅 기술을 연구하고 있다(Hager ea al., 2016).
	시멘트 복합체의 특성은 ME 방식 3D 프린팅 재료의 성능요소인 무엇으로 나타나는가?	, 2003). 이 같은 특성은 ME 방식 3D 프린팅 재료의 성능요소인 출력성(extrudability)과 적층성(buildability)으로 나타난다. 출력성은 노즐에서 출력되는 3D 프린팅 재료의 속도와 양이 연속적으로 일정하게 유지되는 정도이며 적층성은 3D 프린팅 재료를 연속적으로 쌓아 올릴 때 기존에 적층된 층이 상부 자중에 의해 발생되는 변형에 저항하는 정도이다.
	3D 프린팅이란 무엇인가?	3D 프린팅은 출력하고자 하는 대상을 3차원으로 모델링한 후 층별로 제조하는 기술로서 고분자, 금속, 세라믹 등 재료를 활용하여 적층하는 AM(Additive Manufacturing) 방법이 있다. 건설 분야에서는 시간과 비용을 절감하면서 비선형적이고 기하학적 복잡성을 표현할 수 있는 구조물을 제작하기 위해 다양한 건설용 3D 프린팅 기술을 연구하고 있다(Hager ea al.

참고문헌 (8)

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Kim, Y.Y., Kong, H-J, and Li, V.C. (2003), Design of Engineered Cementitious Composite Suitable for Wet-mixture Shotcreting, ACI Materials Journal, 100(6), 511-518.

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Song, H and shin, H.W. (2018), High Temperature Properties of Cement Mortar Using EVA, EVCL Redispersible Polymer Powder and Fly Ash, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 6(4), 365-372.
Le, T.T.,Austin, S.A., Lim, S., Buswell R.A., Gibb, A.G.F., and Thorpe, T. (2012), Mix design and fresh properties for highperformance printing concrete, Journal of Materials and Structures, Springer, 45(8), 1221-1232.

상세보기
Lee, H.J., Kim, W.W., and Moon, J.H. (2017), An experimental study of mortar rheology for 3D printing extruder, Proceedings of the Korea Concrete Institute, Korea, 29(2)
Malaeb, Z., AlSakka, F., and Hamzeh, F. (2019), 3D Concrete Printing:Machine Design, Mix Proportioning and Mix Comparison Between Different Machine Setups. In Jay G. Sanjayan, Ali Nazari, and Behzad Nematollahi(Eds.), 3D Printing Technology : Construction and Building Applications., Elsevier, Amsterdam, 115-136.
KAIA, R&D Report, Development of innovative design, material and equipment for 3D printing small buildings/freeform members, 2017.
NG, P. L., KWAN, A.K.H, LI, L.G. (2016), Packing and Film Thickness Theories for the Mix Design of High-performance Concrete, Journal of Zhejiang University-SCIENCE A, 17(10), 759-781.

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