R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202020CTAP-C152019-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 비정형 공공시설물의 품질향상을 위한 재생 플라스틱용 3D 프린팅 기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-15 ~ 2020-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 이태희 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
8명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 203,000,000 원 기업 : 68,559,400 원 계 : 271,559,400 원 |
총연구비 | 정부 : 366,000,000 원 기업 : 123,602,400 원 계 : 489,602,400 원 |
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| 연구기관명 | 순천향대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
[사회적 이슈] ■ 공공시설물 비정형 디자인 증가 - 전 세계적으로 도시의 정체성과 공공디자인의 역할이 강조되면서 비정형 디자인을 통해 도시의 아이덴티티와 상징적 디자인 요소를 공공시설물에 적용하는 사례가 증가하고 있음 - 국내에서도 도시와 지자체를 중심으로 지역별 공공시설물의 가이드라인을 제시하여 기존의 일률적인 디자인과 차별화된 지자체의 정체성을 반영한 비정형 공공시설물을 설치하려는 시도와 사례들이 증가하는 추세임 - 이러한 공공시설물의 비정형 디자인 추세는 최근 개성을 중시하며 삶의 질을 강조하는 소비형태와 도시의 경쟁력확보 노력과 맞물려 더욱 가속화 될 것으로 예상됨 ■ 건설폐기물 저감 노력 - 건설폐기물은 전체 산업폐기물에 50% 이상을 차지하며 최근 자재와 형태가 다양해짐에 따라 그 양이 증가하는 추세이며 불법으로 투기되는 폐기물이 많아 환경오염에 주된 요인으로 지목됨 - 이를 방지하기 위해 환경부는 ‘건설폐기물 재활용 기본계획’을 지속적으로 추진 중에 있으며 주된 목표는 건설폐기물의 zero emission 추진과 건설폐기물의 재활용을 통한 자원화와 제품원료화 추진임 - 이 중 플라스틱은 중국이 2017년 7월부터 재활용 고체 쓰레기 수입을 중단하기로 발표하면서 우리나라를 비롯한 미국·영국·독일 등은 폐플라스틱 처리에 대한 문제가 단순히 건설산업 뿐만이 아닌 국가차원의 문제로 심각한 수준에 이르렀음 - 이에 폐플라스틱의 발생량을 최소화하고 폐플라스틱의 재활용률을 높이기 위해 “재활용 폐기물 관리 종합 대책”, “지속 가능한 자원순환 정책방향”등을 통한 노력들을 정부차원에서 추진 중에 있음 ■ [비정형 공공시설 증가와 폐기물 저감의 문제점] 품질적 측면 - 비정형 디자인은 기존의 수직, 수평면이 아닌 경사면과 곡면을 사용하기 때문에 현재 시공방식으로는 설계안을 그대로 구현하기가 어려우며 이러한 문제는 품질의 저하로 나타남 - 곡률 설계부족, 곡면 형상제어 부족, 다른 형상이 접하는 조인트 부분 품질 저하 등의 문제가 발생하며 이는 설계의도와 다르게 건물을 조잡하게 만들 수 있으며 건물의 가치를 떨어뜨림 - 이는 기존의 수직, 수평부재를 분리하여 생산하는 2D방식 마감재료 생산방식의 한계로 3차원 부재생산을 위한 새로운 생산방법이 요구됨 비용적 측면 - 비정형 부재는 정형의 부재를 깎아내어 만드는 과정에서 상당한 양의 재료를 낭비하며 이는 재료비가 상승하여 기존 공사비용보다 증가함 - 시공 측면에 있어서도 시공오차가 발생할 확률이 높아 현장가공이 자주 발생하며 시공의 난이도가 높아 공사시간과 비용이 증가함 환경적 측면 - 대부분 금속재료를 사용함으로써 재료의 낭비, 재료의 가공을 위해 투입되는 에너지로 인해 비정형 건축물을 생산할 때 발생하는 환경부하가 상당함 - 건설폐기물 저감을 위해서는 재료의 사용량이 제한되며 재활용이 가능한 재료를 사용해야 하나 비정형 건축물은 재활용 자재의 사용이 어려워 플라스틱과 같은 폐기물 저감에 도움이 되지 않음 3d 프린팅 기술 - 3D 프린팅 기술은 비정형 공공시설과 품질과 비용, 환경부하 저감을 동시에 해결할 수 있는 적합한 생산 기술임 - 3D 프린팅의 생산방식은 노즐에서 재료를 출력하여 적층시켜 3d 형상을 구현하는 기술로 CNC 가공에 비해 정교한 형상제어가 가능하고 재료를 가공하는 방식이 아닌 적층하여 형상을 만드는 방식으로 재료의 낭비가 적음 - 3D 프린팅은 건설분야에 요구되는 높은 강성과 크기 때문에 적용이 어려웠으나 공공시설물의 부재를 생산하는 방식은 현재 프린터의 크기와 생산방식을 고려하였을 경우 실용성이 높음 재활용 플라스틱 - 재활용 3D 프린터 재료로 펠릿(원재료), 필라멘트(가공재료)를 사용하며 폐플라스틱의 사용으로 자원의 재사용량을 증가시킬 수 있음 - 재활용 펠릿은 폐플라스틱을 가공한 재활용 입자로써 플라스틱 가공을 위한 원료가 되는 재료로 필라멘트로의 가공 공정이 생략되어 에너지와 비용의 절감 효과가 있으며 재활용 필라멘트는 같은 조건의 3D 프린터에서 출력 속도가 빠르다는 장점이 있음 - 두 방식 모두 폐플라스틱을 재활용을 하여 사용한다는 장점이 있으며 이로 인해 재료의 낭비를 줄이고 재사용을 통해 폐기물 처리로 인한 환경부하의 저감이 가능함 - 플라스틱은 현재 건축용 3d 프린터에서 사용되는 콘크리트에 비해 생산속도가 빠르고 확장 및 변경이 용이하며 건축물을 폐기, 보수할 경우 파쇄하여 다시 펠릿형태로의 재가공이 가능하므로 건축된 시설물의 폐기 및 수정 시에도 폐기물 발생이 거의 없음 [최종목표] 본 연구는 비정형 공공시설물의 품질 향상을 위하여 재생플라스틱용 3D 프린팅 기술을 개발하는 것을 연구의 최종목표로 한다. 이를 위해 본 연구는 3D 마감재 모델링, 3D 마감재 생산, 3D 마감재 시공 분야로 나눠 각 세부 분야의 핵심기술을 개발하며 세부의 목표는 다음과 같다. - 3D 마감재 분할시 기존방식 대비 설치 마감재 수 20% 감소 - 3D 마감재 생산시 마감재 형태오차 및 변형 최소화 - 3D 마감재 시공시 기존방식 대비 시공속도 20% 향상 [연구내용 및 범위] 넓은 형태의 마감재를 생산하여 구조체에 설치하기 위해서는 마감재의 형상데이터를 3d 프린터에 입력하기 위한 프리폼 모텔링기술, 마감자재를 출력하기 위한 마감자재용 3D 프린터 기술, 기본구조와 구조물에 마감자재를 설치하기 위한 시공기술의 연구가 필요함 이에 본 연구는 다음의 3가지 기술을 본 연구의 핵심기술로 선정하여 과제를 진행하려 함 ○ [Modeling] 3D마감재 최적모델링 기술 3D마감재 최적모델링 기술은 비정형입면을 분할하여 마감재를 모델링하는 기술로 생산과 원가를 고려하여 최적의 크기 및 형상으로 분할하여 모델링하고 출력방식을 설정하는 기술임 - 형상정보 모델링기술 - 마감재 최적분할 기술 - 마감재 최적출력 기술 [Manufacturing] 3D마감재 최적품질 프린팅 기술 3D마감재 최적품질 프린팅 기술은 마감재의 강도 및 품질을 유지하면서 생산 및 접합오차를 최소화할 수 있는 생산최적화 기술로 마감재에 적합한 재료를 시험하고 마감재용 3D프린터의 사양을 개발하는 기술임 - 생산 및 시공 프로세스 설정 - 마감재용 재활용 플라스틱 재료 설정기술 - 마감재용 3d프린팅 생산기술 - 마감재용 면처리 기술 [Construction] 3D마감재 고속시공 기술 3D마감재 고속시공기술은 시공품질과 속도향상을 위한 최적시공 방식에 관한 연구로 시공이 용이한 프레임구조와 마감재 접합방식 개발하는 기술임 - 프레임 단순화 기술 - 마감재 최적 접합기술 - 비정형 벽면 시험시공 □ 3D마감재 최적모델링 기술 3D마감재 분할시 기존방식 대비 설치 마감재 수 20% 감소 □ 세부설정근거 - 마감재의 크기는 프린터의 크기를 고려하여 일정한 크기로 결정되나 분할된 마감재의 수가 많을수록 생산속도가 저하되고 접합부의 품질이 문제가 됨 - 본 연구는 3차원 최적배치 알고리즘을 사용하여 기존 분할방식 대비 설치 마감재 수를 20% 줄여 품질항샹과 생산속도를 향상하려 함 □ 3D마감재 최적품질 프린팅 기술 3D마감재 생산시 마감재 형태오차 및 변형 최소화 □ 세부설정근거 - 마감재 생산을 위해서는 요구되는 기준강도를 확보하고 마감품질을 확보하는 것이 중요함 - 본 연구는 기준강도를 충족하는 재료의 시험과 프린팅 과정에서 발생하는 오차 및 변형(재료 수축 및 마감면 처리)을 줄일 수 있는 생산방식을 개발하여 생산과정에서 발생하는 품질저하 요소를 최소화하려 함 □ 3D마감재 고속시공 기술 3D마감재 시공시 기존방식 대비 시공속도 20% 향상 □ 세부설정근거 - 비정형 마감재 시공은 기존 프레임에 앵커를 통해 고정하는 방식으로 시공하여 앵커의 각도 및 깊이가 달라 시공에 많은 시간이 걸림 - 본 연구는 접합부를 마감재에 부착하여 일체화 생산함하고 접합부 방식을 단순화하여 전제 마감재의 시공시간을 기존보다 20% 단축하려 함 |
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| 색인어 | 한글 | 3D 프린팅 | 비정형 디자인 | 재생 플라스틱 | 마감재 | 품질향상 |
| 영문 | 3D Printing | Freeform Design | Recycled Plastic | Finishing Material | Improving Quality | |
| 최종보고서 | [서식1] 연구개발 최종보고서_순천향대학교 산학협력단 이태희.pdf | |||||