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과제기본정보

3D 프린터를 이용한 밀도제어형 인공경량골재 제조기술 개발1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 20CTAP-C157265-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 전기·전자 | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 전기·전자 | None | None 과제유형 기초
과제명 3D 프린터를 이용한 밀도제어형 인공경량골재 제조기술 개발
주관연구기관 (재)한국건설생활환경시험연구원오창
총괄연구 책임자 성명 박광민
소속 (재단)한국건설생활환경시험연구원 직위 책임연구원
기관 대표번호 02-2102-2610 FAX 02-856-5623
총 연구기간 2020-04-13 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2020-04-13 ~ 2020-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 5,350,000 48,150,000 53,500,000 213,500,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 SLM 3D Printer(SLM 3DP)를 활용하여 래티스(lattice) 구조체를 출력하고, 공극을 나노실리카겔 등으로 채움으로써 금속 소재 밀도제어형 경량구조체 제조를 실현하는 기술이다. 본 연구에서는 콘크리트용 골재에 적용함으로써 밀도제어형 고성능 인공경량골재를 제조하는 것을 목표로 한다.

[정의] SLM 3DP를 이용한 밀도제어형 고성능 인공경량골재 제조기술 개발
[핵심기술] 래티스(lattice) 구조체를 출력하고, 공극을 채움으로써 밀도제어형 고성능 경량구조체 제조
- [1. Design] 밀도제어형 단위셀(variable-density unit cell) 설계 기술
- [2. Manufacturing] SLM 3DP 출력 최적화 제조 기술
- [3. Manufacturing] 공극 포화 및 표면 코팅 제조 기술
- [4. Application] 고강도 인공경량골재 적용 기술
최종목표 SLM 3D Prining을 이용한 금속소재 밀도제어형 고성능 인공경량골재 제조기술 개발
○ 격자구조(lattice cell) 설계를 통한 맞춤형 밀도제어(1.0 및 1.5 g/cm3)
- 격자구조 두께 및 내부공극설계를 통해 밀도제어 설계프로세스 개발
○ 격자구조 내부 포화 및 표면 코팅을 통한 물성 인공골재 상향 (흡수율 5 % 이하)
- 채움재 공극 포화 및 표면 코팅 최적화 기술 개발
○ 경량 고성능 콘크리트 실용화 기술 (1.6 t/m3, 45 MPa급)
- 경량 고강도 콘크리트 적용
연구내용 및 범위 [1차년도]

주관연구기관 ((재)한국건설생활환경시험연구원)
[1. Design] 밀도제어형 단위셀(variable-density unit cell) 설계 도출
- SLM 3DP 조사 분석
- 단위셀 형상에 따른 물리적 성능 검토 및 최종 설계(안) 도출
※ Strut(스트럿)-based cellular structures 검토
※ TPMS(Triply Periodic Minimal Surface, 극소곡면)-based cellular structures 검토
※ Auxetic(오그제틱)-based cellular structures 검토
- 단위셀 형상의 공극(porosity) 및 밀도를 고려한 설계 프로세스 정립(안)
※ 공극-밀도 상관도 분석
※ 공극-밀도 제어 출력물의 물리적 특성 분석 ？？ 밀도, 강도 등
[2. Manufacturing] SLM 3DP 출력 최적화 제조 기술 최적화
- 적용 소재(안) 도출
※ SUS316L, Inconel 718, Maraging Steel Power, 17-4PH stainless steel, 코발트크롬, 티타늄 등
[3. Manufacturing] 공극 포화 및 표면 코팅 제조 기술 개발
- 채움재 소재 최종(안) 도출
※ 나노실리카겔, 실리카겔 및 고분자 소재 등 채움재 검토
- 채움 방법 검토
※ 물리적 검토(진공함침 등)
※ 화학적 검토(겔화점 조절 등)
[4. Application] 고강도 인공경량골재 적용 기술
- SLM 3DP 적용 사례 국내외 분석
- 경량 고강도 콘크리트용 인공경량골재 적용성 검토


공동연구기관 ((주)쓰리디프리욜)
[2. Manufacturing] SLM 3DP 출력 최적화 제조 기술 최적화
- 적용 소재(안) 도출
※ SUS316L, Inconel 718, Maraging Steel Power, 17-4PH stainless steel, 코발트크롬, 티타늄 등
※ 소재별 물리적 특성 정립 ？？ 밀도, 강도, TG-DTA 등 (성능검토는 주관 공동 진행)
※ 출력조건에 따른 출력물 조직 검토 ？？ 국내외 자료 조사 및 물리적 특성 검토 (성능검토는 주관 공동 진행)

[2차년도]
주관연구기관 ((재)한국건설생활환경시험연구원)
[1. Design] 밀도제어형 단위셀(variable-density unit cell) 설계 도출
- 단위셀 형상을 고려한 최종 설계 도출
- 단위셀 형상의 공극(porosity) 및 밀도를 고려한 설계 프로세스 정립
※ 공극-밀도 상관도 분석
※ 공극-밀도 제어 출력물의 물리적 특성 분석 ？？ 밀도, 강도 등
[2. Manufacturing] SLM 3DP 출력 최적화 제조 기술 최적화
- 출력 조건 영향 인자 검토 및 최적화
[3. Manufacturing] 공극 포화 및 표면 코팅 제조 기술 개발
- 채움재에 따른 물성 검토
※ 물성 향상 ？？ 흡수율, 계면부착 등

[4. Application] 고강도 인공경량골재 적용 기술
- 경량 고강도 콘크리트용 인공경량골재 적용성 검토
- 인공경량 골재 혼입 콘크리트의 최적배합설계
- 인공경량 골재 혼입 콘크리트의 역학적 특성 분석 ？？ 밀도, 압축강도 등
※ 1.6 t/m3 및 45 MPa급 경량 고강도 콘크리트
- 기타 활용 기술 도출
※ 보강재 확대 검토
- 설계 및 출력 조건에 따른 경제성 분석 및 대안책 제시

공동연구기관 ((주)쓰리디프리욜)
[2. Manufacturing] SLM 3DP 출력 최적화 제조 기술 최적화
- 출력 조건 영향 인자 검토 및 최적화(성능검토 주관 공동 진행)
※ 조건 영향 인자 분석 및 최적화 ？？ Laser power, Scan speed, Hatch spacing, Layer thickness 등
: 국내외 기술자료 조사 및 물리적 특성 검토(강도, 밀도)
※ 출력물 미세공극 분석 ？？ Porosity, Pore size distribution(PSD) 분석
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 주관연구기관 ((재)한국건설생활환경시험연구원)
[1. Design] 밀도제어형 단위셀(variable-density unit cell) 설계 도출
- 단위셀 형상에 따른 물리적 성능 검토 및 최종 설계(안) 도출
[2. Manufacturing] SLM 3DP 출력 최적화 제조 기술 최적화
- 적용 소재 도출
[3. Manufacturing] 공극 포화 및 표면 코팅 제조 기술 개발
- 채움재 소재 도출
- 채움 방법 검토 (진공함침 및 겔화점 조절 등)
[4. Application] 고강도 인공경량골재 적용 기술
- 경량 고강도 콘크리트용 인공경량골재 적용성 검토

공동연구기관 ((주)쓰리디프리욜)
[2. Manufacturing] SLM 3DP 출력 최적화 제조 기술 최적화
- 적용 소재 도출(SUS316L, Inconel 718, Maraging Steel Power, 17-4PH stainless steel, 코발트크롬, 티타늄 등)
- 물리적 특성 Data Sheet 확보 		주관연구기관 ((재)한국건설생활환경시험연구원)
[1. Design] 밀도제어형 단위셀(variable-density unit cell) 설계 도출
- SLM 3DP 조사 분석
- 단위셀 형상에 따른 물리적 성능 검토 및 최종 설계(안) 도출
※ Strut(스트럿)-based cellular structures 검토
※ TPMS(Triply Periodic Minimal Surface, 극소곡면)-based cellular structures 검토
※ Auxetic(오그제틱)-based cellular structures 검토
- 단위셀 형상의 공극(porosity) 및 밀도를 고려한 설계 프로세스 정립(안)
※ 공극-밀도 상관도 분석
※ 공극-밀도 제어 출력물의 물리적 특성 분석 ？？ 밀도, 강도 등
[2. Manufacturing] SLM 3DP 출력 최적화 제조 기술 최적화
- 적용 소재(안) 도출
※ SUS316L, Inconel 718, Maraging Steel Power, 17-4PH stainless steel, 코발트크롬, 티타늄 등
[3. Manufacturing] 공극 포화 및 표면 코팅 제조 기술 개발
- 채움재 소재 최종(안) 도출
※ 나노실리카겔, 실리카겔 및 고분자 소재 등 채움재 검토
- 채움 방법 검토
※ 물리적 검토(진공함침 등)
※ 화학적 검토(겔화점 조절 등)
[4. Application] 고강도 인공경량골재 적용 기술
- SLM 3DP 적용 사례 국내외 분석
- 경량 고강도 콘크리트용 인공경량골재 적용성 검토


공동연구기관 ((주)쓰리디프리욜)
[2. Manufacturing] SLM 3DP 출력 최적화 제조 기술 최적화
- 적용 소재(안) 도출
※ SUS316L, Inconel 718, Maraging Steel Power, 17-4PH stainless steel, 코발트크롬, 티타늄 등
※ 소재별 물리적 특성 정립 ？ 밀도, 강도, TG-DTA 등 (성능검토는 주관 공동 진행)
※ 출력조건에 따른 출력물 조직 검토 ？？ 국내외 자료 조사 및 물리적 특성 검토 (성능검토는 주관 공동 진행)
연구성과 기술적 기대성과 ○ 금속 소재 밀도제어형 경량구조체 기술 개발을 통한 “건설 재료&부재 패러다임 변환” 선도
- SLM 3DP로 래티스 기반 밀도제어형 경량구조체 제조기술은 국외에서도 초기 연구단계 수준으로 본 연구개발을 통하여 밀도제어형 경량구조체 분야와 관련된 시장 개척 가능
- 독자적 기술 확보를 통한 건설 재료&부재 패러다임 선도
○“래티스 기반 밀도제어 + 부착력 향상 채움재 + 건설 기술” 등의 기술 융합을 통한 신시장 창출
- 경량, 고강도 및 충격흡수 등의 다기능성 건설 재료&부재 개발의 기반 확립
- 본 연구과제를 거쳐 관련 기술 고도화 R&D 등의 활성화 가능
사회 경제적 파급효과 ○건설 구조물 적용 범위 및 사용 확대
- 경량, 고강도 및 충격흡수 등의 다기능성 건설 재료를 적용함으로써 새로운 경제기반 구축
- 골재 ？？ 비선형 결합구 & 비선형 철근 ？？ 비선형 구조체 등으로 scale-up

○융합 기술 건설 재료 개발 및 활용을 통한 국가 경제 발전 및 국가이미지 제고 기여
- 경량, 고강도 및 충격흡수 등의 다기능성 건설 재료를 적용함으로써 새로운 경제기반 구축
활용방안 SLM 3D Printer를 활용하여 래티스(lattice) 구조체를 출력하고, 공극을 나노실리카겔 등으로 채움으로써 시멘트계 결합재와의 부착력이 향상된 금속 소재 밀도제어형 경량구조체 제조를 실현하는 기술이다. 본 연구에서는 콘크리트용 골재에 적용함으로써 밀도제어형 고성능 인공경량골재를 제조하는 것을 개발한다. 향후, scale-up 과정을 거쳐 비선형 결합구 및 보강재 등으로 적용성을 확대함으로써 새로운 개념의 건설 소재/재료/시스템 개발에 기여 가능함.

- [기반기술] 밀도제어형 경량구조체
- [기본 활용] 경량 고강도 인공경량골재(1.0 및 1.5 g/cm3), 경량고강도콘크리트(1.6 t/m3, 45 MPa)
- [활용 확대] 비선형 결합구 및 보강철근 등 ？？ 비선형 건축 구조체
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 적층제조 3D프린팅 선택적레이저용융 밀도제어 인공골재
영문 Additive Manufacturing 3D Printing Selective Laser Melting Variable-density Artificial Aggregate
최종보고서
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