R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202121CTAP-C157949-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 흡음·난연 특성을 동시 부여한 열전도율 0.051 W/m·K 이하 건축용 단열재를 위한 3D 프린팅 소재·공정·구조 연동설계 시스템 기술 | |||||
| 총 연구기간 | 2020-04-13 ~ 2021-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 김윤철 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
7명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 210,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 210,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 370,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 성균관대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
■ 3D 프린팅은 기존 제조공법으로 구현하지 못한 형상이 구현 가능하여 이전에 설계 불가능한 부품 성능을 설계할 수 있다는 이점이 있지만, 재료·구조·공정 연동형 설계가 필수적이므로 융복합 원천기술이 필요한 제조방식임. ■ 현재 3D 프린팅 시스템(재료·구조·공정) 설계는 원천기술 부족으로 요구 성능에 최적화된 부품 구현에 한계가 있는 상황임. ■ 따라서 본 연구에서는 3D 프린팅 시스템 설계에 대한 원천기술을 개발하고자 하며, 3D 프린팅 제조로 기존 제조방식으로 구현하지 못하였던 다중성능 구현이 가능한 단열재를 응용방안으로 선정하고자 함. [최종목표] ■ 3D 프린팅은 높은 형상 자유도, 공정 간소화 및 잉여재료 절감의 장점으로 건설 분야에서의 수요가 점차 증가하고 있음. 3D 프린팅은 소재·공정·구조 연동형 설계가 필수적이나, 국내외 해당 설계 원천기술의 부재로 인해 출력물의 결함 발생 및 소비자 맞춤 성능 구현에 한계가 있음. ■ 따라서 본 연구에서는 3D 프린팅 연동형 설계 시스템을 구축하여 소비자 요구 성능에 최적화된 소재, 3D 프린팅 공정, 구조를 개발하고자 함. 그리고 이를 단열재 개발에 활용하여 기존에 부여하지 못한 단열·흡음·난연 특성을 단일공정 One-stop process 방식으로 원하는 형상에 맞게 동시에 구현하여, 기존의 단열재의 한계(Multi-step process, 단일 성능, 형상의 제약)를 극복하고자 함. ■ 즉, 난연 및 흡음 특성이 있는 복합재료와 단열 특성이 있는 고분자 재료로 3D 프린팅으로 기존의 발포제로는 구현할 수 없는 다공성 구조를 설계하여 단열재의 단열·흡음·난연 특성을 동시에 제어하고자 함. [연구내용 및 범위] ■ 본 연구에서 개발할 단열재는 흡음 성능에 최적화된 Open-cell 외부구조와 단열 특성에 최적화된 Closed-cell 내부구조를 선정하고자 함. ■ Open-cell 외부구조는 점탄성 거동으로 탁월한 흡음 성능을 보이는 Thermoplastic Polyurethane (TPU)에 친환경 난연재로 각광받고 있는 Magnesium Oxysulfate Whisker (MOSw)가 충진된 복합재료를 3D 프린팅 소재로 합성하여 난연 및 흡음 성능을 동시에 부여하고자 함. ■ Closed-cell 내부구조는 국내 3D 프린팅용 필라멘트에서 많은 점유율을 차지하고 있는 Polylactic acid or polylactide (PLA)와 Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) 보다 단열 특성이 뛰어난 High Impact Polystyrene (HIPS)를 3D 프린팅 소재로 선정하여 단열 성능을 극대화하고자 함. ■ 위의 선정한 단열 특성이 있는 고분자 재료 및 흡음·난연 특성이 있는 복합재료로 2차 년도까지 단열·흡음·난연 성능에 최적화된 다공성 구조를 설계한 후 3D 프린팅 할 예정임. 1차년도 1. 다공성 구조의 열전달 및 소음 해석을 위한 3D 프린팅 재료 물성 DB 구축 2. 흡음·난연 특성을 지닌 외부구조 구현을 위한 복합재료 개발 및 물성 DB 구축 3. 고분자의 유변학적 거동을 고려한 재료별 3D 프린팅 공정조건 최적화 본 연구에서 구현하고자 하는 단열재의 구조는 단열 특성을 지닌 내부구조, 흡음·난연 특성을 지닌 외부구조로 나뉘어짐. 다공성 구조 구현을 위해 3D 프린팅 가능하며 흡음·난연 특성을 지닌 외부 구조용 ABS/MOSw와 단열 특성을 지닌 내부 구조용 HIPS 필라멘트를 개발하고자 함. 앞서 개발한 재료를 3D 프린팅 할 때는 결함이 발생하지 않도록 각 재료별 공정조건들(노즐 온도, 적층 속도, 베드 온도 등)을 고분자 유변학에 기반하여 최적화하고자 함. 2차년도 1. 단열 및 흡음 수치해석에 기반한 다공성 구조의 유한요소해석 모델 개발 2. 해석에 기반한 다공성 구조 최적설계 3. 3DP 소재·구조·공정을 동시 최적화한 3D 프린팅 시스템 구축 및 검증 단열 및 흡음 성능은 구조에 영향을 받으므로 역학에 기반하여 기존에 구현하지 못하였던 흡음 성능에 특화된 외부 구조, 단열 성능에 특화된 내부 구조를 설계하고자 함. 즉, 소음 해석에 기반한 최적화된 Open-cell 외부구조로 흡음 성능을 극대화하고, 열전달 해석에 기반한 최적화된 Closed-cell 내부구조로 단열 성능을 극대화할 예정임. 추후, 3D 프린팅 소재·공정·구조 연동형 설계 시스템 기술을 검증하기 위해 개발된 단열재의 단열·흡음·난연 성능을 정량적으로 평가할 예정임. |
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| 색인어 | 한글 | 3D 프린팅 시스템 | 다공성 구조 | 단열 | 흡음 | 난연 |
| 영문 | 3D Printing System | Porous Structure | Thermal Insulation | Sound Absorption | Fire resistance | |
| 최종보고서 | 1) 최종보고서-표준서식(혁신법 반영)(일반과제)_20220223.pdf | |||||