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3D 프린터를 활용한 PLA 폴리머 Space Truss의 최적화
The Shape Optimization of PLA Polymer Space Truss Using 3D Printer 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.20 no.1, 2020년, pp.61 - 67  

배재훈 (고려대학교 건축사회환경공학과) ,  장지우 (고려대학교 건축사회환경공학과) ,  주영규 (고려대학교 건축사회환경공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the era of the Fourth Industrial Revolution, Various attempts are being made to converge new industries with IT industry to find new growth engines in the field of IT, maximizing efficiency in terms of productivity. 3D printers are also related to this, and various studies have been conducted wor...

주제어

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문제 정의

  • 7]과 같이 960(B)☓960(D)☓30t 6개의 모델로 하였으며, 주요 변수는 한 노드의 접합되는 노드별 접합 부재수로 하였다. [Fig. 8]과 같이 배면의 4군데를 핀서포트로 고려하여 풍하중에 대한 구조 안전성을 검증하고자 하였다. 이때 전체 해석 대상 모델의 체적(cm³)과 이를 환산한총 Mass(g)는 [Table 3]과 같다.
  • 또한 2방향 곡면의 곡률을 기존 평이음 방식으로 시공하는 것은 비정형 형상을 구현하는데 적합하지 않다. 따라서 본 논문에서는 [Fig. 2]와 같이 패널 모듈에 외장재를 부착하는 방식으로 비정형 형상을 구현하고자 하였다. 또한 폴리머(PLA) 재료를 활용하여 3D 프린팅 기술을 사용한 스페이스 트러스 (Space truss) 내부 보강 구조재를 최적화하기 위해 FEM 해석으로 구조적인 검증을 하고 경제성을 고려한 최적의 형상을 제안하고자 한다.
  • 2]와 같이 패널 모듈에 외장재를 부착하는 방식으로 비정형 형상을 구현하고자 하였다. 또한 폴리머(PLA) 재료를 활용하여 3D 프린팅 기술을 사용한 스페이스 트러스 (Space truss) 내부 보강 구조재를 최적화하기 위해 FEM 해석으로 구조적인 검증을 하고 경제성을 고려한 최적의 형상을 제안하고자 한다.
  • 3D 프린팅 기술은 미래 건설 사업에서 유망한 기술로 꼽히고 있으며, 전통 산업의 한계를 극복하는 가능성을 여실히 보여주고 있다. 본 논문에서도 제조 원가가 저렴하고 친환경적인 폴리머(PLA)를 구조재로 사용하여 스페이스 트러스라는 구조적으로 우수한 장점을 가진 시스템을 융합함으로써 구조적인 취약점을 극복하고자 하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
내부 보강재로 PLA 폴리머 재료를 고려한 이유는? 3]은 PLA 폴리머의 응력 변형률 선도의 예를 보여주고 있다. PLA에 주로 사용되는 재료는 유산(Lactic acid)이며, PLA는 유산 (Lactic Acid)을 진공 하에 가열하여 얻어진다. 유산은 설탕 및 녹말을 발효하여 제조할 수 있으며, 이러한 방법을 통해 PLA를 생산할 경우 제조 원가가 저렴하다. PLA는 매립 시 탄수화물과 물로 분해되는 생분해성 소재로 이산화탄소 발생 및 건설 폐기물을 감소시킬 수 있는 친환경적인 보강 재료라 할 수 있다2).
3D 프린팅 기술은 무엇인가? 3D 프린팅 기술은 복잡한 형상을 자동으로 제작할 수 있는 최첨단 기술로써 적은 비용으로 여러 재료를 사용하여 다양한 제품을 제작할 수 있다. 건설 산업에서는 3D 프린팅 기술에 4축과 6축 로봇을 사용한다.
스페이스 트러스장점은? 스페이스 트러스는 시스템의 구조적인 거동이나 시공의 편의성을 저해하지 않고 비용 절감 측면에서 효율적인 구조물로 다른 구조와 융합된 연구를 비롯하여 이와 관련된 다수의 연구들이 진행되어 왔다12-15). 본 연구에 서도 스페이스 트러스의 구조적인 장점과 3D 프린터의 융합을 통해 시공편의성과 경제성을 가진 스페이스 트러스를 응용하여 비정형 외장재의 내부 구조재로 고려하였다[Fig.
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참고문헌 (18)

  1. IPOS international, "Technology scan: 3D printing in building and construction", Retrieved form https://www.ipos.gov.sg/docs/default-source/defaultdocument-library/tech-scan-on-3d-printing-in-buildingand-construction.pdf 

  2. Kim, H. B. (2017). Major parameter effect analysis for deriving the optimal shape of 3D printing cementitious cladding (Master's thesis). Korea University, Republic of Korea. 

  3. ABAQUS. (2010). ABAQUS analysis user's manual (Ver. 6.7), ABAQUS, Inc., Pawtucket, RI. 

  4. Liew, A., Lopez, D., Van Mele, T., & Block, P., "Design, fabrication and testing of a prototype, thin-vaulted, unreinforced concrete floor", Engineering Structures, Vol.137, pp.323-335, 2017 

  5. Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Notice No. 1997-377. "Lightweight Foam Concrete Panel Structural Design Standard". 1997. Retrieved from http://www.syc-alc.co.kr/index.php?modul eBoard&actionSiteBoard_mob&sModeVIEW_FORM&iBrdNo5&iBrdContNo10&sBr dContRe0&sSearchField&sSearchValue& CurrentPage4 

  6. Noh, M. H., Park, D. Y., & Lee, S. Y., "Free Vibration of Three-Dimensional Laminated Composite Structures with Different Embedded Delamination Sizes and Locations", Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol.3, No.1, pp.1-7, 2012 

  7. Kim, H. B., Park, M. J., & Ju, Y. K., "Structural Behavior Analysis of Polymer Lattice Reinforced 3D Printing Cementitious Cladding", Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.34, No.11, pp.3-10, 2018 

  8. Duballet, R., Baverel, O., & Dirrenberger, J. (2017). Design of Space Truss Based Insulating Walls for Robotic Fabrication in Concrete. Humanizing Digital Reality (pp.453-461). Switzerland: Springer Nature. 

  9. Dominguez, A., Stiharu, I., & Sedaghati, R., "Practical design optimization of truss structures using the genetic algorithms", Research in Engineering Design, Vol.17, pp.73-84, 2006 

  10. Suk, C. M., "Buckling Characteristics by Grid System and Support Condition of Double-Layer Flat Space Truss", Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.20, No.9, pp.95-102, 2004 

  11. Kaur, M., Yun, T. G., Han, S. M., Thomas, E. L., & Kim, W. S., "3D printed stretchingdominated micro-trusses", Materials & Design, Vol.134, pp.272-280, 2017 

  12. El-Sheikh, A. I., & El-Bakry, H., "Experimental Study of Behavior of New Space Truss System", Journal of Structural Engineering, Vol.122, No.8, pp.845-853, 1996 

  13. Greco, M., Gesualdo, F. A. R., Venturini, W. S., & Coda, H. B., "Nonlinear positional formulation for space truss analysis", Finite Elements in Analysis and Design, Vol.42, No.12, pp.1079-1086, 2006 

  14. Smith, E. A., "Space Truss Nonlinear Analysis", Journal of Structural Engineering, Vol.110, No.4, pp.688-705, 1984 

  15. Zhu, L., Zhang, D., Shao, F., Xu, Q., & Zhao, Q., "Structural Evaluation of Torsional Rigidity of New FRP - Aluminum Space Truss Bridge with Rigid Transverse Braces", KSCE Journal of Civil Engineering, Vol.23, pp.3021-3029, 2019 

  16. Hack, N., & Lauer, W. V., "Mesh-Mould: Robotically Fabricated Spatial Meshes as Reinforced Concrete Formwork", Special Issue: Made by Robots: Challenging Architecture at a Larger Scale, Vol.84, No.3, pp.44-53, 2014 

  17. Tay, Y. W. D., Panda, B., Paul, S. C., Mohamed, N. A. N., Tan, M. J., & Leong, K. F., "3D printing trends in building and construction industry: a review", Virtual and Physical Prototyping, Vol.12, No.3, pp.1-16, 2017 

  18. Sarah, D. (2018, March 15). 3D-printed home built in 24 hours could tackle homelessness. Design Week, Retrieved from https://www.designweek.co.uk/issues/12-18-march-2018/3d-printed-home-built-24-hours-tackle-homelessness/ 

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