3D 콘크리트 인쇄

3D concrete printing
Off-site concrete 3D printer
TU/e Built Environment의 Rohaco 3D 콘크리트 프린터는 콘크리트 인쇄 연구에 광범위하게 사용되고 있습니다.

3D 콘크리트 인쇄 또는 단순 콘크리트 인쇄는 여러 가지 다른 3D 프린팅 기술 중 하나를 기반으로 한 시멘트 재료의 디지털 제작 공정을 말합니다. 3D 프린팅 콘크리트는 거푸집 작업이 필요하지 않으므로 재료 낭비를 줄이고 복잡한 구조에서 기하학적 자유도를 높일 수 있습니다.지난 10년간 믹스 디자인과 3D 프린팅 기술이 최근 발전하면서 3D 콘크리트 프린팅은 1990년대 등장한 이후 기하급수적으로 성장했습니다.3D 프린팅 콘크리트의 건축 및 구조 적용 분야에는 빌딩 블록, 빌딩 모듈, 가로 가구, 보행자 다리 및 저층 주거 구조물의 생산이 포함됩니다.

역사

건축 프로세스의 자동화는 20세기 이후 건축과 토목 공학 분야의 연구 분야입니다.초기 접근 방식은 석조 건축의 자동화에 초점을 맞췄습니다.1904년,[1] 벽돌 쌓기 기계에 대한 특허가 미국에서 존 토마스에게 주어졌습니다.1960년대까지, 기술은 크게 발전했고 모터 메이슨과 같은 기능적인 장비들이 [2][3]건설 현장에서 사용되었다.

동시에, 콘크리트 건설 공정의 자동화도 개발되고 있었다.오늘날 고층 건물의 수직 콘크리트 코어를 건설하는 데 널리 사용되는 기술인 슬립 성형법은 20세기 초에 사일로와 곡물 엘리베이터를 건설하기 위해 개발되었습니다.이 컨셉은 맥도날드 엔지니어링 시카고의 제임스 맥도날드에 의해 개척되었고 밀코 S에 의해 출판되었습니다.그림책의 케첨:1907년 [4]벽, 통, 곡물 엘리베이터의 설계나중에, 맥도널드는 [5]1911년에 "보강 콘크리트 보관함을 위한 형태 이동"이라는 과학 논문을 발표했습니다.마침내 1917년 5월 24일 맥도널드는 수직면에서 [6]콘크리트 형태를 움직이고 상승시키는 장치에 대한 미국 특허를 받았다.

콘크리트 공정의 자동화는 20세기 내내 계속되었습니다. 3D 프린팅 공정은 1980년대에 광중합체와 열가소성 플라스틱을 위해 처음 개발되었습니다.한동안 3D 프린팅 기술은 재료비가 비싸 항공우주산업과 바이오메디컬 산업과 같은 고부가가치 분야에만 국한되었습니다.그러나 3D 프린팅에 대한 지식 기반이 커지면서 콘크리트를 비롯한 다른 재료에 대한 새로운 적층 제조 공정이 개발되었습니다. 3D 프린팅 콘크리트 기술은 1997년 Joseph Pegna가 적층 제조를 콘크리트에 처음 적용했을 때 뉴욕의 Rensselaer Polytechnic Institute(RPI)에서 유래했습니다.이 실험은 단지 개념의 증명에 불과했지만, Pegna는 발전하는 로봇 산업을 인식하고, 건설 과정을 자동화하는 동시에 비용과 폐기물 [7]생산을 줄일 수 있는 기회로 보았습니다.Pegna의 연구는 나중에 바인더 분사, 즉 분말 기반 3D 콘크리트 인쇄의 기초가 되었습니다.

1998년 서던 캘리포니아 대학의 Behrohk Khoshnevis는 콘크리트용 최초의 적층 압출 장치인 Contour Crafting을 개발했습니다.이 시스템은 주입 과정을 자동화하기 위해 컴퓨터 제어 크레인을 사용했으며 부드러운 [8]윤곽 표면을 만들 수 있었습니다.Khoshnevis는 처음에 자연재해 복구를 위한 신속한 주택 건설로 이 시스템을 설계했고, 그는 이 시스템이 하루 [9]만에 집을 완성할 수 있다고 주장했다.재료, 믹스 디자인 및 인쇄 기술의 혁신으로 이후 연구자와 엔지니어는 이 두 가지 인쇄 기술을 확장해 왔습니다. 이 기술에 대해서는 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.

공법

지금까지 산업용 로봇, 갠트리 시스템 및 테더로 연결된 자율 차량을 사용한 건물 요소 또는 전체 건물의 현장 및 현장 외 제작 등 다양한 접근 방식이 입증되었습니다(3D 프린터 섹션 참조).건축 3D 프린팅 기술의 시연에는 주택, 건물 요소(옷장, 구조 패널, 기둥), 교량, 토목 인프라, 인공 암초, 우산 및 조각의 제작이 포함되어 있습니다.현재 3D 콘크리트 인쇄에는 바인더 분사, 로봇 숏 콘크리트 [10]및 적층 재료 압출의 세 가지 시공 방법이 사용되고 있습니다.

바인더 분사

파우더 베드 및 바인더 3D 프린팅으로도 알려진 바인더 제트 3D 프린팅은 Joseph Pegna가 이 시스템을 [11]콘크리트에 적용하기 전에 Massachusetts Institute of Technology에서 물을 바인더로 사용하여 녹말 또는 석고 분말을 활성화하기 위해 개발되었습니다.바인더 분사 시에 인쇄헤드는 분말기판상에 액체 바인더를 층별로 선택적으로 퇴적시킨다.레이어 높이는 일반적으로 0.2~2mm로 변화하며 속도와 완성 부품의 상세 수준을 모두 결정합니다.적층 제작이 완료되면 바인더 젯에 후처리 단계가 필요합니다.첫째, 비고결 분말은 브러시와 진공관을 사용하여 기계적으로 제거해야 합니다.습도 및 온도가 제어된 오븐이나 마이크로파에서도 추가 경화 단계가 필요할 수 있습니다.마지막으로 작은 표면 피쳐를 통합하거나 부품의 표면 품질을 개선하기 위해 표면에 코팅도 적용할 수 있습니다.코팅에 사용되는 일반적인 재료는 폴리에스테르 또는 에폭시 [12]수지입니다.

바인더 분사 기술을 사용한 3D 콘크리트 인쇄는 D-Shape의 [13]Enrico Dini에 의해 대규모로 시연되었습니다.D-Shape는 분말층의 산화마그네슘 활성 모래와 액체 염화마그네슘 용액을 바인더로 하는 비수성 소렐 시멘트에 의존합니다.이 기술은 2009년 KOL/MAC LLC Architecture + Design에 의해 설계된 커피 테이블이나 루트 체어 등의 가구를 만드는 데 주로 사용되어 왔습니다.또한 D-Shape는 2008년 Shiro Studio가 설계한 3×3×3m Radiolaria 파빌리온, 2010년 Triennale di Milano를 위한 페레리 하우스, 2017년 마드리드의 Acciona가 설계한 12m 길이의 인도교와 같은 대형 건축 부품을 생산했다.

바인더젯 3D 콘크리트 프린팅의 또 다른 대표주자는 캘리포니아에 본사를 둔 이머징 오브젝트입니다.2015년에 지어진 블룸 파빌리온에는 산화철 없는 시멘트와 유기 바인더를 사용했습니다.이 공정에 시멘트 하이드레이션이 포함되어 있는지는 불분명하지만, 이 프로젝트는 분말층에 시멘트를 사용하기 때문에 다른 바인더 제트 3D 프린팅 프로젝트 중 자주 언급됩니다.이머징 오브젝트는 D자형 구조물이 하나로 조립된 것과 달리 840개의 작은 블록들을 쌓아서 3.6×3.6×2.7m의 구조물을 만들었다.

장점과 제한

다른 건축 애플리케이션용 3D 프린팅 방법에 비해 바인더 분사 방식은 지원되지 않는 캔틸레버나 돌출부 및 중공 부품을 만들 수 있는 가능성을 포함하여 기하학적 자유도를 높일 수 있습니다.보조 지지구조가 필요한 다른 3D 프린팅 공정과 달리, 바인더 분사 공정은 접합되지 않은 분말 층에 의존하여 제작 중에 연속 레이어를 지속적으로 지지합니다.

일반적으로 바인더 제트 3D 프린팅에서는 남은 분말을 미래 부품에 재사용할 수 있습니다.그러나 주변 습도에 노출되어 수화 과정을 유발할 수 있기 때문에 시멘트 및 골재 분말의 재활용성은 문제가 있습니다.따라서 바인더 제트 3D 프린팅은 현장 시공에 [12]적합하지 않습니다.

적층 압출 3D 프린팅

콘크리트 층상 압출 3D 프린팅은 수치적으로 제어되는 노즐을 사용하여 시멘트 페이스트 층을 한 층씩 정밀하게 압출합니다.층은 일반적으로 두께가 5mm에서 몇 센티미터 사이입니다.압출 노즐은 3D 프린팅된 층을 평평하게 만들고 층간 인터페이스의 홈을 덮는 자동 인양 도구를 동반하여 매끄러운 콘크리트 표면을 만들 수 있습니다.모듈식 철근의 1단계 제작 단계 또는 배관이나 전기 도관과 같은 통합 건물 서비스에서의 통합을 위한 추가 자동화 단계가 제안되었습니다.이 공정에서 공정 계획 및 증착 속도는 재료의 강화 및 [12]경화 속도에 영향을 미치는 중요한 모수입니다.

층상 압출 3D 콘크리트 인쇄는 현장 시공에서 가장 일반적으로 사용되며 대규모 3D 프린터(3D 프린터 섹션 참조)가 수반됩니다.이 기술은 최근 많은 대학, 신생 기업 및 유명 건설사들이 콘크리트 압출 3D 프린팅 전용 하드웨어, 콘크리트 혼합물 및 자동화 설정을 개발하면서 관심이 높아지고 있습니다.용도에는 다리, 기둥, 벽, 바닥 슬래브, 가로 가구, 물탱크 및 건물 전체가 포함됩니다.

장점과 제한

기존 콘크리트 주조 및 분무와 달리 적층 압출 3D 프린팅은 거푸집 작업이 필요하지 않습니다.이는 콘크리트 공사의 거푸집 공장이 원료, 철근, 노동력을 [14]합친 것보다 50~80% 더 많은 자원을 차지할 수 있다는 점을 고려하면 상당한 이점이다.층상 콘크리트 압출의 주요 과제는 콘크리트의 온 디맨드 레올로지 설정, 철근의 통합 및 연속층 [15]간 계면에서의 냉간 접합 형성입니다.

슬립 성형

다음 항목도 참조하십시오.슬립 성형

ETH Zürich에서 Smart Dynamic [16]Casting이라는 이름으로 개발한 공정인 로보틱 슬립 성형(Robotic Slip-forming)은 적층 압출 및 바인더 제팅과 함께 콘크리트 3D 프린팅 공정군에 포함되기도 합니다.이 공정은 3D 프린팅의 적층성 때문에 재료의 단면이 달라질 수 있는 작동 주형을 통해 천천히 압출되기 때문에 3D 프린팅의 정의에 느슨하게 들어맞습니다.그러나 다른 3D 프린팅 공정과 달리, 슬립 성형은 연속적인 공정이며 이산형이나 레이어 베이스가 아니기 때문에 주조 및 압출과 같은 성형 공정과 더 밀접하게 관련되어 있습니다.

테크놀로지

콘크리트용 3D 프린터

벌컨으로 알려진 ICON의 갠트리 시스템은 최대 3,000평방피트의 구조물을 인쇄할 수 있습니다.

3D 콘크리트 인쇄에 사용되는 로봇에는 응용 분야, 프로젝트 규모 및 인쇄 기술에 따라 몇 가지 주요 범주가 있습니다.모든 건설용 3D 프린터는 일반적으로 서포트 구조와 콘크리트를 분출하는 노즐이 있는 프린터 헤드로 구성됩니다.프린터는 일반적으로 건물 설계도를 프린터에 직접 업로드하는 모델링 소프트웨어와 함께 사용됩니다.

  • 갠트리 로봇: 갠트리 로봇은 혼합 및 증착 시스템을 갖춘 이동식 갠트리 시스템으로 구성된 3D 콘크리트 프린팅에서 가장 일반적입니다.풀 컴포넌트 또는 구조를 인쇄하기 위한 소규모 연구실 모델부터 대규모 프린터까지 다양합니다.이러한 프린터는 일반적으로 수직 압출에 한정되어 있습니다만, 큰 프로젝트에서는 높은 안정성과 용이한 확장성을 얻을 수 있습니다.갠트리 로봇은 조립된 구조물보다 커야 하며, 이것은 운송 비용을 증가시키고 비용을 [12]책정할 수 있다.그러나 모든 3D 프린터를 가장 쉽게 제어할 수 있습니다.
  • 케이블 구동 시스템:케이블 구동식 시스템에서 인쇄 헤드는 프레임 내의 여러 고정점 사이에 매달린다.갠트리 시스템보다 기하학적 자유도가 높고 가볍고 운반이 용이합니다.단,[12] 기기의 넓은 면적이 필요하며 케이블이 인쇄된 구조와 겹치지 않도록 계획하는 것이 중요합니다.
  • 로봇 암:이는 조립 라인에서 볼 수 있는 로봇 팔과 유사하며, 6축 이동과 3D 프린팅 시스템의 자유도가 가장 높습니다.또한 콘크리트를 퇴적하고 철근과 같은 구성요소를 내장하며 콘크리트 세트 후에 필요할 수 있는 후처리를 수행할 수 있습니다.로봇 팔은 가장 콤팩트한 시스템이지만 소규모 [12]응용 분야에서 가장 일반적으로 사용됩니다.

프린터 파라미터

프린터 유형뿐만 아니라 특정 프린터 매개변수도 3D 프린팅 콘크리트의 최종 성능에 큰 영향을 미치므로 3D 프린팅 공사를 계획할 때 신중하게 선택해야 합니다.이러한 파라미터는 간단히 인쇄헤드 설계와 인쇄속도로 나눌 수 있습니다.

인자 헤드 설계

인쇄 헤드는 콘크리트 혼합물이 노즐을 부드럽게 통과하여 각 층 간에 접착 효과를 창출할 수 있도록 선택해야 하며, 동시에 응고 [8]프로세스를 시작해야 합니다.프린터 선택과 마찬가지로 노즐 모양과 크기는 용도에 따라 다릅니다. 3D 프린팅된 콘크리트 샘플은 일반적으로 직사각형 구멍이 있는 노즐을 사용하여 인쇄된 각 층 사이에 간격이 적기 때문에 일반적으로 원형 [8]노즐로 인쇄된 것보다 강도가 높습니다.그러나 복잡한 형상을 인쇄하려면 원형 노즐이 더 적합합니다.같은 노즐 타입에서 인쇄된 샘플의 경우 큰 노즐을 [8]사용하면 기계적 특성이 향상됩니다.

인쇄 헤드의 높이는 인쇄 플랫폼에 대한 노즐의 높이입니다.이 매개변수는 접합 강도를 포함하여 레이어 간의 표면 품질에 영향을 미치므로 정밀하게 조정해야 합니다.인자 헤드가 너무 높게 설정되어 있으면, 레이어간의 접착 강도가 저하해,[8] 형상이 불안정하게 됩니다.노즐이 인쇄면에 너무 가까이 있으면 인쇄 공정에 방해가 되어 콘크리트에 추가 하중을 가할 수 있습니다.연구에 따르면 노즐의 [8]폭과 동일한 인쇄 높이를 제안합니다.

인쇄 속도

인자 헤드의 설정 속도도 접착 강도에 영향을 줍니다.노즐 속도를 높이면 콘크리트가 제 자리에 놓일 시간이 거의 없기 때문에 일반적으로 접착 강도가 감소합니다.그러나 연속 레이어를 인쇄하는 데 너무 오랜 시간이 걸리면 레이어 간 접합이 감소하므로 [8]조기 붕괴 없이 강도를 설명하는 밸런스를 설정해야 합니다.3D 프린팅 콘크리트의 품질에 영향을 미치는 다른 요인으로는 프린터를 모니터링하는 데 사용되는 펌프와 제어 장치 및 콘크리트 혼합 설계(혼합 설계 섹션 참조)가 있습니다.

3D 프린터 공급업체

3D 콘크리트 인쇄 기술은 지난 10년 동안 기하급수적으로 성장했으며, 연구자들이 이러한 프린터의 소프트웨어, 하드웨어 및 구성 기능에 대해 더 많이 알게 되면서 계속해서 성장할 것으로 예상됩니다.다음은 세계적으로 사용되는 몇 가지 주목할 만한 기업 및 3D 프린터입니다.

콘크리트용 3D 프린터 공급업체
회사 본사 프린터명(타입) 메모들
동작하다 덴마크 BOD2(건트리) 시중에서 가장 빠르고 널리 사용되는 3D 프린터로 최대 1000mm/s의 인쇄 속도를 자랑합니다.레이어 폭은 최대 100mm, 높이는 최대 40mm 실현
와스프 이탈리아 크레인 와스프(크레인/간트리) 설치장소의 제약 및 프로젝트 용도에 맞게 강철 지지대를 재구성할 수 있으며, 최대 100평방미터의 면적을 인쇄할 수 있습니다.
베리코 네덜란드 EVA(로봇 암) 고정 설정 또는 트랙에서 사용 가능.빌드 부피는 2.7m x 10m x 3.0m입니다.또한 연구소 및 소규모 프로젝트용 로봇 암 제공
사이베 네덜란드 CyBe G (간트리) 구조 전체가 아닌 모듈 인쇄에 최적.CyBe는 고정 로봇 팔과 크롤러 시스템에 연결된 휴대용 로봇 팔의 두 가지 로봇 프린터도 제공합니다.
아이콘 텍사스, 미국 벌컨(간트리) 최대 3,000평방피트(약 280평방미터)의 영역을 분당 약 5~7인치 속도로 인쇄합니다.모든 기상 조건에서의 퍼포먼스 인정
시공-3D 프랑스. MaxiPrinter(크레인/로봇 암) 크롤러 시스템에 연결된 크레인 암이 특징입니다.독특하고 유연한 디자인으로 휴대성과 휴대가 용이함

혼합 설계

3D 프린팅된 콘크리트의 수축 균열로 인해 혼합 설계 및 경화가 불충분합니다.

중요 혼합 속성

3D 프린팅 콘크리트의 경우,[23] 제작성과 압출성은 혼합물의 가장 중요한 설계 특성 중 두 가지입니다.압출성은 인쇄 헤드의 노즐을 통과하는 혼합물의 능력이며, 제작성은 추가 [24]레이어를 지원하는 능력입니다.이러한 특성은 혼합물의 일관성, 응집력 및 안정성에 의해 좌우되며, 혼합 설계와 선택된 재료에서 비롯됩니다.두 특성 모두 강성과 작업성 사이의 균형을 충족해야 합니다.혼합물이 딱딱하면 강도가 높아지지만, 유속과 인쇄 속도가 저하되어 프린터 [24]헤드가 막힐 가능성이 있습니다.반대로, 강성을 너무 많이 줄이면 강도와 [24]제작성을 희생시키면서 작업성과 돌출성을 높일 수 있습니다.

콘크리트는 층층이 인쇄되기 때문에 층간접합이 충분해야 적절한 경화 및 최대강도 용량을 확보할 수 있다.현재 업계 표준은 없지만, 3D [24]인쇄에 최적인 조합을 만들기 위해 상당한 연구가 수행되었습니다.그러나 메타콜린, 플라이 애쉬, 실리카 흄 및 슈퍼 가소성제와 같은 보충 시멘트 재료(SCM)는 모든 3D 프린팅 콘크리트 혼합물에 공통적으로 사용됩니다([23]혼합제 섹션 참조).

시멘트 재료

시멘트 재료는 모든 콘크리트 혼합 설계에 필수적입니다.이러한 재료는 물과 화학적으로 반응하여 경화 과정을 거치기 때문에 혼합물을 고정시키는 바인더 역할을 합니다.Portland 시멘트는 저렴한 비용과 광범위한 가용성 때문에 3D 프린팅 및 기존 콘크리트 용도에 가장 많이 사용되는 재료입니다.그러나 3D 프린팅 적용에는 [8]높은 설정 시간과 낮은 접합 능력이 불리합니다.따라서 수축을 줄이고 [8]접착력을 향상시키기 위해 고분자 및 기타 혼합제가 첨가되는 경우가 많습니다.이러한 고분자 중 일부는 고무, 혼합 모래 골재, 탄소-황 중합체 및 지질 고분자를 포함하며, 균열 수리와 [8]내성의 이점도 더했습니다.

한 가지 대안은 술포알루민산 시멘트입니다. 술포알루민산 시멘트는 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 수화 과정을 가속화하고 타설 후 초기 콘크리트 강도를 개발하는 데 도움이 됩니다.포틀랜드 시멘트의 경화 시간은 약 30분이지만 술포알루민산염 시멘트의 경화 시간은 불과 6분이다.[8]따라서 훨씬 짧은 시간에 더 높은 강도를 달성하여 제작성을 높일 수 있습니다.

집약

골재 함량과 선택은 콘크리트 혼합 설계와 관련하여 선택된 시멘트 재료와 동일합니다.특히 입자 크기는 3D 프린팅 콘크리트 혼합물에 상당한 영향을 미칩니다.입자 크기가 너무 크면 3D 프린터의 노즐이 막힐 수 있지만, 너무 작은 골재는 혼합물의 강도를 떨어뜨려 [8]균열을 일으킬 수 있습니다.믹스 설계의 경험적 규칙은 부드러운 [8]압출이 보장되도록 최대 골재 입자 크기가 노즐 직경의 1/10 미만이어야 한다는 것입니다.

3D 프린팅 콘크리트의 기계적 특성에 대한 골재 크기의 영향을 조사하기 위해 여러 연구가 수행되었습니다.굵은 골재를 증가시키면 콘크리트의 체적 안정성이 향상되고 초기 3D 프린팅 콘크리트 [23]혼합물의 일반적인 문제였던 수화열과 수축을 감소시키는 것으로 나타났습니다.굵은 골재를 사용하면 콘크리트 증착 속도와 인쇄 헤드 속도도 향상되어 인쇄 효율성과 생산성이 향상됩니다.따라서 이바노바와 [23]메흐트체린이 관찰한 바와 같이 인쇄된 구조는 안정성과 강도를 높입니다.레올로지 제어의 과제가 명확해짐에 따라 굵은 골재 함량과 크기에는 한계가 있습니다.모래와 자갈과 같은 천연 골재는 인공 골재에 비해 생산 에너지가 적게 필요하기 때문에 선호되지만 골재 선택은 지역 침전물에 의해 제한될 수 있다.

혼재

혼합제에는 콘크리트 혼합 특성에 영향을 미치는 물 밖의 모든 재료, 골재 및 시멘트 재료가 포함됩니다.특히 3D 프린팅 콘크리트에서는 이러한 혼합제가 제작성, 작업성 및 압출성 균형을 유지하는 데 매우 중요합니다.플라이 애쉬(fly ash)는 고성능 3D 프린팅 콘크리트의 주요 혼합제로, 작업 성능과 [23]내구성이 향상됩니다.그러나 플라이애쉬의 양이 많으면 강도와 제작성이 더디게 발달할 수 있으며,[23] 이것이 종종 형상의 안정성을 유지하기 위해 점토와 같은 다른 혼합물과 혼합되는 이유입니다.

실리카 흄은 3D 프린팅 콘크리트 혼합물의 또 다른 일반적인 혼합물로서, 콘크리트가 경화되면 초기 강도는 물론 굽힘 강도도 증가하기 때문입니다.실리카 증기의 주요 장점은 작은 입자가 큰 골재 주변의 빈 공간을 메워 시멘트 바인더와의 접착 성능을 향상시킨다는 것입니다.또한 혼합물의 입자 크기 분포를 최적화하여 항복 응력과 제작성을 [23]높이는 데 도움이 됩니다.

기계적 특성

표준 콘크리트 혼합물과 마찬가지로, 3D 프린팅 콘크리트 혼합물은 일반적으로 압축 강도 및 휨 강도를 테스트합니다.이러한 기계적 특성은 혼합 설계에 따라 크게 달라지며, 위 절에 설명된 것과 같은 혼합물을 추가하면 개선할 수 있습니다.일반 Portland 시멘트, 플라이 애쉬, 실리카 흄 및 미세 유리 골재를 포함하는 혼합물의 경우 압축 강도는 약 36~57MPa로 일반 중량 콘크리트의 압축 강도와 맞먹습니다.슈퍼 가소제 및 추가 화학물질을 사용하여 100 MPa 이상의 고성능 콘크리트 강도를 달성했지만,[23] 이러한 혼합물은 생산하기에 더 에너지 집약적입니다.

3D 프린팅 콘크리트의 경우 구조 특성은 층간 접합 성능에 크게 영향을 받습니다.인쇄 속도와 인자 헤드의 높이를 높이면 층간 접착 강도가 저하되는 한편, 층간에 모르타르를 추가하면 이 강도가 향상됩니다.특히 흑탄, 유황, 모래로 이루어진 수지 모르타르를 사용하면 효과가 [23]있는 것으로 나타났습니다.

3D 프린팅용 콘크리트 공급업체

3D 프린팅 콘크리트 믹스 설계에 대한 기준이 정해져 있지 않기 때문에 건설 서비스로 3D 프린팅 서비스를 제공하기로 결정하면 기업이 자체 연구개발을 추진하는 경우가 많습니다.다음은 3D 콘크리트 인쇄를 서비스 범위에 성공적으로 구현한 몇몇 주목할 만한 기업들입니다.

3D 프린팅 콘크리트 공급업체
회사 본사 믹스 메모들
Sika USA 뉴저지, 미국 Sikacrete 7100 3D 시멘트 분말과 섬유 및 액체[25] 폴리머로 구성된 즉시 사용 가능한 혼합물
사이베 네덜란드 CyBe 모르타르 3분 만에 굳어져 저농도의 염화물과 황산염으로[26] 1시간 만에 최대 강도를 달성합니다.
하이델베르크멘션 독일. i.tech 3D 독일 최초의 3D 프린팅 하우스 건설에 사용
아이콘 텍사스, 미국 라바크리트 마그마 공급 시스템 및 벌컨 프린터와 통합된 ICON 고유의 믹스
라파르주홀심 스위스 텍토르 3D 빌드 최대 90Mpa의[28] 강도를 가진 최초의 3D 프린팅용 건식 모르타르 제품
CEMEX 멕시코 D.fab 시판되는[29] 3D 프린팅 콘크리트에 일반적으로 사용되는 박격포보다 CO2 배출량이 1.5배 낮습니다.

주목할 만한 프로젝트 및 응용 프로그램

3D 프린팅 콘크리트의 적용은 강화의 어려움과 인쇄 기술의 한계로 인해 대형 상업용 건물이 아닌 모델 및 주거용 주택 등 소규모 프로젝트에 국한되어 왔습니다.그러나 전 세계에는 3D 프린팅 콘크리트의 가능성을 입증하는 몇 가지 주목할 만한 프로젝트가 있습니다.

아이콘: 3D 프린터로 제작한 가정

ICON은 텍사스주 조지타운에 3D 프린팅된 100가구의 커뮤니티를 만들고 있습니다.예약은 2023년부터 시작되며 가격은 40만 달러 중반이다.벌컨 프린터는 침실 3~4개와 [21]욕실 2~3개로 구성된 8개의 평면도를 제작할 수 있습니다.마그마로 알려진 콘크리트 공급 시스템은 Lavacrete로 알려진 Icon의 개발된 콘크리트 혼합물을 벌컨 프린터에 공급합니다. 이 혼합물은 현장의 기상 조건에 맞게 조정되고 자동으로 [21]판독/인쇄 콘크리트를 공급할 수 있습니다.90~200m의2 3D 프린팅된 주택은 같은 [21]지역에서 최대 16주가 걸리는 목재 프레임에 비해 인쇄하는 데 약 5~7일이 소요됩니다.

ICON은 2020년 3월 텍사스주 오스틴에 있는 7개의 3D 프린팅 가정을 위한 프로젝트를 완료했습니다.ICON의 Vulcan 프린터를 사용하여 각 400피트2 홈을 27시간 만에 인쇄했습니다.첫 번째 거주자는 2020년에 주택으로 이사했으며, 도시 노숙자 [30]인구의 약 40%인 480명의 노숙자가 거주하는 것으로 추정된다.

네덜란드 니메겐에 있는 세계에서 가장 긴 3D 프린팅 콘크리트 다리

Habitat for Humanity: 저렴한 가격의 빠른 주택

2021년, 세계 최대의 비영리 주택 건설 기관인 Habitat for Humanity는 버지니아주 윌리엄스버그와 애리조나주 템페에 3D 프린팅 주택 두 채를 건설했습니다.버지니아 주 주택은 1,200피트2 높이로 COBOD 3D 프린터로 28시간 만에 프린팅했는데, 이는 표준 [31]건축보다 약 4주 빠른 속도였습니다.이 조직은 3D 프린팅 콘크리트 벽면을 통해 평방피트당 약 15%의 건축 비용을 절감할 수 있을 것으로 추정했습니다.애리조나에 있는 1,738피트의2 주택은 여름에 지어졌는데, 이 시기에는 극한의 열기로 인해 건설이 중단되었다.주택의 80%는 내벽과 외벽을 포함한 3D 프린팅으로 건설되었고, 지붕과 같은 나머지 부분은 전통적인 [31]공법으로 건설되었습니다.Habitat for Humanity는 3D 프린터로 제작한 집이 저렴한 가격의 주택과 극한 기후 및 환경에서의 노동력 부족을 해결할 수 있기를 바라고 있습니다.

PERI: 프로젝트 마일스톤

독일 최초의 3D 프린팅 주거용 건물은 2020년 9월 PERI에 의해 COBOD의 BOD2 프린터와 하이델베르크 시멘트의 콘크리트 [30]혼합물을 사용하여 건설되었습니다.24개의 콘크리트 요소를 시설에서 인쇄한 후 조립을 위해 현장으로 이송했습니다.프린터는 5분마다 1m의2 벽을 만들어 2020년 11월까지 160m의2 홈을 완성했습니다.단 두 명의 작업자만 벽면을 인쇄하면 되는데 여기에는 물 배치, 전기, 파이프 연결 [30]등이 포함됩니다.

네덜란드, Nijmegen: 보행자용 다리

2021년, 네덜란드 도시 니메겐은 [32]29미터에 이르는 세계에서 가장 긴 3D 프린팅 콘크리트 보행 다리를 공개했습니다.3D 프린팅은 콘크리트를 구조 강도가 필요한 곳에만 타설하기 때문에 약 50%의 재료 절감 효과가 있는 것으로 추정되었습니다. 3D 프린팅된 교량 부품은 BAM과 Weber Beamix가 오프사이트에서 제작하여 현장에서 운반 및 조립했습니다.가장 긴 3D 프린팅 콘크리트 다리의 이전 기록 보유자는 [32]상하이의 칭화 대학이 건설한 26미터였습니다.

경제적 영향

3D 프린팅된 풍력 터빈 기반 콘크리트 벽은 격자 구조를 구현하여 재료 사용률을 낮춥니다.

비용 및 경제성 측면에서 3D 프린팅 콘크리트의 한 가지 장점은 기존 콘크리트 타설용 금형을 형성하는 데 사용되는 거푸집 작업이 필요하지 않다는 것입니다.재료비와 [33]인건비로 인해 전체 콘크리트 시공의 50%를 거푸집이 차지할 수 있습니다.그러나 인쇄 헤드 노즐과 보조 감시 장치를 포함한 기계와 관련된 비용이 있습니다.또한 3D 프린팅된 콘크리트 혼합물은 종종 나노 점토, 나노 실리카 및 압출 [33]공정을 돕는 기타 화학 혼합물을 첨가하여 기존 콘크리트와 다릅니다.

생산성 측면에서 3D 프린팅 콘크리트를 사용하면 간접적인 경제적 이점이 있습니다.건설 부문은 종종 매우 전통적이며, 대부분의 경우 지난 수십 년 동안 공정은 비슷한 상태를 유지해 왔습니다.이는 현재 프로세스가 많은 건설 애플리케이션에서 여전히 효과적이기 때문입니다.예를 들어, Garcia de Soto의 연구는 로봇으로 제작되고 기존의 벽 조립체를 복잡도가 다른 수준으로 비교한 결과, 기존의 구조가 단순한 벽을 위한 로봇 제작보다 더 뛰어난 반면 기하학적 복잡성이 [33]증가할수록 로봇의 생산성이 더 높다는 것을 발견했습니다.로봇 제작으로 인한 추가 비용은 발생하지 않았으며, 두 경우 모두 시공 [33]절차가 아닌 재료 생산이 비용의 원동력이었습니다.

환경에 미치는 영향

3D 프린팅 콘크리트가 환경에 미치는 영향은 주어진 프로젝트에 사용되는 공정과 재료에 따라 크게 좌우됩니다. 3D 프린팅 콘크리트는 거푸집 제거로 인해 콘크리트 생산 시 재료를 줄일 수 있습니다.그러나 특수 혼합물과 필수 기술은 기존 콘크리트 구조만큼이나 환경에 영향을 미칠 수 있습니다.요람에서 무덤까지 수명 주기 평가(LCA)를 통해 기존 콘크리트 벽과 3D 프린팅 콘크리트 벽이 환경에 미치는 영향을 비교한 결과, 3D 프린팅 대체 재료는 철근을 [34]사용하지 않을 때 환경 영향만 감소시키는 것으로 나타났습니다.지구 온난화 잠재력, 산성화 잠재력, 부영양화 잠재력 및 스모그 형성 잠재력의 LCA 영향을 측정하기 위해 사용되었습니다.3D 프린팅된 콘크리트 구조물에 보강재가 도입되면, 이러한 영향은 특히 지구 온난화와 스모그 발생 가능성에 [34]대한 기존 공법보다 더 컸습니다.

또 다른 LCA는 기존 콘크리트 벽체와 3D 프린팅 콘크리트 벽체를 비교한 유사한 연구를 수행했지만 구조의 복잡성은 다양했습니다.구조가 복잡해짐에 따라 3D 프린팅 방법이 환경에 미치는 [33]영향을 줄이는 것으로 나타났습니다.이는 주로 3D 프린팅 콘크리트가 거푸집과 콘크리트 [33]부피 측면에서 건축 자재를 절약하면서 복잡한 형태를 만들 수 있었기 때문입니다.전반적으로, 3D 프린팅 콘크리트가 환경에 미치는 영향은 구조물의 설계와 엔지니어가 재료 사용을 얼마나 잘 최적화할 수 있는지에 따라 영향을 받습니다.재료기준으로 볼 때 시멘트 바인더가 여전히 필요하기 때문에 환경에 미치는 영향은 기존 콘크리트와 유사하다.그러나 3D 프린팅과 함께 제공되는 효율적인 시공 공정은 재료 낭비와 현장 [35]배출을 줄여줍니다.

과제와 제한

3D 콘크리트 인쇄가 건설 산업 전반에 걸쳐 널리 채택되는 것을 막는 몇 가지 제한 사항이 있습니다.첫째, 3D 프린팅 콘크리트에 사용할 수 있는 재료 팔레트는 특히 노즐 압출 및 콘크리트 층의 퇴적 공정으로 인해 한계가 있어 조기 [33]붕괴의 문제를 야기합니다.따라서 재료 특성에 대한 연구와 구조 콘크리트 코드 3D 프린팅 적용에 부합하는 고품질 시멘트 재료 개발이 현재 관심 분야입니다.콘크리트 혼합물의 민감도로 인해 시멘트 유형, 골재 또는 혼합물이 변경되면 콘크리트 특성 및 거동에 영향을 미칩니다.

현행 건축 법규는 콘크리트가 균질한 재료를 가지고 있다고 간주하지만 실제로는 콘크리트가 이방성입니다.이 이방성은 인쇄된 층에 더 노출되므로 변형 및 균열을 추정하기 위한 새로운 방법을 개발해야 합니다.또한 현재 콘크리트 재료시험은 ASTM C39에 [36]따른 원통형 시료로 구성되어 있다.3D 프린팅 콘크리트에 대한 체계적 또는 이론적 근거는 현재 없습니다. 특히 표준 테스트의 경우 그렇습니다.

현재 3D 프린팅 프로젝트는 3D 프린터 [8]기술의 제약으로 인해 고층 상업용 건물이 아닌 모델 프로토타이핑 및 저층 대형 건물로 제한되었습니다.프린터는 건물의 높이에 적합해야 하므로 3D 프린터의 안정성과 설계에 대한 추가 연구가 필요합니다.높은 구조물에 필요한 3D 콘크리트 프린팅의 보강에도 과제가 있습니다.자세한 내용은 3D 콘크리트 인쇄를 위한 보강재를 참조하십시오.

연구 개발

3D 콘크리트 인쇄를 주제로 한 선구적 연구는 ETH Zurich, Loughborough University, Swinburne Technology University of Technology, Eindhoven University of Technology, Institute for Advanced Architecture of Colatonia 등 여러 기관에서 진행 중입니다.

회의

3D 콘크리트 인쇄에 대한 산업계와 학계의 관심이 높아짐에 따라 국제적으로 많은 컨퍼런스가 시작되었습니다.코펜하겐에서 사용되는 3DPrinth에 의해 2017년 2월과 11월에 두 개의 산업 중심 국제 컨퍼런스가 조직되었습니다.그 후, 2018년에는 ETH 취리히, 2020년에는 에인트호벤 공과대학, 2022년에는 러프버러 대학에서 2년마다 디지털 콘크리트 학술 컨퍼런스가 개최되었습니다.2018년 스윈번 공업대학, 2019년 톈진대학, 2020년 상하이 퉁지대학, 허베이대학에서 아시아 태평양 지역을 중심으로 한 연속적인 회의가 개최되었다.

관련 토픽

콘크리트 인쇄는 직접 최종 부품을 제작하거나 간접적으로 콘크리트를 타설 또는 [37]분무하는 거푸집을 제작하는 데 사용할 수 있습니다.

3D 프린팅 거푸집은 3D 콘크리트 프린팅의 주요 과제를 해결합니다.철근은 종래의 일체화가 가능하고, 종래의 타설 또는 분무 콘크리트는 건축 법규에 준거하고 있다.또한 콘크리트의 표면 품질은 3D 콘크리트 인쇄에 비해 크게 향상되었습니다.매끄러운 표면을 만들기 위해 3D 프린팅 거푸집을 코팅하거나 연마할 수 있습니다.

형틀로서의 3D 프린팅 콘크리트

적층 압출이 있는 3D 콘크리트 프린팅은 콘크리트 타조용 거푸집을 제작하는 데 사용되어 왔습니다.이 접근 방식에서는 한 두 개의 3D 프린팅 등고선으로 구성된 얇은 껍질이 프리패브릭 플랜트 또는 직접 현장에서 첫 번째 단계에서 생산됩니다.그 후 철근케이지 설치 및 제자리에 고정한다.마지막으로 거푸집 [37]하부에서의 정수압 축적을 방지하기 위해 쉘 내부에 한 번에 또는 여러 단계로 콘크리트를 타설한다.

구조 계산의 경우, 일반적으로 3D 프린팅된 쉘은 무시되고 주조 콘크리트만 내하중으로 간주됩니다.그러나 3D 프린팅된 쉘은 강철을 부식으로부터 보호하는 데 필요한 콘크리트 보강 피복에 사용할 수 있습니다.

콘크리트용 3D 프린팅 거푸집

또는 콘크리트용 거푸집 제작에 비시멘트 재료를 사용한 3D 인쇄를 사용할 수 있다.건축용 콘크리트 부품의 거푸집 제작에는 점토, 폼, 왁스 및 폴리머를 사용한 압출 인쇄와 모래 및 입체 석판 인쇄가 사용되었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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