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과제기본정보

로봇프린팅 기술과 폐플라스틱을활용한 매트릭스프레임 방식의 비정형벽체 제작ㆍ시공기술 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 22CTAP-C163801-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 개발
과제명 로봇프린팅 기술과 폐플라스틱을활용한 매트릭스프레임 방식의 비정형벽체 제작ㆍ시공기술 개발
주관연구기관 순천향대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 이태희
소속 순천향대학교산학협력단 직위 조교수
전화번호 041-530-1321 FAX 041-530-1321
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 210,000,000 8,500,000 71,880,000 80,380,000 290,380,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 연구 개발의 개념

- 본 연구개발은 비정형벽체의 시공 품질 향상과 비용 및 환경부하 감소를 위해 로봇암을 활용한 재활용 펠릿 자유형압출 3D프린터를 개발하려 함.

- 기존의 펠릿을 사용하는 FDM 방식의 3D프린터는 적층형 방식의 입체 구조물을 생산하는 방식으로 형태의 제약이 있고 이를 해결하기 위해 보조 출력물들을 생성하는데 이 과정에서 재료의 낭비 및 소요 시간이 기하급수적으로 늘어나므로 매트릭스프레임을 생산하기 위해서는 추가적인 연구개발이 요구됨.

- 설정된 비정형 벽면(마감재)에 매트릭스프레임을 제작·시공하기 위해서는 비정형벽체의 구조를 자동으로 설계 및 모델링하는 기술이 필요하며 사용자 설정 비정형 벽면에 최적의 크기 및 형상 구조 프레임 디자인 및 설계가 자동으로 되는 기술 연구가 필요함.

- 로봇암 3D프린터 장비를 활용하여 매트릭스프레임 출력 및 생산 시 기존 도출된 출력 시스템과 생산 방식으로는 한계점이 많아 로봇암에 최적화된 3D프린팅 출력 및 생산 시스템 구축이 필요함.

- 생산된 매트릭스프레임은 기존의 비정형 벽면(마감재)과 접합하기 위해 기존 공정 방식과는 차별화된 새로운 시공 공법 및 접합부 개발이 필요함.

- 이에 본 연구는 다음의 3가지 기술을 본 연구의 핵심기술로 선정하여 과제를 진행하려 함
최종목표 본 연구는 비정형벽체를 제작하고 설치하는 연구로 다양한 디자인의 시대적 요구에 반해 시공성, 경제성, 품질문제를 해결하기 어려워 실제 건축에서 적용하기 어려웠던 공법을 로봇프린팅 기술과 매트릭스프레임 방식의 연구를 통하여 조립형시공, 시공기간 및 비용 저감, 디지털제작방식으로 기존의 비정형벽체 문제를 해결하고 일반 설계사와 시공사에서 쉽게 시도 될 수 있도록 설계 및 시공법 개선을 연구한다.

추가 연구로 직접 보이지 않는 구조체 부분에 폐플라스틱을 활용, 제작하여 가장 재료소비가 큰 산업인 토목, 건축분야에 재료순환시스템을 제시하여 건축폐기물 감소와 활용의 대안 제시 연구를 포함한다.

1. (비정형벽체 설계를 위한) 매트릭스프레임 설계자동화
2. (로봇프린팅 장비운용을 위한) 로봇암을 활용한 자유형압출 3D프린팅 시스템 개발
3. (조립형 시공법을 위한) 매트릭스프레임 비정형벽체 시공공법 개발
연구내용 및 범위 ■ 연구의 배경

- 미래의 건축환경 준비를 위한 디지털미래기술 적용과 그린환경문제 해결 방향으로 변화가 예상되며 새로운 방식의 건설시장 창출이 필요

■연구의 방향

- 특수공법으로 진행되던 비정형벽체 공사방식을 일반건축 공법으로 적용 될 수 있도록 설계자동화, 제작효율화, 조립형시공법으로 시공성, 경제성, 품질문제를 해결을 목표로 하며, 폐플라스틱을 활용한 매트릭스프레임 제작으로 환경문제 해결대안 제시

■ 성과 지표

- 로봇프린팅 방식의 비정형벽체 제작시공 기술이 해외(미국,유럽)에서 선도하고 있으나 국내에서는 전통적 가공방식만 활용되어 국내기술과 해외기술의 격차가 큼.
본 연구의 성과는 기존 가공방식의 성능을 월등히 개선하며 해외 선진기술을 추격하는 방식으로 진행 예정

■ 핵심 기술 요소

- 비정형벽체의 매트릭스 프레임을 생산하고 비정형 벽면과 결합하여 설치하기 위해 매트릭스 프레임의 설계·형상 데이터를 3D프린터에 입력하기 위한 비정형모델링 기술과 프레임 자동화 설계 알고리즘 기술, 3D프린팅 출력을 위한 생산시스템 및 기술, 비정형 벽면에 매트릭스프레임을 설치하기 위한 시공기술의 연구가 필요하며 다음 3가지 핵심기술을 지정하여 과제 추진

1. 매트릭스프레임 설계자동화 기술

- 비정형벽체의 구조를 자동으로 설계 및 모델링하는 기술로 사용자 설정(모델링)으로 형성된 비정형 벽면에 최적의 크기, 형상 구조 프레임 디자인 및 설계자동화 기술

2. 로봇암을 활용한 자유형압출 3D프린팅 시스템

- 형태의 제약이 없는 3D프린팅 기술로 자유형압출 3D프린터의 모듈 및 사양을 개발하고 로봇 프린팅의 출력 방식 세팅 기술

- 매트릭스 프레임의 강도, 품질을 유지하면서 생산 및 접합 오차를 최소화 할 수 있는 생산 최적화 기술과 프레임에 적합한 재료(폐플라스틱)로 성과물을 제작하는 기술

3. 매트릭스프레임 비정형벽체 시공 기술

- 비정형벽체의 시공품질과 시공속도 향상을 위한 최적 시공 방식에 관한 연구로 구조적 결함이 없는 프레임과 비정형 벽면, 마감재의 접합방식 및 시공프로세스 개발 기술

1차년도

○ 연구개발내용 및 범위

- 주관연구기관(순천향대학교 산학협력단 )
1. 로봇암에 적용 가능한 펠릿 익스트루더 개발
2. 자동 재료 공급 장치 모듈 개발
3. 폐플라스틱으로 출력 가능한 3D프린팅 구동 시스템 구축
4. 로봇암과 압출 시스템의 연동 및 제어 시스템 설정 최적화

- 공동연구기관(디에스그룹)
1. 매트릭스프레임 개념 정립
2. 로봇프린팅 방식으로 시공 가능한 디자인 도출 및 모델링
3. 매트릭스프레임 프로토타입 도출

- 공동연구기관(지인디자인)
1. 매트릭스프레임 구조 분석
2. 매트릭스프레임과 벽면(마감재)의 접합부 및 접합방식 개발(프레임 조인트, 패널 조인트 등)
3. 로봇프린팅 기술을 적용한 비정형벽체 시공 프로세스 개발

2차년도

○ 연구개발목표

- 주관연구기관(순천향대학교 산학협력단) : 3D프린팅 출력 품질 최적화 및 생산 데이터베이스·매뉴얼 구축
- 공동연구기관(㈜종합건축사사무소 디에스그룹) : 비정형 매트릭스프레임 설계자동화 알고리즘 개발
- 공동연구기관(지인디자인㈜) : 매트릭스프레임을 적용한 비정형벽체 시험시공 및 검증

○ 연구개발내용 및 범위

- 주관연구기관(순천향대학교 산학협력단)
1. 형태의 제약 및 보조출력물로 인한 재료의 낭비 등 기존 FDM방식 3D프린팅 기술의 단점 보완을 위한 기술 도출 및 시스템 구축
2. 출력 품질 향상을 위한 3D프린팅 기술 및 설정 값 최적화
3. 재료별(폐플라스틱) 테스트 데이터베이스 구축·활용
4. 테스트 데이터베이스를 바탕으로 한 검증된 데이터 매뉴얼화

- 공동연구기관(디에스그룹)
1. 비정형 벽면에 적용 가능한 프레임 자동화 설계 최적화
2. 형태의 제약이 적은 자유형압출 3D프린팅 기술에 적용 가능한 알고리즘 개발
3. 비정형 매트릭스프레임 설계자동화 알고리즘 플러그인 제작

- 공동연구기관(지인디자인)
1. 폐플라스틱을 활용한 로봇프린팅 기술 비정형벽체 테스트 모델 시험시공
2. 비정형 벽면(마감재), 매트릭스프레임, 재료(폐플라스틱), 시공공법의 적합성 검증
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 1-1 로봇프린팅 방식 매트릭스프레임 프로토타입 도출 및 개발

2-1 로봇암 장착용 펠릿 3D프린터 모듈 개발 및 구동시스템 구축

3-1 매트릭스프레임 시공공법 개발(프레임 조인트, 패널조인트)
1-1 로봇프린팅 방식 매트릭스프레임 프로토타입 도출 및 개발

- 매트릭스프레임 개념 정립

- 로봇프린팅 방식으로 시공 가능한 디자인 도출 및 모델링

- 매트릭스프레임 프로토타입 도출

2-1 로봇암 장착용 펠릿 3D프린터 모듈 개발 및 구동시스템 구축

- 로봇암에 적용 가능한 펠릿 익스트루더 개발

- 자동 재료 공급 장치 모듈 개발

- 폐플라스틱으로 출력 가능한 3D프린팅 구동 시스템 구축

- 로봇암과 압출 시스템의 연동 및 제어 시스템 설정 최적화

3-1 매트릭스프레임 시공공법 개발(프레임 조인트, 패널조인트)

- 매트릭스프레임과 벽면(마감재)의 접합부 및 접합방식 개발(프레임 조인트, 패널 조인트 등)

- 로봇프린팅 기술을 적용한 비정형벽체 시공 프로세스 개발
연구성과 기술적 기대성과 ○ 기술적 측면

● 건설·기계·재료·소프트웨어·프로세스가 융합된 로봇프린팅 기술은 비정형 구조물 생산을 위한 장비, 재료(폐플라스틱) 압출을 위한 익스트루더, 각 모듈이 통합된 장비 및 기계, 장비를 제어하기 위한 소프트웨어, 건설과 4차 산업 기술이 융합한 건설프로세스 및 시공 공법이 필요하며 이를 통해 각 요소별 신개념 기술 창출이 가능하며 세부 내용은 다음과 같다.

- 비정형 건축물 및 사용자 맞춤형 건축물 등 국내 건설업의 고부가가치 영역 기술우위 확보

- 건설용 3D프린팅 요소기술 및 단위상품의 개발이 가능하게 되며, 국외 선도 기술에 대한 후발주자로서 선도 기술과 동등한 기술수준 도달 가능

- 설계자동화와 시공 시스템의 통합 프로세스를 구현하는 차세대 건설기술의 확립

- 복잡한 형상의 자재. 부재, 접합부 등 건축 구성요소를 3D프린팅함으로써 보다 정밀한 고품질의 비정형벽체 시공 가능

- 로봇프린팅 기술 개발을 통해 구조물을 자동으로 설계하고 비정형벽체 시공 시스템을 최적화하는 기술을 보유함으로써 국내 건설업의 기술력을 한 단 계 발전 가능

- 로봇프린팅 기술은 기존의 모듈화 건설과는 달리 부재 제작 공정이 필요하지 않고 로봇 시스템을 이용하여 신속하게 구조물을 제작하며 고도화 및 복잡화 된 건축물의 제작 용이

- 기존의 방식으로는 실현 불가능한 복잡한 디자인의 시공 가능

- 로봇프린팅 기술에 의하여 최적화된 건축 설계자동화를 통해 나온 디자인에 대한 수정 및 시공 시 유연한 대처 가능
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적ㆍ산업적 측면

● 건설 산업의 신 시장 개척 및 차세대 건설인력 배출이 가능하고 건축 설계 및 시공 프로세스 과정을 단축 시켜 비용·시간 절감이 가능하며 세부 내용은 다음과 같다.

- 설계, 구조검증, 시공 단계에 이르는 프로세스 과정을 단축시켜 고속시공을 가능케하고 시간과 비용을 절감.

- 건축·건설의 한계를 극복할 수 있는 로봇프린팅 기술개발이 성공하면 침체된 건설경기 활성화, 신 시장 창출 등으로 영역이 대폭적으로 확대될 것임.

- 개발된 로봇프린팅 기술은 건설 생산성 향상 및 고부가가치 건설시장 구축을 위한 기반 기술로 활용가능 하며 자재 생산 프로세스 및 설계 디자인 수정·보완에 용이하므로 품질 안정화 및 생산성 향상 가능.

- 비정형 건설 시공의 효율 증대로 인한 공사비 절감 및 생산성 향상



○ 사회적 측면

● 국외에 비해 국내 건설 분야에 3D프린팅 기술은 아직 시작 단계에 불구하며 모듈화 및 조립 방식의 건축물 프린팅이 아닌 로봇프린팅 통합 프로세스 시스템 연구는 유선 및 비정형 건축물을 통한 부가가치 향상에 일조할 것으로 판단되며 세부 내용은 다음과 같다.

- 비정형 건축 로봇프린팅 기술은 4차 산업 기술에 부응하는 최첨단 융복합 산업으로 선도 국가에 기술 의존도를 낮추고 개발 결과로 인한 관련 핵심 기술의 자립화 및 기술 수출을 통해 국가 이미지 제고에 기여.

- 로봇프린팅 요소기술 및 비정형벽체 구성요소의 개발은 3D프린팅 기반 비정형건축물 구현이 가능하게 되고, 3D프린팅 기반 비정형건축물 구현은 차세대의 와해성 기술과 융합되어 신규 산업 창출 기여.

- 3D프린팅 된 건축부재를 이용하여 기존 건축생산시스템을 대체할 수 있는 자동화 및 맞춤형 제작 시스템 개발로 새로운 생산시스템으로의 건설사업 패러다임 전환

- 로봇프린팅 기술개발은 기존 건설산업 체재의 변화 유도가 가능하며 IT융합 건설의 한 분야로써 국내 기술 선점 가능.

- 다양한 비정형 건축물에 활용하여 도심과 건축물의 부가가치를 향상
활용방안 ■ 활용 방안

- 건축 3D프린팅 관련 공모전 및 학술 대회 등에 참가하여 기술력을 검증하고, 시제품 제작 및 사업화 실현 가능성 높음.

- 로봇프린팅 기술을 적용한 설계자동화 알고리즘 및 시공 공법은 비정형벽체를 효율적으로 생산 및 시공이 가능하며 일부 건설 현장 적용 가능

- 현재 건설 패러다임은 콘크리트 재료를 위주로 사용하지만 미래 지향적으로 본 건설 패러다임은 환경 친화적인 재료의 선택과 재료의 낭비 등 환경 문제를 기반으로 움직일 것으로 판단되며 본 연구의 기술을 바탕으로 확장 가능성 높음.

- 건축 트렌드를 반영한 비정형 건축의 수요 측면에서 디자인 수정 및 변경, 상품의 가격 하락, 시공 공기 및 공정 단축, 유지·보수의 편리함 등을 가능하게 하여 고부가가치 비정형 건축 상품을 실현시킬 수 있음

○ 시험시공 계획

- 본 연구는 기초원천 연구과제로 TRL 4까지 적용하는 것을 목표로 하나 각 기술의 실험실 성능평가 후 비정형벽체를 유사환경에서 시험시공(TRL 6)하는 것까지 연구를 진행하려 함.

- 단계별 시험시공 연구성과 검증(1차 : 3D프린팅파크, 2차 : 충남혁신파크)
● 본 연구는 최종결과물을 통해 일부 공간을 시험시공하여 성능을 검증하고 시설물의 유지를 통해 내구성을 검토하려함.

● 비정형벽체 설계는 ㈜종합건축사사무소 디에스그룹이 담당하며, 비정형 벽면 및 매트릭스프레임 생산은 순천향대학교 산학협력단에서, 시공은 지인디자인㈜에서 담당하여 수행할 예정임.


- 1차 시험시공(3D프린팅 파크)

● 비정형벽체(2x5m) 시험시공 예정

● 교내 조성된 3D프린팅파크 내에 비정형벽체의 강도, 내후성 등을 검증 할 수 있는 테스트베드 구축


- 2차 시험시공(충남혁신파크)

● 비정형벽체(3x10m) 시험시공 예정

● 충청남도에서 추진중인 충남혁신파크는 대형 3D프린팅과 업사이클링 특화모델로 조성되고 있으며 본 연구 성과물의 기능,성능,구조적 검증을 위한 테스트베드로 활용.

● 이에 순천향대학교 산학협력단은 시험시공을 통해 연구의 내용을 검증하고, 충청남도에서 추진중인 충남혁신파크는 4차산업기술 및 업사이클링 기반으로 프로그램 운영 및 창업 지원 등을 실현하고자하여 시험시공은 두 기관의 협력 및 실현의지가 매우 높음.

○ 제품화 방안

- 건축분야의 3D프린팅 기술은 대체적으로 콘크리트 소재를 활용한 기술에 대해 연구 개발이 진행되고 있으며 플라스틱을 활용한 3D프린팅 기술은 아직 초기적용단계로 구조체, 시설물, 조형물 생산 등에 대한 3D프린팅 기술이 도입 되고있는 시점임.

- 본 연구는 일부 비정형벽체를 대상으로 하지만 추후 비정형벽체의 일반 시공 현장에서도 적용 가능 할 수 있는 범용성과 확장성을 추구함.

- 또한 본 연구는 설계자동화, 매트릭스 프레임 및 비정형 벽면 생산, 시공기술을 통합한 프로세스를 개발하기 때문에 비정형벽체로 상품화 할 수 있는 가능성이 높음.

- 신재영 신재영 외 4인, 국내 건축분야 3D프린팅 기술의 실무 도입에 관한 인식, 2017
의 연구에서는 3D프린팅 건축상품을 설문을 통해 상품성이 있을 것으로 기대되는 건축상품을 조사하였고 디자인담장, 벽, 커튼월, 타일, 창호재 등 마감재 부분이 심미성에 있어 상품성이 높게 나타난 것으로 보아 비정형벽체에 대한 상품성이 높을 것으로 예측됨.

- 본 연구의 결과물을 통해 후속과제를 진행하여 비정형벽체의 일부가 아닌 비정형 파고라, 파빌리온 등 공공시설물로 확대시켜 상용화 모델을 구축할 계획임.

○ 사업화 방안

- 본 연구기술의 사업화를 위해서는 비정형벽체에 대한 현장적용 실적 및 검증이 필요하며 적용을 위한 실무적 네트워크가 구축되어야 함.

- 주관연구기관인 순천향대학교 산학협력단은 이러한 공공시설물의 설치가 필요한 다양한 공공기관과 MOU를 맺고 있으며 공공기관의 수요에 따라 다양한 비정형 벽면 및 매트릭스 프레임을 본 연구기술을 통해 제공할 수 있음.

- 본 연구팀은 다양한 네트워크와 협력체계를 통해 연구의 결과물을 사업화 할 수 있는 인프라를 구축하고 있으며 3D프린팅 분야의 연구역량을 바탕으로 실현 가능한 사업계획의 수립이 가능함.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 로봇프린팅 매트릭스프레임 비정형벽체 비정형 시공 폐플라스틱
영문 Robot Printing Matrix Frame Freeform Wall Freeform Construction Plastic Wastes
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