R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202020CTAP-C151959-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 비정형 콘크리트 패널 제작을 위한 3D 프린팅 장비 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-15 ~ 2020-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 이동훈 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
8명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 245,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 245,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 360,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 360,000,000 원 |
|||
| 연구기관명 | 한밭대학교 산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 비정형 건축물은 기존 직선 형태를 가진 건축물과 달리 곡선으로 이루어진 기하학적 외형을 가진 건축물을 의미하며 많은 나라들은 비정형 건축물 시공을 통해 자국의 건축 시공 수준을 과시하며 유명한 비정형 건축물을 통해 큰 사회적, 경제적 파급효과를 기대할 수 있음. ○ 과거에는 컴퓨터 기술의 부족으로 건축가들이 비정형 건축물을 표현해내는 데 한계가 있었으며 표현된 비정형 건축물 또한 시공 기술의 부족에 의해 실현되지 못하는 경우가 발생했음. 그러나 현재 컴퓨터 기술의 발전으로 비정형 건축물의 설계 비율은 점차 증가하고 있음. 2007년 바우넷에서 선정한 세계 5대 설계사인 헤르조그앤 드 뮈롱, 렘 콜하스, 자하 하디드, 렌조 피아노, 노만 포스터가 설계한 전체 건축물 대비 비정형 건축물의 비율은 1990년에 10%에서 2010년에는 25%로 그 비중이 2배 이상 증가했음. 이는 비정형 건축물의 수요가 계속해서 증가할 것이라는 사실을 시사함. 첨단소재, 3D 프린팅, 로봇 기술과 같은 혁신적 기술의 개발에 의해 비정형 건축물은 초고층 건축물과 함께 미래 건축산업을 주도하는 주요 트렌드가 될 것으로 예상됨. ○ 이와 같은 건설 시장의 세계적인 트렌드에 맞춰 우리나라에서도 2013년에 세계 최대 규모의 비정형 건축물인 DDP(Dongdaemoon Design Plaza)를 준공함. 그러나 현재 국내·외 비정형 건축물 시공 기술에는 많은 한계점이 있으며 이로 인해 공기 증가, 공사비 증액 등의 문제가 발생함. 실제로 DDP 시공 과정에서 잘못된 공사 관리로 인해 공사비가 2배 증가했으며 해외 비정형 건축물 사례 중 하나인 시드니 오페라 하우스의 경우 공사비가 15배 증가하고 공기가 10년 지연되는 등 많은 문제가 발생했음. 세계 건축 시장 경쟁력을 확보하기 위해서는 비정형 건축물 시공을 위한 건축 기술 개발이 시급한 실정임. ○ 특히 건축물 설계 시 ‘비정형’이라는 특징은 건물 외관에서 발생하므로 건축물의 외관을 구성하는 비정형 패널 생산 및 시공 기술이 비정형 건축물 시공 기술의 가장 핵심적인 요소라고 할 수 있음. DDP의 경우 비정형 외피를 금속 재료로 구현하는 기술을 적용하여 비정형 건축물의 품질과 공사기간 측면에서 다소 개선이 이루어졌으나 그 한계는 여전히 존재함. 금속재료는 건축물의 외피로서 보조적인 역할을 할 뿐 외부와 내부공간을 분리하는 기능을 발휘하기에 한계가 있음. 이에 반하여 초고강도 콘크리트 복합체는 성형성과 강도가 우수하며 유지관리가 용이하여 금속재료가 가진 문제점을 해결할 수 있는 재료임. ○ 이 중 3D프린팅 기술을 사용한 비정형 건축물 구현에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 왔음. 2017년에 중국 항저우에서는 중국 3D프린터 기업의 폭15m, 높이 7m의 세계 최대 규모의 3D프린터를 사용했으며 100cm 두께의 벽체를 3D프린터로 시공하여 250㎡면적의 별장을 24시간 내에 완성하여 세계의 주목을 받았음. 그러나 3D프린팅 공법의 경우 건축물 구현을 위해 건축물의 크기 이상의 대규모 장비가 필요함. 또한 압출형 3D프린터를 사용하므로 표면이 일정하게 표현되지 못하며 그 결과 마감을 위한 인력이 추가돼야 한다는 단점이 있음. 이밖에 플로팅 (Plotting) 방식의 제작이라는 단점으로 인해 하나의 부재를 생산하는데 많은 시간이 소요되어 경제적인 측면에서 대량생산이 불가능하다는 단점이 있음. ○ 현재까지 기술로는 비젛영 형상을 구현한 패널 제작에 성송하지 못함. 이와 같은 상황에서 비정형 건축물 시장의 경쟁력 확보를 위해 기존 연구들의 한계를 개선한 보다 혁신적인 비정형 건축물 생산 기술이 필요한 실정임. 특히 현재 비정형 건축물 생산 기술의 수준을 고려해봤을 때 비정형 건축물을 구현할 수 있는 생산 설비 수준이 아닌 다양한 형태의 패널을 구현할 수 있는 3D 프린터 원천 기술에 대한 연구가 필요하다고 판단됨. [최종목표] 본 연구는 비정형 건축의 FCP(Free-form Concrete Panel)제작을 위한 3D프린팅 장비개발을 목표로 함. 기존의 압출형 3D 프린팅 방식의 문제점인 시공오차, 강도저하, 보강재 삽입 문제 등을 해결하기 위해 새로운 방식인 ‘양면 다점프레스 방식의 3D 프린터 기술’ 개발함. 또한 FCP의 측면각도를 원하는 오차범위 내에서 조절하여 제작할 수 있는 ‘측면형상구현을 위한 형상제어 기술’을 개발하려함. 또한 개발한 기술들을 바탕으로 장비의 제작과 FCP의 완전한 제작을 목표로 함. 마지막으로 구현된 장비를 통해 제작되는 FCP의 요구성능을 만족하기 위해 최적의 콘크리트 배합비를 도출함. 이는 상용화가 가능한 수준의 FCP콘크리트 배합비임. 본 연구는 나열한 기술들을 융합하여 비정형 건축 구현에 부합할 수 있는 FCP제작의 원천기술을 개발하는 것을 최종목표로 함. [연구내용 및 범위] ○ 본 연구에서 개발하는 기술은 첫째로 상·하부 ‘양면 다점 프레스 방식의 3D 프린터’ 기술임. 비정형 건축 구현을 위한 패널생산과 관련된 기존연구들은 단면의 비정형상을 제작하는 수준임. 그러나 비정형건축은 외부와 내부 형상이 유사하게 디자인되므로 이러한 기존의 기술은 한계가 큼. 또한 기존연구에 의해 개발된 단면 성형기술은 아직까지 Rod와 Rubber의 접합문제, 그에 따른 FCP의 완전한 곡률형성이 어렵다는 문제점을 갖고 있으며, 시공 오차발생, 강도저하, 보강재 삽입 문제 등이 나타나 실무적용이 불가능함. 본 연구는 기존 하부기술의 문제점을 보완하며 동시에 설계자가 의도한 정밀한 형상구현을 위해 양면 다점 프래스 기술을 연구·개발하여 FCP의 오차율을 최소화함. 또한 본 연구는 ‘자동 형상제어 측면 거푸집 시스템’ 개발함. 이 기술은 비정형 패널간 접합부의 경사를 정밀하게 구현하는 기술로 ‘측면 거푸집 이동장치’ 와 ‘형상각도 조절장치(Edge Control)’ 기술들을 개발 및 융합한 측면 거푸집 시스템임. 기존 기술은 패널 단면의 형상 및 각도를 조절할 수 없어 접합부에 콘크리트를 별도로 타설해야하는 조잡한 수준의 벽체를 구현하는 한계가 있음. 또한 이를 바탕으로 생산된 FCP는 양 단부(접합부)가 평행이 될 수밖에 없었으며 시공 시 접합이 어렵다는 문제가 있었음. 이를 해결하기 위해 본 연구는 자동으로 형상제어가 가능한 측면 거푸집 시스템 개발함. 이 기술의 개발로 측면 거푸집 높낮이 조절하며, FCP의 곡률구현에 따른 단부 오차를 최소화함. 마지막으로 비정형 패널 주재료인 콘크리트의 빠른 양생과 유려한 성형성을 위한 최적 배합비를 도출함. 최종적으로 앞서 나열한 기술들을 융합하여 비정형 건축을 구현할 수 있는 완전한 FCP제작의 원천기술을 확보함. ○ 본 연구의 최종 목표인 FCP 제작용 3D 프린팅 장비는 그림 9와 같이 상·하부 다점 프레스, 자동형상제어 측면 거푸집 시스템으로 구성되어 있으며 자동형상제어 측면 거푸집 시스템은 측면 거푸집 이동장치와 Edge Control Device(형상 각도 조절 장치)로 구성되어 있음. 상·하부 다점 프레스는 컴퓨터를 사용하여 제어할 수 있으며 높낮이 조절을 통해 제작하고자 하는 FCP의 곡률을 조절함. 자동형상제어 측면 거푸집 시스템은 FCP 곡률에 따라 높낮이를 조절할 필요가 있으므로 측면 거푸집이 상하로 이동할 수 있는 이동장치가 필요하며 Edge Control Device를 사용하여 각 패널 간 원활한 조립을 위한 측면의 각도를 적절하게 조절할 수 있음.또한 본 연구에서는 개발된 장비에 적용하여 요구조건에 부합하는 FCP를 제작할 수 있는 최적의 콘크리트 배합비를 도출하는 연구를 진행하고자 함. FCP 제작을 위해서는 콘크리트의 형상 유지, 속경성이 필수적인 요소로 판단되며 본 연구에서는 이와 같은 성능에 주목하여 최적의 콘크리트 배합비를 도출하고자 함. |
|||||
| 색인어 | 한글 | 3D 프린터 | 비정형 | 콘크리트 부재 | 생산기술 | 로드타입 몰드 |
| 영문 | 3D Printer | Fee-form | Concrete segment | Production technology | Rod type mould | |
| 최종보고서 | 최종보고서_한밭대학교 이동훈.pdf | |||||