건설 분야의 대규모 3D 프린팅: 기술 및 동향

건설 산업에서 대규모 3D 프린팅의 혁신적 영향력을 살펴보세요. 이 포괄적인 문서에서는 로봇 팔과 갠트리 프린터, 주요 재료, 프린팅 프로세스 단계를 살펴보고 건설 기술의 혁신과 향후 과제를 강조합니다.

대규모 3D 프린팅: 건설 및 인프라 분야의 혁신

이 글에서는 건설 분야의 대규모 3D 프린팅과 관련된 몇 가지 주요 섹션을 다룹니다. 먼저 업계의 중요성과 현재 동향을 개괄적으로 설명하는 서론으로 시작합니다. 이어서 로봇 팔과 갠트리 프린터를 중심으로 대형 3D 프린터의 유형과 장점 및 한계를 자세히 설명합니다. 그런 다음 사용되는 재료로 논의의 주제를 전환합니다. 3D 프린팅 다양한 시멘트질 재료, WAAM용 금속 합금, 새로운 복합 인쇄 재료 등 건축 분야에서 사용되고 있습니다.

3D 프린팅은 관습적으로 침체된 건설 산업에서 점진적인 혁신으로 떠오르고 있습니다. 3D 프린팅은 프로세스를 자동화하고 새로운 계획을 가능하게 함으로써 일정을 단축하고 낭비를 줄이며 건설의 생산성과 지속 가능성을 전반적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다. 이 글에서는 건설 분야에서 대규모 3D 프린팅 절차의 혁신적 효과에 대해 개괄적으로 설명합니다. 현재 진행 상황과 앞으로의 방향, 그리고 내재된 어려움을 살펴봅니다.

건설용 대형 3D 프린터의 유형

대규모 3D 프린터 건설 산업에서 활용되는 3D 프린터는 크게 로봇 팔 프린터와 갠트리 프린터로 구분할 수 있습니다. 두 가지 유형은 첨가제 제조를 사용하여 시멘트성 재료로 건축 구성 요소를 한 층씩 조립합니다.

로봇 팔 3D 프린터

로봇 팔 대형 3D 프린팅은 프린트 헤드가 장착된 멀티 피벗 로봇 컨트롤러로 구성됩니다. 로봇 팔은 6단계의 기회를 통해 높은 적성과 유연성을 제공합니다. 이는 기존의 3허브 갠트리 프레임워크와 달리 더 복잡한 수학적 형상을 구현할 수 있도록 고려합니다. 일반적인 유형은 이동식 콘크리트 펌프가 프린트 헤드 역할을 하도록 개조된 건설 기계입니다. 콘크리트 이송 시스템과 프린트 헤드는 기계에 장착되어 있으며, 붐은 다음을 사용하여 제어되는 로봇 팔 역할을 합니다. 프로토타이핑의 3D 프린팅 알고리즘을 사용합니다. Apis Cor와 같은 여러 회사에서도 이동식 플랫폼에 설치된 로봇 팔을 활용하고 있습니다.

이는 다중 유닛 구조에 대한 인쇄 이동성을 제공합니다. 그러나 인쇄 중에 로봇이 추가로 움직이면 제어 및 품질에 문제가 발생할 수 있습니다. 규모를 늘리기 위해 여러 대의 로봇이 협업할 수 있습니다. 로봇이 장착된 각 플랫폼은 개별 인쇄 작업을 동시에 수행합니다. 조정된 경로 계획 소프트웨어를 통해 충돌 없는 이동이 보장됩니다. 문제는 로봇의 도달 범위로 인해 인쇄 가능한 영역이 좁다는 점입니다. 이를 극복하기 위해 키팅 등은 추적식 모바일 베이스에 팔을 장착하여 현장에서 자율적으로 제작할 수 있도록 했습니다.

갠트리 3D 프린터

갠트리 프린터는 건설 분야에서 대규모 3D 프린팅을 위해 가장 널리 연구되고 있는 옵션입니다. 컨투어 크래프팅은 여러 개의 오버헤드 갠트리를 사용하는 초창기 선구자였습니다. 일반적인 설계에는 프린트 헤드를 운반하는 수평 이동 빔이 X, Y 축의 고정 레일 또는 기둥을 따라 이동하는 방식이 포함됩니다. 예를 들어 건물 전체를 인쇄할 수 있는 러프버러 대학교와 스펫사비아의 프린터가 있습니다. COBOD의 BOD2와 WASP의 Crane WASP와 같은 모듈식 구성은 확장성을 더욱 높여줍니다. 필요에 따라 여러 개의 교체 가능한 유닛을 조립하면 이론적으로 제작 크기에 제한이 없습니다. 갠트리 프린터는 더 간단한 제어, 더 높은 정밀도, 콘크리트 혼합물에 굵은 골재를 사용할 수 있는 등의 장점을 제공합니다. 하지만 이동성이 제한적이기 때문에 신축 건물 위치마다 현장에서 조립/해체해야 합니다.

건축용 3D 프린팅 재료

대규모 3D 프린팅 건설의 경우 주요 프린팅 가능한 재료는 시멘트질 재료와 금속 합금. 또한 이를 결합한 복합 인쇄 기술도 주목받고 있습니다.

시멘트 재료

콘크리트로 건축 3D 프린팅에 일반적으로 사용되는 재료로는 시멘트 콘크리트, 지오폴리머, 섬유 강화 콘크리트 등이 있습니다. 시멘트 콘크리트는 대규모 3D 프린팅을 위해 가장 널리 연구되는 재료입니다. 그러나 프린팅에 필요한 유변학적 특성을 얻기 위해 기존 골재를 모래와 같은 미세한 대체재로 대체하는 경우가 많습니다. 이렇게 하면 수축 균열에 대한 취약성은 감소하지만 복합재료의 강도는 약해집니다. 지오폴리머는 시멘트의 일부를 대체할 수 있는 알루미늄-규산염 바인더입니다.

WAAM용 금속 재료

대규모 3D 프린팅은 와이어 및 벤드 첨가 물질 제조(WAAM) 공정을 활용합니다. 일반적으로 취급되는 금속에는 스테인리스 준비물, 티타늄 조합 및 알루미늄이 포함됩니다. WAAM은 건설 산업의 주요 부품 생산에 적용되었습니다.

복합 3D 프린팅 재료

연구에서는 섬유, 강철 케이블 또는 마이크로 케이블로 강화된 시멘트질 소재를 탐구합니다. 유망한 접근 방식은 콘크리트 3D 프린팅 재료 로봇 팔을 사용하여 만든 철골 구조물 주위에 있습니다. 하지만 열 관리와 관련된 통합 과제가 존재합니다. 이 섹션에서는 건축 3D 프린팅에 사용되는 주요 재료에 대한 개요를 세분화하여 자세히 설명합니다.

3D 프린팅 프로세스

건설을 위한 대규모 3D 프린팅 프로세스는 모델 개발, 재료 생산/운송, 레이어 증착, 품질 관리로 구성됩니다.

모델 생성

디지털 모델은 접선 연속성을 사용하여 비평면 레이어로 슬라이스되어 다양한 두께의 레이어 간에 매끄러운 전환이 가능하며, 다음과 같은 기능을 최대한 활용합니다. 금속 3D 프린트 기술을 활용합니다. 이 전략은 레이어 간의 접촉면을 일정하게 유지합니다.

자재 생산 및 운송

현장 대규모 프린팅의 경우, 중단을 피하기 위해 일반적으로 레미콘은 배치 플랜트에서 레미콘으로 배송됩니다. 그러나 최적의 레올로지를 달성하기 위해 운송 후 추가 혼합이 필요할 수 있으며, 펌핑 후 혼합하는 것이 바람직합니다. 가속기는 압출 직전에 도입할 수 있습니다.

레이어 증착

갠트리 프린터에서는 프린트 헤드가 슬라이스된 모델에 따라 도구 경로를 따라 재료를 증착하여 연속적인 층을 쌓습니다. 로봇 프린터는 엔드 이펙터를 통해 프로그래밍된 궤적을 따라 재료를 압출합니다. 3D 프린팅 툴링 속도, 레이어 두께, 재료 흐름은 기하학적 정밀도와 강도 개발에 영향을 미칩니다. 지속적인 피드백을 통해 실시간 레올로지를 제어할 수 있습니다.

품질 관리

이를 위해서는 신선 상태와 경화된 상태의 특성을 모니터링해야 합니다. 유변학은 매우 중요하며, 예를 들어 압출 에너지 정량화를 통해 인라인으로 평가됩니다. 센서는 치수, 균질성, 경화를 추적합니다. 비파괴 테스트는 기계적 성능을 평가합니다. 공정 데이터와 시뮬레이션은 혼합물 설계와 전략을 개선합니다. 품질 관리는 설계-제조 피드백 루프를 닫습니다.

추가 고려 사항

대규모 프로젝트의 경우 자재 배송 물류에 대한 광범위한 사전 계획이 필요합니다. 구성 요소 조립은 모놀리식 프린팅을 따를 수 있습니다. 하이브리드 접근 방식은 거푸집 건설에 대규모 3D 프린팅을 통합합니다. 환경 조건과 가속제 투여에 대한 평가가 필요합니다.

기계적 특성

의 기계적 동작 지속 가능한 3D 프린팅 구성 요소는 레이어 기반 제작으로 인해 이방성을 나타냅니다. 또한 인쇄 공정의 기하학적 부정확성으로 인해 추가적인 변수가 발생합니다.

강도 속성

압축 강도는 응집 압력으로 인해 인쇄된 레이어를 따라 세로로 가장 높습니다. 강도는 측면으로 감소하고 경화가 가장 적게 이루어지는 층에 수직으로 최소화됩니다. 굴곡 거동에도 비슷한 경향이 나타납니다. 테스트 결과, 새 콘크리트가 굳기 전에 가장 자유롭게 가라앉는 인쇄된 층에 수직으로 최소 강도가 나타났습니다. 측면 제약이나 보강이 없으면 침하로 인해 층간 일관성이 약화됩니다. 강도 이방성은 다양한 빌드 방향에 걸쳐 10%를 초과합니다. 섬유를 포함하면 이를 완화하여 응력을 균일하게 분산시킵니다. 구조 설계는 등방성을 가정하는 대신 강도 방향성을 고려해야 합니다.

복합 3D 프린팅

마이크로 케이블 콘크리트와 같은 강화 3D 프린팅 혼합물은 일반 시멘트질 페이스트보다 성능이 뛰어납니다. 마이크로 케이블은 균열을 억제하고 충격에 의한 균열을 억제합니다. 복합재는 보강/매트릭스 시너지 효과를 활용하여 구조적 역할에 맞게 물성을 최적화합니다. 섬유질이 함유된 페이스트는 주조나 압출보다 더 많은 하중을 견디며 우수한 계면 결합력을 입증합니다. 복합 재료는 전통적으로 기존 건축에서 주로 사용되던 까다로운 구조 응용 분야를 위한 대규모 3D 프린팅을 구축합니다.

결론

결론적으로 이 글에서는 건설 산업에서 대규모 3D 프린팅 기술이 미치는 영향과 진행 상황에 대해 심층적으로 살펴봤습니다. 주요 프린터 유형인 로봇 팔과 갠트리 시스템에 대한 자세한 개요와 함께 각각의 작동 원리, 사례, 장점/한계를 간략하게 설명했습니다. 또한 콘크리트 프린팅을 위한 시멘트질 조성물과 와이어 아크 적층 제조를 목표로 하는 금속 합금 등 건설 3D 프린팅 연구에서 중점을 두고 있는 주요 프린팅 가능 재료에 대해 분석했습니다. 복합 보강 접근 방식에 대해서도 논의했습니다.

전반적으로 이 검토는 건설 혁신을 추진하는 데 있어 대규모 3D 프린팅의 영향력 있는 역할을 강조하며 효율성, 맞춤화 및 오프사이트 프리패브리케이션 잠재력을 제공합니다. 그러나 기하학적 예측 불가능성, 불균일성 및 장기적인 거동 특성화와 관련된 과제는 본격적인 실현 가능성과 이점을 극대화하기 위한 집중적인 노력이 필요합니다. 기술이 발전함에 따라 3D 프린팅 사용 건축 환경의 미래 진화를 위한 촉매제로서의 역량은 더욱 증폭될 것입니다.

자주 묻는 질문

Q: 대규모 건설에 사용되는 3D 프린터의 주요 유형에는 어떤 것이 있나요?

A: 대규모 3D 프린팅은 크게 로봇 팔 프린터와 갠트리 프린터로 분류할 수 있습니다. 로봇 팔 프린터는 프린트 헤드가 있는 멀티 허브 로봇 컨트롤러를 사용하는 반면 갠트리 프린터는 평평한 이동 막대에 프린트 헤드가 설치되어 있습니다.

Q: 건축 분야에 3D 프린팅할 수 있는 재료에는 어떤 것이 있나요?

A: 주요 인쇄 가능 재료로는 실물 인쇄를 위한 시멘트질 재료와 와이어 벤드 첨가 물질 제조(WAAM)를 통해 처리되는 금속 복합재가 검토되고 있습니다. 이 두 가지를 결합한 복합 보강 방식이 추가로 등장하고 있습니다.

Q: 건설용 대규모 3D 프린팅 프로세스에는 어떤 일반적인 발전이 있나요?

A: 주요 단계는 컴퓨터 모델 생성, 머티리얼 생성/전송, 레이어 명세서, 신규 및 고형화된 프로퍼티의 품질 관리로 요약할 수 있습니다.

Q: 3D 프린팅은 건축에 어떤 이점을 제공하나요?

A: 기계화, 계획 기회, 일정 단축, 낭비 감소, 지속 가능성 발전, 관행적 기술에 비해 잠재적 비용 절감 등의 이점이 있습니다.

Q: 대규모 건설 3D 프린팅에는 실제로 어떤 어려움이 있나요?

A: 검토된 제한 사항은 규모 제약, 대략적인 총 사용률, 정규화 필요성, 이방성 특성, 장거리 행위 특성화 등과 관련이 있습니다.

Q: 이러한 건설 혁신의 미래는 어떻게 될까요?

A: 효율성 향상, 맞춤화 및 오프사이트 제작을 통해 혁신을 추진하는 데 있어 그 역할은 발전이 성숙하고 도전 과제가 해결됨에 따라 더욱 강화될 것으로 예상됩니다.