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과제기본정보

형태의 한계를 극복한 3D 프린팅 몰드와 두께 10mm 혁신적 UHPC를 이용한 비정형 프리폼 건축물 외장패널 설계·생산·시공 통합플랫폼 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 22TBIP-C161326-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 개발
과제명 형태의 한계를 극복한 3D 프린팅 몰드와 두께 10mm 혁신적 UHPC를 이용한 비정형 프리폼 건축물 외장패널 설계·생산·시공 통합플랫폼 개발
주관연구기관 (주)위시스테크놀로지
총괄연구 책임자 성명 김성진
소속 (주)위드웍스에이앤이건축사사무소 직위 소장
전화번호 02 FAX -
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2023-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 430,000,000 38,000,000 282,000,000 320,000,000 750,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ● 3D 프린팅 기술을 활용한 비정형 박판형 몰드개발
바인드젯 3D 프린팅을 통한 UHPC 비정형 패널 몰드 제작 및 시공방법 기술 상용화, 제작 후 샌드바인드 몰드의 100% 리사이클링을 위한 활용 기술 개발

●스마트 노드 설계 및 OSC 생산기술
OSC(Off-Site Construction)기반의 비정형 패널 설계 기술 확립하여 인양 및 설치 기술 개발

●비정형 UHPC 패널 설계, 제작 및 시공 기술
비정형 UHPC 패널 제조 및 시공 방법을 확립, 비정형 패널 지지용 앵커 규격 및 최적화 설계 기술 확립. CNC 제조 기술을 통한 비정형 UHPC 패널 상용화 플랫폼 개발
최종목표 형태의 한계를 극복한 3D 프린팅 몰드와 두께 10mm 혁신적 UHPC를 이용한 비정형 프리폼 건축물 외장패널 기술 실용화 플랫폼 개발

복잡하고 비정형적 곡률과 면외 확장 등을 가진 외장패널의 제작에는 몰드를 통한 콘크리트 패널에 대한 관심과 3D 프린팅을 통한 해결 방안이 제시되고 있으나 이는 다음과 같은 문제점을 가지고 있음

콘크리트 패널에 대해서는 기존에 사용하는 몰드로는 적용하기 힘든 입체적인 형태가 증가하고 있으며 또한 콘크리트패널 자체의 인장강도 취약성으로 균열과 파손의 단점이 존재함

3D 프린팅을 통한 비정형패널의 제작에서 재료압출형(MJ, material jet)은 낮은 품질과 강도문제, 그리고 접착제분사(BJ, binder jet) 3D프린팅은 건축물에 소요되는 대량의 물량에 따른 경제성과 구조안정성에서 어려움이 존재함.

비정형 건축 파사드의 실현을 위한 공학적 솔루션 개발 필요성
비정형 건축의 성공적 완공을 위해서는 외부 파사드를 구성하고 있는 비정형 외장재, 외피의 설계, 시공 및 유지에 관한 공학적 기술이 필요함
연구내용 및 범위 내용 및 범위
1. 3D 프린팅 몰드 종류별 제작 방법 연구 및 개발
- 3D 몰드 제작 방식(합성수지 적층형, 샌드 바인드젯 방식 등)에 대한 기술 연구
- 소형 및 대형 패널의 크기, 형상별 몰드의 설계 기술 연구
- 대형 패널 제작을 위한 몰드간 접합 기술연구 (이음부 디테일 및 연결방법)

2. 3D 프린팅 몰드 및 UHPC 외장 패널의 설계 및 시공과정에 대한 유한요소해석 모델 개발
- 고강도 UHPC 적용을 통한 외장패널의 최적 두께 및 형상비에 대한 DB 구축
- 3D 프린팅 몰드 제작에 대한 해석모델 개발 및 설계 메뉴얼 개발
- 인양과 설치를 고려한 3차원 UHPC 외장 패널의 최적 모듈에 대한 유한요소해석 모델 개발

3. 3D 몰드 고정부에 대한 제조 및 시공 디테일 연구 및 개발
- 대형 UHPC 패널을 위한 찬넬 매입 방법 및 제작용 디테일 연구
- 중소형 UHPC 패널을 위한 언더컷 앙카 매입 방법 및 제작용 디테일 연구
- 비정형 UHPC 패널과 CNC 하지시스템 간의 연결을 위한 브라켓 디테일 연구

4. 3D프린팅 몰드용 UHPC의 유동성/충전성 정립 및 최적 섬유 선정
- 3D프린팅 몰드 종류(크기/형상별)에 따른 UHPC의 소요 유동성/충전성 정립
- 3D프린팅 몰드용 UHPC의 소요 유동성/충전성별 기본배합도출
- 3D프린팅 몰드 종류(크기/형상별)에 따른 UHPC의 최적 섬유 선정
- 3D프린팅 몰드용 UHPC의 최적 섬유별 분산성 확보방안 모색 및 기본배합 도출

5. 3차원 내·외장 패널용 수축제어형 고품질 UHPC 배합 개발
- UHPC Matrix의 수축(자기수축/건조수축)발생 영향인자별 제어 기술 개발
- 수축제어형 고품질 UHPC의 최적배합도출
- 수축제어형 고품질 UHPC의 품질/역학/내구 특성 평가

6. 비정형 UHPC 패널의 시공성 향상을 위한 공법 연구
- 3차원 형상의 하지프레임 및 접합부 인양 및 시공성 검토 및 개발
- 3차원 UHPC 패널 앵커의 인양과 고정에 대한 시공 절차 검토 및 검증
- 설계하중 수준에서 하지프레임 및 앵커에 받는 힘을 확임 검토를 위한 구조해석 방법 제시
- 대형 건축물 비정형 패널 시공을 위한 야적·운송 및 시공 개별 매뉴얼

7. 3D 프린팅 몰드 보강 방법 및 표면마감 연구 및 개발
- 에폭시계, 강화몰탈, Glass Fiber 재료 별 비정형 곡률과 패턴 최적화를 위한 보강방법 연구
- 몰드 내측 마감면의 표면 마감재 하중 및 내구성 확보를 위한 실험 연구
- 인양 및 시공하중을 고려한 최적 폭 두께비 산정을 위한 패널 성능 실험

8. 인양과 시공을 고려한 접합부 최적 위치와 응력/변형에 대한 접합부 유한요소해석 모델 개발
- 3차원 UHPC 외장 패널의 형태에 따른 하중 요구 값과 시공 양중에 대한 DB 구축
- 3차원 UHPC 외장 패널의 일체화를 위한 접합부 유한요소해석 모델 개발
- 해석모델 변수에 따른 외장패널의 시공과 완료 후 응력/변형에 대한 구조 안정성에 대한 연구

9. 접합부 실험에 대한 유한요소해석 모델의 검증과 접합부 안정성 검토
- 실험연구를 기반으로 개발된 접합부 유한요소해석 모델의 검증
- 다양한 형태와 크기에 따른 접합부 응력과 변형에 대한 시공성 및 안정성 검토

10. 언더컷 앙카 볼트의 내진성능 향상을 위한 하우징 설계
- 대형 및 소형 패널의 인양·시공 및 연속성을 가진 앵커의 구조성능 실험
- 언더컷 앵커의 최적 성능 확보를 위한 폭/두께비 최적 성능 확보 구조실험

11. 3D프린팅 몰드 재활용 방안 모색(Zero-emission, UHPC 용 골재화 기술 개발)
- 3D프린팅 몰드 파쇄처리 UHPC용 골재화 기술 개발
- 3D프린팅 몰드 파쇄골재 물리/화학적 성능 평가
- 3D프린팅 몰드 파쇄골재 활용 고품질 UHPC의 최적배합도출
- 3D프린팅 몰드 파쇄골재 활용 고품질 UHPC의 품질/역학/내구 특성 평가
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 1차년도 최종목표

1. 3D 프린팅 몰드 종류별 제작 방법 연구 및 개발

2. 3D 프린팅 몰드 및 UHPC 외장 패널의 설계 및 시공과정에 대한 유한요소해석 모델 개발

3. 3D 몰드 고정부에 대한 제조 및 시공 디테일 연구 및 개발

4. 3D프린팅 몰드용 UHPC의 유동성/충전성 정립 및 최적 섬유 선정

5. 3차원 내·외장 패널용 수축제어형 고품질 UHPC 배합 개발

6. 비정형 UHPC 패널의 시공성 향상을 위한 공법 연구 		1차년도 내용 및 범위

1. 3D 프린팅 몰드 종류별 제작 방법 연구 및 개발
- 3D 몰드 제작 방식(합성수지 적층형, 샌드 바인드젯 방식 등)에 대한 기술 연구
- 소형 및 대형 패널의 크기, 형상별 몰드의 설계 기술 연구
- 대형 패널 제작을 위한 몰드간 접합 기술연구 (이음부 디테일 및 연결방법)

2. 3D 프린팅 몰드 및 UHPC 외장 패널의 설계 및 시공과정에 대한 유한요소해석 모델 개발
- 고강도 UHPC 적용을 통한 외장패널의 최적 두께 및 형상비에 대한 DB 구축
- 3D 프린팅 몰드 제작에 대한 해석모델 개발 및 설계 메뉴얼 개발
- 인양과 설치를 고려한 3차원 UHPC 외장 패널의 최적 모듈에 대한 유한요소해석 모델 개발

3. 3D 몰드 고정부에 대한 제조 및 시공 디테일 연구 및 개발
- 대형 UHPC 패널을 위한 찬넬 매입 방법 및 제작용 디테일 연구
- 중소형 UHPC 패널을 위한 언더컷 앙카 매입 방법 및 제작용 디테일 연구
- 비정형 UHPC 패널과 CNC 하지시스템 간의 연결을 위한 브라켓 디테일 연구

4. 3D프린팅 몰드용 UHPC의 유동성/충전성 정립 및 최적 섬유 선정
- 3D프린팅 몰드 종류(크기/형상별)에 따른 UHPC의 소요 유동성/충전성 정립
- 3D프린팅 몰드용 UHPC의 소요 유동성/충전성별 기본배합도출
- 3D프린팅 몰드 종류(크기/형상별)에 따른 UHPC의 최적 섬유 선정
- 3D프린팅 몰드용 UHPC의 최적 섬유별 분산성 확보방안 모색 및 기본배합 도출

5. 3차원 내·외장 패널용 수축제어형 고품질 UHPC 배합 개발
- UHPC Matrix의 수축(자기수축/건조수축)발생 영향인자별 제어 기술 개발
- 수축제어형 고품질 UHPC의 최적배합도출
- 수축제어형 고품질 UHPC의 품질/역학/내구 특성 평가

6. 비정형 UHPC 패널의 시공성 향상을 위한 공법 연구
- 3차원 형상의 하지프레임 및 접합부 인양 및 시공성 검토 및 개발
- 3차원 UHPC 패널 앵커의 인양과 고정에 대한 시공 절차 검토 및 검증
- 설계하중 수준에서 하지프레임 및 앵커에 받는 힘을 확임 검토를 위한 구조해석 방법 제시
- 대형 건축물 비정형 패널 시공을 위한 야적·운송 및 시공 개별 매뉴얼
연구성과 기술적 기대성과 과학·기술적 측면
● 비정형, 고난이도 Free Form 건축물과 레고 방식의 모듈러 건축물 등 설계자의 의도를 현실화 시킴
● 입체 모듈 외벽 공법 등 추가적인 기술개발에 매우 유리하여 건축산업의 발전을 가속화 시킴
● 3D 프린팅 & OSC의 미래 원천 기술을 통해 국내의 기술적인 우위 확보가 가능함
● UHPC 소재를 활용함에 따라 기존의 건축물 외장패널 제조 방식에 비하여 마감 품질을 향상시킴
● 3D 프린팅 몰드를 활용한 비정형 UHPC 내·외장재 개발 후 국내 현장 시공이 가능함
사회 경제적 파급효과 경제·사회적 측면
● 몰드 제조 공정이 단순화 및 스마트화 되어 기존 사업과 협업이 용이 함
● 기존의 3D 프린팅 외장 패널 제조 방법에 비해 제조량이 많고 제조 비용을 낮출 수 있어 공사비를 획기적으로 저감 할 수 있음
● 비정형 프리폼(Freeform) 디자인으로 이루어진 건축물제작으로 도시의 랜드마크형 건축물로 인한 시민들의 삶의 질 및 국가적 이미지 제고 가능
● 기존의 방식보다 산업폐기물을 최소화 할 수 있으며 콘크리트 제조 시 발생하는 CO2를 저감할 수 있으므로 생태계를 구축하는데 매우 효과적임
활용방안 ● 3D 프린팅 몰드를 활용한 비정형 UHPC 내·외장재 개발로 혁신적인 디자인의 건축물을 비정형 UHPC 패널을 통해 세밀하고 완벽하게 구현함으로 설계와 시공기술의 영역을 확장할 수 있으며 보다 더 큰 건설시장을 개척할 수 있음
● 기존 기술의 문제점을 해결하고, 3D 프린팅 몰드를 사용하여 별도의 마감 없이 외장재로서의 서브프레임 시스템을 적용하게 하며 이를 통해 국내·외 유일 기술로서 기술수출의 발판을 마련
● 후에 본 기술의 확장을 통하여 다양한 용도의 구조물에 적용함으로서 3D 프린팅 신기술을 사용한 제조업 기술 위주의 고부가가치 산업으로 패러다임 유도함으로서 건설산업 영역의 확장으로 새로운 건설시장 확대의 부가가치 창조가 가능함
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 3D 프린팅 몰드 UHPC 비정형 스마트 패널 비정형 패널 접합부 접합부 및 앵커
영문 3D Printing Mold Ultra High Performance Concrete Free Form Smart Panel Free Form Panel Connection Connection & Anchor
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