| 연구개발개요 |
○ 다양한 역학적 성능을 향상시킬 수 있는 패턴이 적용된 고성능의 3D 프린팅 건설블럭의 개발- 내충격성, 내굽힙성, 방음 성능 등의 여러 역학적 성능을 향상시킬 수 있는 패턴을 개발함 (e.g. 내충격성을 향상할 수 있는 진주층 모사 구조와 같은 자연모사패턴 등) - 3D 프린팅을 이용하여 여러 패턴이 적용된 건설용 블럭을 제작할 시, 사용 가능한 재료 조사 및 선정 ① 저강도, 고연성의 thermoplastic polyurethane (TPU)로 이루어진 거푸집에 고강도, 고강성의 polylactic acid (PLA)가 거푸집 안에 채워진 이중재료 블럭을 개발 ② 저강도, 고연성의 thermoplastic polyurethane (TPU)로 이루어진 거푸집에 고강도의 모르타르가 거푸집 안에 채워진 이중재료 블럭을 개발- 수치해석을 통한 여러 패턴이 적용된 블럭의 성능을 분석- FDM 방식의 3D 프린팅을 이용하여 개발한 블럭의 실제 3D 모형을 제작하고, 목표 성능에 알맞은 역학적 실험의 수행을 통하여 제작한 블럭의 성능을 검증○ 3D 프린팅을 이용하여 블럭 간 결합을 위한 3차원 파이프형 채널이 형성되어 있는 체결구조 개발 - 블럭 내부에 유동성 고성능 에폭시가 관통할 수 있는 여러 형태의 채널을 설계- 블럭 간에 견고한 체결을 위한 유동성 고성능 에폭시 조사 및 선정 - 3D 프린팅을 이용하여 채널이 적용된 블럭의 실제 3D 모형을 제작하고 선정한 고성능 에폭시를 이용하여 여러 블럭 간 결합을 수행- 3D 파이프형 체결구조를 통해 결합한 블럭 시스템의 역학적 성능을 검증○ 본 연구의 블럭식 3D 프린팅 건설기법을 통해 고성능의 건설 구조물을 개발할 수 있음- 구조물의 부분마다 요구되는 성능에 맞춰 블럭에 다양한 패턴이 적용될 수 있고, 이를 결합하여 전체 구조물을 완성하는 시스템이므로 구조물의 부분마다 각기 다른 역학적 성능을 구현할 수 있음- 블럭에는 방음 성능을 발현할 수 있는 음파변조패턴, 내충격성, 내굽힘성이 뛰어난 진주층 모사 패턴 등의 여러 가지 패턴을 삽입할 수 있음- 방음 성능이 요구되는 일반 거주지용 구조물에서부터 높은 내충격성이 요구되는 고성능의 극한지용 구조물을 건설하는데 본 연구의 건설기법이 적용될 수 있음- 작은 규모의 블럭을 연속적으로 결합하여 전체 구조물을 완성하므로 건설하고자 하는 구조물의 규모는 3D 프린팅 장비의 규모에 크게 영향을 받지 않음- 여러 블럭이 결합하여 구조물이 완성되는 시스템이므로 구조물의 특정 부분에 균열 등의 결함이 생겼을 경우 해당 블럭만 교체하여 재결합하면 보수가 완성되므로 유지·관리가 매우 수월함
|
| 최종목표 |
최종목표: 자연모사형 블럭과 채널방식의 체결기법을 도입한 건설자동화 기술 개발○ 두 개의 재료 조합으로 패턴화된 고성능 건설 블럭을 개발- Thermoplastic polyurethane (TPU)와 polylactic acid (PLA)의 조합과 TPU와 고강도 모르타르의 조합, 총 2가지 재료 조합으로 패턴화된 블럭을 개발함- 건축물 내에서 각 블럭의 위치에 따라 그에 알맞은 성능을 갖도록 패턴을 개발하고 적용함- 단일재료 블럭과 비교하여, 개발한 블럭의 내충격성, 음향 분산성 등의 성능을 향상시킴(단일재료 대비 개발 블럭의 내충격성 20% 향상, 층간 음파 에너지 투과율 50% 저감)○ 각 블럭 사이에 3차원 파이프 형식의 체결 구조 개발- 블럭 구조에 액체 상태 고성능 에폭시를 주입하기 위한 채널 구조를 설계함- 블럭 내 패턴과 채널의 구조 배치를 최적화함- 기존의 콘크리트 블럭식 조적조 구조와 비교할 때, 개발한 체결구조를 적용할 시 시공 시간을 50% 감소시킴
|
| 연구내용 및 범위 |
(1) 연구내용○ 자연 모사 패턴의 역학적 성능 향상 원리 조사○ 3D 프린팅용 자연 모사 패턴 개발○ 패턴을 포함한 고성능 건설 블럭 개발- 3D 프린터를 이용하여 두 가지 이상의 재료로 구성되어 패턴을 가지는 자연모사형 모듈블럭을 제작하고, 이를 현장에서 적층 및 체결할 수 있는 건설기법을 제안함- 기존에 존재하는 재료(TPU와 PLA, TPU와 모르타르 의 총 두 가지 재료 조합)를 특정 패턴으로 배치하여 단일 재료에 비해 향상된 역학적 성능(내충격성 20% 향상, 층간 음파 에너지 투과율 50% 저감)을 보이는 복합재 블럭 개발함. 제작한 실험체를 이용하여 성능 검증 실험을 수행하고, 이를 수치해석과 비교하여 상호 검증함○ 현장 체결이 가능한 체결 기법 개발○ 체결부 형상에 따른 성능 예측을 위한 수치해석 기법 개발○ 채널형 체결 구조 형상 최적화- 건설 블럭을 현장에서 빠르게 체결할 수 있도록 유동성 경화제를 이용한 채널형 체결부를 블럭 내에 위치시키는 건설 기법을 제안함. 체결 구조의 형상과 재료에 따른 성능을 분석하여 최적화함.○ 블럭 내 패턴의 성능 예측용 수치해석 모델 개발- 다양한 패턴과 재료에 따른 건설 블럭의 성능을 효율적으로 분석하기 위해, 블럭의 성능 예측용 수치해석 기법을 개발함. 간단한 성능 실험 결과와 비교하여 수치해석의 정확성을 검증하고, 이를 활용하여 블럭 구조 최적화 가능함.○ 유동 채널형 체결부 성능 예측용 수치해석 모델 개발-체결부의 재료와 형상 선정을 위해, 이에 따른 체결 성능 예측용 수치해석 기법을 개발함. 실험 결과와 비교하여 수치해석의 정확성을 검증하고, 이를 활용하여 체결부 형상 최적화 가능함.○ 블럭 및 체결 성능 검증 실험 수행(2) 연구개발의 최종 성과물○ 자연 모사 패턴의 역학적 성능 향상 원리 조사○ 3D 프린팅용 자연 모사 패턴 개발○ 패턴에 따른 블럭 성능 예측 기술○ 체결부 형상에 따른 성능 예측기술○ 패턴을 포함한 고성능 블럭 제작○ 블럭의 내충격성 및 음향분산성 등의 실험○ 채널형 체결부를 적용하여 결합된 블럭 실험체 제작○ 체결부를 고려한 종합성능 실험수행(3) 기술성숙도(TRL)의 범위 및 근거본 연구는 2021년 4월~2022년 12월 총 21개월로 구성되며, 자연모사 패턴을 적용하여 고성능 블럭을 개발하고 현장에서 체결 가능한 채널 형식을 적용하여 블럭식 3D 프린팅 건설 기법을 제안함. 건설 분야에서 자연모사 패턴을 포함한 건설 블럭 및 이의 체결 구조에 관한 연구는 거의 진행된 적이 없어 기술성숙도 1~2에 해당함. 본 연구에서는 블럭 및 체결구조의 연구실 규모의 시제품 제작 및 성능 검증(기술성숙도 4~5)을 목표로 함.3D 프린팅은 정해진 재료와 형태의 구조를 24시간 내내 자동 출력 가능하며, 다른 가공으로 제작하기 복잡한 형상을 출력을 통해 생산 가능한 장점이 있음. 하지만, 패턴 및 체결구조 최적화 연구 수행 과정에서는 재료와 형상이 변하기 때문에 3D 프린팅을 이용한 제작에 상당한 시간과 노력이 필요함. 따라서 본 연구진은 21개월의 정해진 시간 내에 3D 프린팅 건설 블럭을 생산하기 위해 1차년도에 수치해석 기법을 개발 및 적용하여 다양한 변수에 대해 해석을 수행할 예정임. 2차년도에는 수치해석 결과를 바탕으로 선정한 블럭과 체결 구조를 적용한 시제품을 제작하여 성능 검증 실험을 수행하는 것을 목표로 함.
|
