| 1차년도 |
목표: 3D 프린팅용 블럭과 체결 구조 제안 및 성능 예측 해석○ 자연에 존재하는 패턴이 역학적 성능을 향상 시키는 원리 조사○ 향상시키고자 하는 역학적 특성에 따른 패턴 디자인○ 패턴에 따른 블럭의 역학적 성능 예측을 위한 수치해석 모델 개발○ 유동 채널형 체결부의 재료 선정○ 수치해석을 이용한 체결부의 형상 및 크기 최적화
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(1) 자연모사 패턴을 포함한 고성능 건설 블럭 개발○ 자연에 존재하는 패턴 및 향상되는 역학적 성능 조사- 자연에 존재하는 다양한 패턴의 모양과 결합 구조, 재료 등을 조사하여 해당 패턴의 형성 원리 및 장점을 조사함○ 패턴이 역학적 성능을 향상시키는 원리 조사 및 연구- 내충격성, 내굽힘성, 음향 분산성 등을 향상시킬 수 있는 패턴을 선정하여 역학적 성능 향상의 원리를 연구함○ 자연모사 패턴 개발- 자연 내에서 패턴이 형성되는 순서와 원리를 분석하여 이를 건설블럭에 적용하기 알맞게 조정함○ 3D 프린팅용 3차원 모델 개발- 건설 블럭의 크기를 설정하고, 개발한 자연모사 패턴을 적용하여 수치해석 및 3D 프린팅에 활용할 3차원 모델을 개발함(2) 채널형 체결 구조 형상 최적화○ 기 연구된 블럭형 모듈 체결 구조 조사- 다양한 분야에서 사용하고 있는 모듈 간 체결 구조의 종류와 성능을 조사 및 분석함○ 블럭형 모듈 체결 구조별 성능 조사 및 연구- 체결 성능에 영향을 주는 변수들을 정의하고, 체결 구조에 따른 성능을 비교하여 건설 블럭간 체결구조를 설계함.○ 건설 블럭 체결을 위한 재료 조사 및 선정- 건설 블럭간 체결 강도와 시간을 고려하여 적합한 체결 재료를 선정함○ 체결 구조를 포함한 3차원 모델 개발- 블럭의 크기에 알맞게 체결구조를 설계하여, 3차원 모델에 적용함. 개발한 3차원 모델은 수치해석과 3D 프린팅에 적용 가능함(3) 블럭 내 패턴의 성능 예측용 수치해석 모델 개발○ 3차원 모델을 이용한 수치해석 모델 개발- 개발한 3차원 모델을 이용하여 절점과 요소로 이루어진 수치해석용 모델을 개발함. 효율적인 해석 수행을 위해 요소의 종류와 크기를 조정할 필요가 있으며, 이를 위한 사전 해석을 수행해야 함○ 성능 실험과 동일한 경계 조건 및 하중 조건 부여- 블럭의 성능을 정확히 예측하기 위해서는 성능 실험과 동일한 경계 및 하중 조건이 부여되어야 함. 이를 위해 성능 실험의 종류와 활용 장비를 미리 선정하고, 이를 수치해석에 반영할 예정임○ 수치해석 재료모델 선정 및 적용- 건설 블럭에 사용할 재료를 선정하고, 수치해석 모델에 적용해야 함. 실험체를 제작하여 사전 성능 실험을 수행하고, 결과를 수치해석의 재료모델에 반영해야 함○ 다양한 패턴에 대한 수치해석 수행- 패턴의 종류, 크기 및 재료 비율에 따른 성능 변화를 수치해석을 수행하여 예측하고 결과를 분석함(4) 유동 채널형 체결부 성능 예측용 수치해석 모델 개발○ 3차원 모델을 이용한 체결부 수치해석 모델 개발- 개발한 3차원 모델을 이용하여 절점과 요소로 이루어진 수치해석용 모델을 개발함. 효율적인 해석 수행을 위해 요소의 종류와 크기를 조정할 필요가 있으며, 이를 위한 사전 해석을 수행해야 함○ 해석 시간 감소를 위한 해석 모델 간략화- 체결부의 성능을 정확히 예측하기 위해서는 성능 실험과 동일한 경계 및 하중 조건이 부여되어야 함. 이를 위해 성능 실험의 종류와 활용 장비를 미리 선정하고, 이를 수치해석에 반영할 예정임○ 수치해석 재료모델 선정 및 적용- 체결을 위해 사용할 재료를 선정하고, 수치해석 모델에 적용해야 함. 선정한 재료로 실험체를 제작하여 사전 성능 실험을 수행하고, 결과를 수치해석의 재료모델에 반영해야 함○ 체결부 재료 및 형상에 따른 성능 예측 해석 수행- 체결부의 형상 및 재료에 따른 성능 변화를 수치해석을 수행하여 예측하고 결과를 분석함
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
(1) 작업 인력의 숙련도 의존성 탈피(2) 극한 환경에서 건설 기술 확보(3) 응용기술로 타 산업의 R&D 영향 기여- 기존의 재래식 건설기법이 작업인력의 숙련도에 의존함에 비하여, 3D 프린팅 건설기법은 높은 수준의 자동화가 가능할 것으로 사료됨. 본 연구진이 제안한 기술을 활용하면 건설 블록을 이용하여 현지에서 건설용 재료를 직접 제작하기 힘든 극한지(extreme environment) 등에서의 건설재료로 효율적으로 사용 가능함. 본 연구 개발 내용은 콘크리트가 아닌 다른 재료에 적용할 경우, 항공, 철도, 선박, 로봇공학 및 의과학 등의 다양한 분야에서 광범위하게 적용 가능할 것으로 예상됨.
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| 사회 경제적 파급효과 |
1. 경제적ㆍ산업적 측면(1) 건설비용 저감(2) 새로운 산업 창출(3) 해외에 기술수출 가능성- 3D 프린팅은 4차 산업 혁명의 주요 기술로서, 자동화를 통해 건설에 소요되는 비용과 시간을 대폭 감소시킬 수 있으며, 이는 건설비용 저감하는 효과가 있음. 또한 건설에 직접적으로 필요한 노동자들의 숫자가 감소하는 대신 건설 블록의 품질을 관리하고, 현장으로 운송하며, 현장에서 3D 프린터를 가동하는 새로운 산업이 창출될 것으로 기대됨. 기존 건설 방식에 비해 거푸집이 필요 없기 때문에, 이와 관련된 인명 피해와 재산 피해도 감소될 것으로 예상됨. 또한 아직 세계적으로도 개발되고 있는 기술로써 기술 개발을 선도하고 지적 재산권을 확보할 경우, 해외에 기술 수출 역시 가능함.2. 사회적 측면(1) 재난지역 시설물 제공(2) 극한지 건설을 통한 건설 지역 확대(3) 층간소음으로 인한 갈등 및 사회적 갈등 해결 비용 감소- 3D 프린터를 이용한 건설 자동화 기술은 저층의 같은 구조의 구조물을 빠른 시간 내에 다수 제작하는데 최적화되어 있음. 해당 기술은 자연재해 및 사회 재난으로 인해 발생한 난민들에게 빠르게 독립적인 공간을 제공할 수 있음. 또한, 건설에 인력이 직접적으로 투입되지 않으므로 기존에는 고려하지 않은 지역에도 구조물을 건설할 수 있음. 이는 인구 증가 및 인구 밀도 증가로 인해 발생하는 다양한 사회적 갈등을 감소시키는데 기여할 수 있음. 고성능 블럭의 한 가지 목표인 음향 분산 블럭의 경우 층과 층 사이의 슬라브에 적용될 경우, 음파를 옆으로 분산시켜 층간소음을 저감시킬 수 있음. 기존의 층간소음 저하 방안은 대부분 슬라브 위에 설치되기 때문에 그 효과가 상대적으로 미비한 반면, 본 연구에서 개발하는 블럭의 경우 슬라브 전체에 패턴을 부여하므로 그 효과가 더욱 클 것으로 예상됨. 사회적으로 층간소음으로 인해 발생하는 문제와 이를 해결하기 위한 사회적 비용 감소에 크게 기여할 것으로 기대됨.
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| 활용방안 |
○ 기존의 건설 프로세스에서 발생하는 비효율성의 감소 - 본 연구과제의 블럭식 3D 프린팅 건설기법은 기존의 건설 프로세스에서 요구되는 과도한 노동력 및 소요 시간과 발생하는 대량의 건설 폐기물을 감소시키고 효율적으로 구조물을 건설할 수 있음.- 거주용 구조물뿐만 아니라, 교량 등의 대형 구조물 건설에 효율적으로 활용될 수 있음. ○ 극서지, 극한지 및 우주 공간에서의 건설에 적용- 3D 프린팅 건설 기술은 수작업을 최소화하고 건설 자동화가 가능하다는 장점이 있음. 사람이 직접 방문하여 공사하기 힘든 곳에서도 작업 가능할 것으로 기대됨.- 남극의 과학기지, 심해의 해저 기지 등의 인프라 구조물뿐만 아니라, 화성 우주기지 건설을 위한 구조물 등 우주 또는 다른 행성에서 구조물을 건설할 때, 본 연구의 블럭식 3D 프린팅 건설기술이 최소한의 노동력과 건설 비용으로 활용될 수 있음. - 기존 건설 구조물에 비해 높은 역학적 성능을 갖는 모듈블럭을 3D 프린팅 건설에 활용하면, 높은 내구성 확보가 가능하므로 극한 환경에서 활용성이 높을 것으로 기대됨.○ 패턴화된 블럭의 성능 예측 수치해석 기법- 추후 다른 목적을 위한 자연 모사 패턴을 개발 연구는 지속적으로 이루어질 것으로 예상됨. 본 연구에서 개발하고자 하는 수치해석 기법 개발은 향후 있을 연구개발 프로세스에도 직접적으로 활용 가능함○ 고성능 블럭의 타 산업에 적용- 본 연구 개발은 건설을 위한 3D 프린터 제작보다는 3D 프린팅용 고성능 블럭 및 체결구조 개발에 초점을 맞추고 있기 때문에, 해당 블럭은 항공, 철도, 선박 등의 대형구조물에도 적용이 가능할 것으로 사료됨
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