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ISSN : 2005-0461(Print)
ISSN : 2287-7975(Online)

Journal of Society of Korea Industrial and Systems Engineering Vol.45 No.3 pp.66-77
DOI : https://doi.org/10.11627/jksie.2022.45.3.066

Investigation on the Development of 3D Concrete Printing(3DPC) Technology Using Coarse Aggregation

Jun Pil Hwang^*

, Hong-Kyu Kwon^**†

^*CEO of Concrete Materials Mechanics Engineering
^**Department Bigdata & Management Engineering, Namseoul University

^†Corresponding Author : hongkyuk@nsu.ac.kr

Received 02/08/2022 Finally Revised 31/08/2022 Accepted 02/09/2022

Abstract

Digitization and automation technologies have rapidly maximized productivity and efficiency in all industries over the past few decades. Construction automation technology has either stagnated over the same period or has not kept pace with overall economic productivity. According to the research studies up to now, the output of concrete structures using coarse aggregates (8mm or more) is very limited due to the limitations of equipment and materials.

In this study, information on the development process of 3DCP equipment that can print concrete structures with the printing width (100 mm or more) and printing thickness (30 mm or more) using a 3DCP material mixed with coarse aggregate (8 mm or more) is provided. To verify the performance of the developed 3DCP equipment, experimental data are provided on output variables, the number of layers, and the inter-layer printing time interval. The evaluation and verification data of various mechanical properties (compressive and splitting tensile strength) of printed materials using coarse aggregates are provided.

Key Words : Construction Automation , 3DCP , Printing Time Interval , Coarse Aggregate , Splitting Tensile Strength

굵은 골재를 이용한 3D 콘크리트 프린팅 기술개발에 대한 연구

황 준필^*, 권 홍규^**†

^*씨엠엠이 대표/공학박사
^**남서울대학교 빅데이터 경영공학과

초록

키워드 :

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Funding:

1. 서 론

지난 수십 년 동안 디지털화와 자동화기술은 모든 산업 분야에서 생산성과 효율성을 빠르게 극대화시켰다. 건설/ 토목 산업의 생산성과 자동화기술은 연구에 따르면 같은 기간에 정체되거나, 전반적인 경제적 생산성에 보조를 맞 추지 못하고 있다[2, 8]. 다양한 원인으로 발생하며 1) 고도 로 전통적인 부문의 변화에 대한 저항, 2) 열악한 협업과 경쟁력 기반의 조달시스템, 3) 종이 문서를 기반으로 한 데이터 상호 운용성의 한계, 4) 새로운 방법을 구현하기 저렴한 노동력, 등을 포함한다[31]. 건설/토목 노동자의 직 업분야가 점점 매력을 잃어가고 있지만, 건설/토목의 디지 털화 및 자동화기술을 높이는 것이 건설 산업의 현재 및 미래 과제를 해결할 수 있는 유일한 방법으로 판단된다.

3D 콘크리트 프린팅(3DCP) 공법은 적층방식으로 콘크 리트 구조물을 층층이 쌓아올려 3차원 구조물형상을 제조 하는 방식으로 1990년대 후반 미국 USC(University of Southern California)에서 처음 개발된 기술이다[13, 14]. 3DCP는 건설/토목의 생산성, 효율성, 안전성 향상과 관련하 여 큰 잠재력을 보여주는 새롭고 혁신적인 기술이며 콘크리 트 구조물을 자동으로 층층이 쌓아올리는 방식을 기반으로 한다[3, 4, 5, 26]. 기존의 콘크리트 구조물 제작방식과 비교 하여, 3DPC는 새로운 건설/토목 자동 디지털의 핵심기술로 서 1) 매우 유연한 건축 설계, 2) 거푸집 없는 구조물 제작, 3) 재료비 절감 및 공기단축, 4) 안전한 작업 조건, 등 건설/ 토목에 많은 다양한 이점을 제공한다[1, 20, 21].

3DCP기술에 적합한 원료를 선택하고 혼합 비율을 최적 화하기 위하여 많은 연구가 수행되었다. 다양한 연구를 통 하여 포틀랜드 시멘트, 설포알루미네이트 시멘트, 복합 시 멘트 및 지오폴리머를 포함하는 다양한 유형의 결합제가 사용되었다[4, 9, 10, 16, 33]. 골재, 천연 모래, 경량 골재 및 구리 꼬리, 철 꼬리 및 재활용 골재와 같은 일부 유형의 고형 폐기물을 기반 골재로 하여 3DCP의 혼합재료에 사 용되었다[10, 16, 19, 23, 28, 33]. 현재, 3DCP에 사용되는 대부분의 혼합재료는 높은 결합제 함량 및 비교적 작은 응집체 크기를 특징으로 한다. 또한 대부분의 기존 3DCP 기술은 소형 노즐 및 소형호스와 함께 작동하여 미세한 구조물(적층폭: 30mm 미만)을 제작할 수 있기 때문에 출 력 가능한 3DCP의 혼합재료에는 굵은 골재가 거의 사용 되지 않고 있다[26].

콘크리트에서 60~75%를 차지하는 골재는 콘크리트 성능에 중요한 역할을 한다. 대부분의 연구에서 3DCP의 혼합재료에 사용되는 골재의 질량 비율은 일반적으로 45%~55%의 범위이며, 일반적으로 75% 이상의 골재를 포함하는 기존의 콘크리트에 비하여 매우 낮은 수준이라 는 것을 관찰할 수 있다[12]. 굵은 골재를 활용하는 것은 3DCP 혼합재료에 시멘트의 비율을 줄이면서 재료비를 낮출 수 있는 이익을 얻으면서, 골재의 투여량은 기준지 에서 66%의 최대치에 도달할 수 있다[11]. 높은 시멘트 페이스트 함량, 굵은 골재의 무사용, 소량의 골재함량은 초기 재료상태에서 플라스틱 수축 균열의 가능성을 증가 시킬 뿐만 아니라 경화된 상태에서 건조 수축 균열을 초 래한다. 굵은 골재를 사용하여 골재의 함량을 높일 경우, 항복 응력과 플라스틱 점도는 시멘트 페이스트와 비교하 여 크기가 증가하며 수축으로 발생하는 출력물의 균열현 상을 낮추는 효과가 있다. 기계적 특성과 수축은 골재의 부피와 관련이 있기 때문이다[11, 26].

현재까지 3DCP기술에 제한된 수의 연구만이 굵은 골재 를 적용했으며[11, 26], 대부분의 연구자들은 굵은 골재 없 이 모르타르를 이용하여 3D 프린팅 연구를 진행하였다. 이러한 연구의 한계는 3D 프린팅 장비 및 혼합재료의 이 송장치에 대한 제약조건과 굵은 응집체를 가진 3DCP 혼 합재료의 복잡한 특성 때문에 발생한다.

본 연구에서 사용되는 3DCP 혼합재료는 굵은 골재(8mm 이상)를 사용하여 콘크리트 구조물의 적층폭(100mm 이상) 과 적층두께(30mm 이상)를 출력할 수 있는 3DCP 장비개발 에 대한 자료를 제공하고, 개발된 3DCP 장비의 성능검증을 위하여 출력변수, 층수, 층간 출력시간 간격 등에 대하여 실험 및 분석자료를 제공하고, 굵은 골재를 이용하여 출력한 출력물의 다양한 기계적 특성(압축 및 쪼갬 인장강도)의 평가방범 및 시험분석 자료를 제공한다.

2. 3DCP 시스템의 성능평가 방법

콘크리트 혼합재료를 이용한 3DCP 장비는 콘크리트 구조물을 출력하여 최종목적물과 직접적인 관련이 있는 중요한 기준을 충족하도록 설계되어야 한다. 따라서 혼 합재료의 설계와 프린팅장비의 상호보완적인 관계를 인 식하는 것이 중요하다. 3DCP기술의 기본적인 접근방법 은 3DCP기술을 이용하여 성공적으로 콘크리트 구조물 을 출력하는데 필요한 주요 공정, 프린팅 장비, 혼합재료 등에 대하여 정확한 관계를 규정하는 것이다. <Figure 1> 에서 나타낸 바와 같이 3DCP기술을 이용하여 구조물 출 력에 필요한 주요인자(펌핑성, 출력성, 시공성, 내구성)를 충족 할 수 있도록 프린팅 장비의 설계/제작과 혼합재료 의 설계를 선택하는 것이 중요하다.

2.1 펌핑 가능성(Pumpability)

펌핑 가능성은 전체 시간 간격 동안 펌핑 장치를 이용 하여 혼합재료의 초기특성을 유지하면서 출력장치가 충 분히 작동할 수 있도록 혼합재료를 압송하는 특성으로 정의된다. 또한 펌핑 가능성의 요구사항은 상호모순적인 것이다. 일반적으로 3DCP를 위해서는 프린터 압출장치 에 쉬운 수송성을 보장하기 위해 유동성 있는 재료가 필 요하지만, 출력된 재료는 증착된 재료가 형상을 유지하 도록 보장하기 위해 상대적으로 유동성이 없어야 한다 [25]. 따라서 펌핑 가능성은 펌핑 거리, 펌핑 장치, 이송 관 종류 및 직경, 등과 같은 여러 가지 펌프 매개 변수에 따라 달라진다. 펌핑 가능한 혼합재료는 낮은 플라스틱 점도와 적당한 항복 응력값을 가져야 한다. 콘크리트가 파이프에서 이동하는 동안, 파이프 벽에 흐름층이 형성 되고 굵은 골재가 파이프의 중심을 향해 축적된다. 일반 적으로 높은 펌핑 압력은 펌핑 가능성을 좋게 하지만, 이 러한 높은 펌핑 압력 하에서 혼합재료는 재료분리에 저 항할 수 있어야 한다. 고압 펌핑 하에서의 재료분리는 흐 름층이 손실되어 파이프 내부를 재료가 막게 될 수 있다 [27]. 이 연구에서 펌핑 가능성은 고압 펌핑 하에서의 재 료분리가 발생하지 않고 초기의 혼합재료의 특성을 유지 하면서 프린터 압출장치에 지속적으로 수송할 수 있는 능력으로 간주한다.

2.2 출력 가능성(Printability)

출력 가능성은 3DCP 장비의 압출성(Extrusion)과 적층 성(Deposition)으로 구분할 수 있으며, 또한 3DCP 혼합재 료의 초기거동을 평가하는 중요한 지표로 평가된다. 펌 핑 장치에 수송된 혼합재료 거동과 프린터노즐의 상호작 용하는 조합능력과 관련이 있다[32]. 다른 연구에서 빌드 가능성이라고 불리며, 특정 레이어(층)에 새로이 적층되 는 레이어에 의하여 아래층에 발생하는 변형의 정도에 의하여 평가될 수 있음을 보여준다[23]. 이 연구에서 출 력 가능성은 초기의 혼합재료가 프린터노즐에서 지속적 으로 압출되고, 후속 레이어가 적층할 시점에 바로 아래 레이어의 수용 가능한 범위(+/- 3mm이내)의 변형으로 적 층될 수 있는 능력으로 간주한다.

2.3 시공성(Buildability)

시공성은 3DCP의 혼합재료가 출력 중에 붕괴되지 않 고 상부 층의 콘크리트의 하중뿐만 아니라 적층시 발생 하는 적층압력을 견딜 수 있는 능력을 평가하는데 사용 된다. 3DCP의 혼합재료는 출력 후 수용 가능한 범위 내 에서 형상 변형을 유지할 수 있어야 하며, 수용 가능한 범위는 3DCP 장비의 특정한 성능(노즐형상)과 상당한 관계가 있다고 할 수 있다[14]. 일반적으로 건축용 3DCP 에 적용되는 층 두께는 형상 변형을 제어하고 초기 중력 응력을 제한하기 위해 작게(10cm 미만) 것으로 설정된 다. 층 두께에 대한 제한은 3DCP 장비의 노즐사이즈와 형상에 상당한 관계가 있다고 할 수 있다[10]. 중력으로 인한 전단 응력은 모양을 유지하기 위해 시멘트 재료의 항복 응력보다 낮아야 한다[29]. 이 연구에서 시공성은 5 레이어 이상 연속적으로 출력하여 각 레이어의 높이를 측정하고 레이어의 처침(sagging)이 수용 가능한 범위(+/- 3mm이내)로 적층될 수 있는 능력으로 간주한다.

2.4 내구성(Durability)

일반적으로 콘크리트 구조물의 내구성은 콘크리트 재 료의 성능과 사용되는 환경에 달려 있다고 받아들여지고 있다. 콘크리트 구조물의 내구성에 불리한 몇 가지 전형적 인 환경 요인은 동결 - 해동 사이클, 탄산화, 염화물 침투 및 알칼리 골재 반응을 포함하며, 대부분은 콘크리트 기공 에서의 물 확산 과정과 관련이 있다[7, 22]. 3DCP의 혼합 재료의 연구는 아직 시작단계에 있기 때문에 주로 혼합 설계 및 혼합재료의 초기특성에 중점을 두고 있다. 3DCP 내구성에서 가장 우려되는 내구성 문제는 3DCP 혼합재료 의 수축으로 발생하는 균열의 증가가 내구성의 저하로 이 어질 것이다. 3DCP 출력공정은 거푸집을 사용되지 않고 콘크리트 구조물을 출력하여 넓은 면적이 환경에 노출되 기 때문에 더 큰 플라스틱 수축 및 건식 수축의 발생할 수 있다[4, 15, 24]. 이 연구에서 굵은 골재를 사용하여 골 재의 함량을 높임으로써 항복 응력과 플라스틱 점도가 증 가하여 수축으로 발생하는 출력물의 균열현상은 낮아질 것이라고 판단된다.

3. 3DCP 장비시스템과 적층재료

3.1 3DCP 장비시스템

앞에서 언급하였지만, 프린터용 혼합재료는 일반적인 콘 크리트 재료와 많은 차이점이 있다. 굵은 골재(8mm 이상)를 사용하여 콘크리트 구조물을 출력하는 것은 장비의 한계로 인하여 연구가 매우 제한적으로 이루지고 있다. 현재까지 조사한 바에 의하면 CONPrint3D에서 굵은 골재(8mm 이상) 를 사용하여 콘크리트 구조물의 적층폭(100mm 이상)과 적 층두께(30mm 이상)를 출력한 것으로 파악된다[26]. 또한 Ji et al.[22]은 굵은 골재(8mm 이상)를 사용하여 건축용 구조물을 출력하였고, 적층폭(50mm 미만)과 적층두께 (20mm 미만)로 콘크리트 구조물을 출력한 것으로 파악된 다. 장비개발의 측면에서 굵은 골재를 사용하는 3DCP 시스 템은 몰탈재료 기반으로 사용되던 일반적인 건축용 프린팅 시스템과 다르게 접근을 해야 한다. <Figure 2>는 본 연구를 위하여 개발할 적층시공의 시스템 개념도를 나타내고 크게 두 가지의 장치로 구성된다.

1) 펌핑 장치: 몰탈을 이용한 선행연구[10, 33]에서 적층폭 (100mm 이상)과 적층두께(30mm 이상)를 압출하고 적층하기 위해 요구되는 3DCP 혼합재료의 특성(슬럼 프: 2mm-4mm; 슬럼프 흐름: 115mm~120mm)을 파악 되었다. 일반적인 건축용 3DCP에서 사용되는 혼합재 료의 특성(슬럼프: 4mm~8mm; 슬럼프 흐름: 150mm~ 190mm)으로 파악되며[30], 선행 연구에서 사용되는 혼합재료는 재료이송, 압출, 적층 등이 불가능한 영역 의 재료에 속한다. 일반적인 몰탈 기반의 건축용 3DCP 에서 사용된 모노펌프는 본 연구에 사용되는 재료를 이송하는 것이 불가능한 것으로 판단되었다. 몰탈 재료 는 일반적으로 작은 골재(4mm 이하)를 사용하고, 모노 펌프의 기계특성상 작은 골재를 배합한 재료를 이송하 는데 적합하다. 본 연구에서 3DCP 콘크리트 혼합재료 는 굵은 골재를 배합한 고점도 저유동성 재료 특성을 나타낸다. 3DCP 장치에 굵은 골재를 배합한 고점도 저유동성 재료를 이송하기 위하여 산업현장에서 사용 되는 고출력 피스톤 펌프를 사용하였다. 구체적인 내용 은 다음 세션에서 설명할 것이다.
2) 재료 이송관: 일반적인 몰탈 기반의 건축용 3DCP에서 사용되는 재료 이송관은 고압고무호스(직경: 25~50mm) 를 사용한다. 본 연구에서 사용되는 3DCP 혼합재료는 고압으로 프린터 장치에 이송되어야 하고, 재료이송 과정에 재료분리가 발생하지 않아야 한다. 피스톤 펌프 와 연결된 이송관은 고압에서 견딜 수 있도록 리듀서 강관(직경: 120mm에서 76mm으로 작아짐)을 사용하 였고, 프린트 장치와 연결된 이송관은 유연성을 확보하기 위하여 고압고무호스(직경: 50~50mm)를 사용하였다.
3) 3DCP 장치: 몰탈을 이용한 선행연구[10, 33]에서와 같이 갠트리 로봇타입으로 Cartesian 좌표계를 이용하 여 적층장비를 제어하고 구조물을 출력하였다. 적층장 비의 핵심기술은 재료의 출력을 제어하면서 정량정속 으로 이송된 혼합재료를 출력하는 것이다. 또한 프린터 호퍼에 이송된 혼합재료 양을 자동으로 인식하여 피스 톤 펌프의 동작을 자동으로 제어하는 것이다. 혼합재료 의 특성을 고려하여 이송된 혼합재료를 담을 수 있는 호퍼를 적층장비에 설치하고, 부가적인 장치를 설치하 였고, 다음 세션에서 설명할 것이다.

3.1.1 3DCP 시스템의 펌핑장치

개발방법론에서 논의하였지만, 펌핑 가능성은 펌핑 장치 를 이용하여 최종목적물에 부합하고 적층 가능한 3DCP 혼합재료를 이송관을 통하여 프린터 장비의 호퍼에 수송하 는 것이다. 또한 재료이송과정에서 재료분리가 발생하지 않는 것을 선행조건으로 한다. 굵은 골재를 배합하여 적층 구조물의 적층폭(100mm 이상)과 적층두께(30mm 이상)를 출력할 수 있는 3DCP 혼합재료(슬럼프: 3mm~6mm; 슬럼프 흐름: 105mm~115mm)를 이송하는 장치는 국내에서 아직 개발되지 않았다. <Figure 3>은 본 연구를 위하여 개발된 펌핑 장치의 모델링과 장치를 나타내고, <Table 1>은 피스톤 펌프의 개략적인 사향을 정리하였다.

산업현장에서 사용되는 피스톤 펌프는 유동성이 좋은 콘크리트 재료를 이송하는데 많이 사용된다. 장비개발 과정에서 피스톤 펌프가 고점도 저유동성 재료를 이송하 는데 개선할 문제점들이 발견되었다. 1) 3DCP 혼합재료 의 특성으로 인하여 피스톤 펌프가 재료를 적절하게 흡 입하는데 문제가 발생함, 2) 간헐적인 재료의 흡입으로 인하여 맥동이 증가함, 3) 간헐적인 재료의 흡입으로 인 하여 공기가 흡입되고 이로 인한 이송과정 중에 재료분 리 및 공기압축 폭발이 발생하였다. 3DCP 혼합재료는 자중에서 흐르지 않는 특성을 가지고 있으며 적절한 가 압으로 재료를 이송되어야 한다. 혼합재료 특성과 피스 톤 펌프 특성을 고려하여 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 피스톤 펌프의 호퍼를 개조하고, 가압으로 재료 를 피스톤 펌프의 실린더에 공급할 수 있는 장치를 개발 하여 설치하였다. <Figure 4>는 피스톤 펌프의 재료공급 장치와 그 특징을 나타낸다. 재료공급 가압장치는 다음 의 기능을 수행하기 위하여 제작되었다.

1) 가압판(Damping Plate): 고점도 저유동성인 혼합재 료는 자중에서 흐르지 않으므로 적절한 압력으로 혼합재료를 피스톤 펌프의 실린더에 밀어주는 기능 을 수행을 한다. 가압판은 스프링장치와 연결되어 서 작동하며 스프링하우징에 연결된 센서에 의하여 밀폐공간에 공급되는 혼합재료의 양을 자동으로 인 식하여 재료공급 모터의 동작으로 제어할 수 있다.
2) 재료공급 모터(AC motor): 교류모터의 회전축에 날개 를 설치하여 혼합재료가 호퍼외벽에 접착되는 것을 방지하고, 회전축 하부에 스크루 오거를 설치하여 혼 합재료를 가압판 하부로 재료를 연속적으로 공급한다. 교류모터는 10마력(7.5Kw)과 감속기(20:1)를 사용하 였으며, 동작제어는 가압판과 연결된 센서에 의하여 제어된다.
3) 유지보수 창(Maintenance window): 콘크리트 재료 를 사용하는 장비는 작업 후에 반듯이 유지보수작 업을 실시해야 한다. 유지보수 창은 재료공급 장치 의 밀폐공간을 원활히 유지보수하기 위하여 설치 되었고, 실험 후에 다음실험을 위하여 반드시 가압 판하부의 밀폐공간을 청소하여야 한다.

3.1.2 3DCP 시스템의 프린터장치

본 연구를 위하여 개발된 3DCP 장비는 <Figure 5>에 표현한 바와 같이 4축 갠트리 로봇타입과 유사하다. 3DCP 장비의 동작제어를 위하여 L사의 Xmotion 시리즈를 적용하 였으며 각축은 서보모터(액추에이터)와 감속기에 의하여 축의 이동속도, 이동거리, 회전각 등이 동작된다. 각축의 서보모터에 대한 동작제어는 일반적으로 자동화 공정에 많 이 사용되는 PLC(Programmable Logic Controller)프로그램 이 모터드라이브와 연동하여 자동으로 제어를 할 수 있다.

기본적으로 X, Y축의 작동메커니즘은 선형가이드 레 일과 타이밍 밸트 폴리를 사용하고 Z축는 볼 스크루를 사용하여 구동한다. 회전축(A축)의 작동메커니즘은 평기 어를 이용하여 사각노즐(30×100mm)의 회전동작에 사용 되고, 고정형 마감칼(30×100mm)이 사각노즐 선단에 설 치되었다. 호퍼에 이송된 재료를 노즐선단으로 압출하는 압출모터는 일반적으로 절삭용 머신센터에서 사용되는 스핀들(Spindle)축과 같은 개념으로 장착되었다[10, 33]. 각축에 사용된 선형/회전가이드와 서보모터의 사양은 <Table 2>와 <Table 3>에 개략적으로 정리하였다.

장비가 작동할 때에 Z축는 많은 부하를 받는 축이며, 가감속에서 발생하는 진동을 최소화하기 위하여 Z축는 두 개의 서보모터를 배치하였다. Z축에 설치된 두 개의 서보모터는 동기화(Synchronization)를 통하여 제어함으 로써 하나의 서보모터와 같이 위치제어를 할 수 있다.

일반적으로 건축용 3D프린터에서는 원형노즐을 사용 하여 3D형상을 출력함으로 회전축이 필요하지 않다. 개발 된 3DCP 장비는 사각노즐과 마감칼을 사용함으로 3D형 상을 출력하는데 회전축이 반드시 필요하다. 사각노즐과 마감칼의 활용은 원형노즐보다 다양한 여러 장점이 있는 것으로 이미 학계에 발표되었고 해외의 상용화 적층장비 에도 많이 적용되고 있다[10, 11, 13, 14, 26, 33]. 노즐회전 축의 구동은 평기어를 이용하여 3D형상의 가장자리를 X, Y축과 연동하여 회전축 서보모터가 작동함으로써 3D입체 형상을 출력한다. <Figure 6>은 3DCP 장비의 핵심모듈인 압출장치를 나타내고 구조물 출력 중에 발생할 수 있는 다양한 문제점을 해결하는데 많은 이점이 있다.

1) 이송된 혼합재료는 자중에 잘 흐르지 않는 특성을 가지고 있습니다. 스프링에 의한 가압판의 작동으 로 적절한 가압이 재료에 전달된다. 이를 통하여 압출모터가 자동할 때에 스크루 오거(Screw auger) 를 통하여 정량정속으로 출력재료를 노즐선단에 이 송한다.
2) 가압판과 연결된 센서는 밀폐공간에 이송된 재료의 량을 감지하여 피스톤 펌프의 동작을 자동으로 제 어할 수 있다.
3) 혼합재료를 압송하는 과정에서 발생할 수 있는 피 스톤펌프의 맥동문제를 완충하는 기능을 수행할 수 있다.
4) 혼합재료를 압송하는 과정에서 발생할 수 있는 간 헐적으로 발생하는 압축기포의 폭발문제를 완충하 는 기능을 수행할 수 있다.
5) 출력 후에 레이어의 응고를 촉진하는 급결제를 교 반하는 2차 교반장치의 역할을 수행할 수 있다.

3.1.3 3DCP 장비의 운영인터페이스

제어시스템에서 장비운영을 위한 인터페이스(HMI)는 여러 가지의 창으로 구성되어 있지만, 적층장비의 운전 과 구조물을 출력하는데 있어서 중요한 인터페이스는 <Figure 7>에 나타내고 있다. 인터페이스의 기본프레임 은 개발된 프레임을 사용하였다. 구체적인 인터페이스 기능은 몰탈을 이용한 수중출력 장비개발에 대한 선행연 구[10]에서 참조할 수 있다. 3DCP 장비에 추가된 기능을 제어하고 운영하기 위하여 인터페이스에 추가적인 기능 을 부여하였고 간략하게 설명하면 다음과 같다.

1) AUTO 인터페이스: 3D 입체형상의 슬라이싱 G-code 를 이용하여 구조물을 출력하는 인터페이스입니다. 구조물을 출력 중에 압출모듈 호퍼에 이송된 재료량 을 센서로 인식하여 표현하는 기능을 추가하였다.
2) JOG 인터페이스: 장비의 각축을 개별적으로 수동 으로 작동하여 각축의 작업좌표를 조정하는 기능 입니다. 구조물 출력을 위하여 장비를 작동하는 과 정에 압출모듈 호퍼에 이송된 재료량을 센서로 인 식하여 표현하는 기능과 수동으로 펌프를 조작하 는 기능을 추가하였다.
3) EDIT 인터페이스: 프린터용 슬라이싱 패키지에서 생성된 G-code를 제어시스템에 업로드하여 수정/검 증/저장하는 작업을 수행한다.

3.2 3DCP 시스템에 적용한 혼합재료

앞에서 언급하였지만, 몰탈을 이용한 3DCP 재료의 특 성에 대한 연구는 국내의 다수 연구진에 의하여 진행이 되었다[6, 9, 10, 16, 17, 18, 33]. 굵은 골재(8mm 이상)를 사용하여 콘크리트 구조물을 출력하는 연구는 매우 제한 적으로 이루지고 있다[11, 26].

본 연구를 위하여 개발된 3DCP 장비의 성능을 평가하 고, 굵은 골재(8mm 이상)를 배합한 3DCP 혼합재료의 거 동을 평가하기 위하여 다양한 실험을 진행하였다. 본 연 구에서 개발한 3DCP 혼합재료를 활용하여 3DCP 장비의 출력변수를 검토하면서 시험체를 제작하였고, 적층된 콘 크리트 구조물과 시험체의 거동 평가를 실시하였다.

앞장에서 언급한 바 3DCP 장비를 활용하여 콘크리트 구조물을 적층할 경우에 다음의 요소들을 고려하여 재료 배합을 설계하여야 한다.

∙펌핑성(Pumpability): 혼합재료의 배합에서 프린터장 비까지 펌핑 장치를 이용하여 혼합재료를 적절하게 이송하는 것.
∙출력성(Printability): 이송된 혼합재료를 프린터의 노 즐선단까지 적절하게 압송하면서 아래층의 처침없 이 아래층 위에 출력하는 것.
∙시공성(Buildability): 혼합재료를 활용하여 3DCP 장 비가 구조물을 적층할 때에 구조물형상이 변형 없 이 유지하는 것.

본 연구에서는 3DCP 조건에 맞고, 펌핌성, 출력성, 시공 성을 고려하여 설계기준압축강도 60MPa 수준의 배합설계를 하였다. 결합재는 보통 포틀랜드시멘트(ordinary Portland cement; OPC)를 사용하였고, 물리․화학적 특성을 <Table 4>에 나타내었다. 3DCP 시스템에 적합한 품질의 콘크리트 를 적용하기 위하여, 물과 결합재비율(W/B)을 변수로 3타 입의 배합설계를 <Table 5>에 나타내었다.

혼합재료용 골재(KS F 2527) 품질에 만족하는 비중 2.65의 잔골재와 비중 2.65, 최대치수 8.0mm의 굵은 골 재를 사용하였다. 잔골재를 포함한 골재의 비율은 60% 이고, 굵은 골재의 33%이다.

화학첨가제는 유동성 확보를 위해 폴리카르복실계 고 성능 감수제 (High water reduction agent; HWRA)와 적층 성 확보를 위해 셀룰로오스계 증점제(Viscosity agent)를 사용하였다. 혼합재료의 유동성 및 적층성 확보를 위해 고성능 감수제는 결합재 중량대비 1.0%, 증점제는 배합 수의 중량대비 1.6%를 적용하였다.

4. 실험결과

4.1 시험체 제작 및 처짐량(변형) 분석

4.1.1 시험체 제작

3DPC 시스템에 적용할 최적배합 선정을 위해 1배치 당 80리터의 혼합재료를 배합하여 장비의 성능과 혼합재 료의 특성을 파악하기 위한 시험을 수행하였다.

∙ 펌핑성 검증: 피스톤 펌프의 성능과 혼합재료의 작 업성 (Workability)을 평가하는 대표적인 방법으로 <Figure 8>에 나타난 바와 같이 플로우 시험(KS L 5111)을 1차(이송 전), 2차(출력 후)로 측정하였다. 이송전 슬럼프 플로우는 107~110mm이고, 출력 후 슬럼프 플로우는 113~119mm로 측정되었다.
∙ 이송량(펌핑량) 검증: 혼합재료는 피스톤 펌프와 이 송관을 통하여 프린터 호퍼에 이송된다. 분당 이송 되는 혼합재료량을 측정하기 위하여 1분 단위로 배 합 당 3회 측정하였다.
∙ 적층성 검증: 플로우 시험 및 분당 이송량의 측정된 결과를 바탕으로 최적배합을 선정하였다. <Figure 9> 에 묘사한 바와 같이 3DPC 장비의 성능과 혼합재료의 적층성을 검증하기 위하여 시험체를 제작하였다. 적층 시 1개 레이어의 적층높이를 30mm로 설정하였고, 총 7층의 레이어를 출력하였다.

시험체는 장비의 성능, 출력시간 간격, 출력시 처짐, 출력샘플의 강도, 등을 측정하기 위하여 제작하였고, 출 력시간 간격을 4가지 유형으로 설정하였다.

<Figure 9A>에 묘사된 시나리오에서 1) 1개의 벽(7층) 을 1분 간격으로 반복하여 적층하였고, 2) 2개의 벽(7층) 을 2분 간격으로 교착하면서 순차적으로 적층하였고, 3) 3개의 벽(7층)을 3분 간격으로 교착하면서 순차적으로 적층하였고, 4) 6개의 벽(7층)을 6분 간격으로 교착하면 서 순차적으로 적층하였다.

4.1.2 처짐량(변형) 분석

제작된 시험체를 기반으로 장비의 성능, 출력시간 간격, 출력시 처짐량, 등을 측정하였다. <Figure 10>에 나타난 바 와 같이, 1번층은 대체적으로 상부층의 하중에 의하여 처짐 이 많이 발생하여 30mm보다 적게 측정이 되고, 5, 6번층은 상부층의 하중이 적음으로 입력된 기준값에 근접하게 나타 나는 것을 알 수 있다.

<Figure 11>에서 4가지 출력물에 대한 처짐량(변형량) 을 파악할 수 있다. 1분 간격의 적층이 가장 변형량이 많 고 6분 간격의 교차적인 적층이 가장 변형량이 적음을 알 수 있다. 그러나, 변형량의 절대값은 1번과 6번에서 가장 많이 나타내고 있다. 1번 층은 상부의 부하에 의하 여 대체로 음의 변형량이 발생하고, 6번 층은 하부의 변 형량을 기계적으로 보상을 하기 위하여 양의 변형량이 발생하고 있다.

4.2 시험분석

시험체는 일반 콘크리트와 적층 콘크리트로 구분하여 콘크리트 구조물의 성능으로 압축강도, 쪼갬인장강도와 같 은 굳은 상태의 콘크리트 구조물 성능을 비교하였다. 혼합 재료를 피스톤 펌프에서 이송관을 통하여 이송직후(적층 전)에 제작한 일반콘크리트 시험체와 3DCP 장비를 통해 출력된 적층콘크리트 시험체를 25℃에서 기건양생하여 재 령 1, 7, 14, 28일에 압축강도 시험(KS F 2405)과 쪼갬인장강 도 시험(KS F 2423)을 수행하였다. 적층콘크리트 시험체는 폭 100mm, 높이 210mm, 길이 1,500mm의 적층 시험체를 특수제작된 몰드를 이용하여 직경 100mm, 높이 200mm의 원주형 공시체를 추출하였고 <Figure 12>에 제작 과정을 나타내고 있다.

4.2.1 압축강도 시험분석

<Figure 13>에 나타낸 바, 압축강도 시험결과는 재령 1일부터 28일까지 일반콘크리트는 20.1~64.9MPa, 적층 콘크리트는 18.1~53.8MPa으로 측정되었다. 재령 28일 압 축강도의 경우, 적층콘크리트는 일반콘크리트 기준으로 87.2%의 활성도를 나타낸다. 이는 일반콘크리트는 다짐 을 통하여 천이대의 강도를 개선하는 것과 달리, 적층콘 크리트는 적층 시 레이어간 접합면에 공극이 발생되고, 결합력이 감소되어 압축강도가 낮게 나타나는 것으로 판 단된다.

4.2.2 쪼갬인장강도 시험분석

<Figure 14>에 나타낸 바, 쪼갬인장강도 시험결과는 재령 1일부터 28일까지 일반콘크리트는 2.6~4.6MPa, 적층콘크 리트는 2.2~4.1MPa으로 측정되다. 일반콘크리트와 적층콘 크리트의 쪼갬인장강도는 압축강도 대비 약 7%로 압축강 도와 비례하는 수준으로 나타낸다. 따라서 레이어가 점차 적층됨에 따라 자중이 접합면 부착성능에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

5. 결론

본 논문은 굵은 골재(8mm 이상)를 배합한 콘크리트 재료를 출력할 수 있는 3DCP 시스템의 장비 개발과 제 어시스템의 설계요소들에 대하여 기술하였고, 혼합재료 의 특성에 대하여 기술하였다.

굵은 골재(8mm 이상)를 배합한 고점도 저유동성콘크 리트 혼합재료를 이송하는 이송장비와 부가적인 장치의 성능검증은 펌핑성 검증과 이송량 측정으로 검증되었다. 3DCP 장비의 메커니즘, 장비사양, 장비운영 인터페이스 (HMI), 등에 대하여 간략하게 기술하였고, 적층성 검증 과 변형량 측정으로 적층 시 레이어 폭(100mm)과 높이 (30mm)로 출력할 수 있는 3DCP 장비의 핵심모듈에 대 한 기계적인 성능이 검증되었다.

도출된 배합설계를 기반으로 4가지 유형의 출력 구조물 을 제작하여 3DCP시스템의 성능검증과 출력시간 간격을 도출하였다. 또한, W/B에 따른 콘크리트의 배합에 대하여 플로우 시험결과에서 모든 배합에서 이송전에 측정한 결 과보다 출력 후에 플로우 값이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 이송 및 출력 모듈에서 지속적인 콘크리트 믹싱이 이루어짐에 따라, 콘크리트 재료와 화학첨가제와의 반응, 수화반응에 의한 시멘트의 이온화에 따라 유동성이 증가 하는 것으로 판단된다. 이는 추가실험을 위한 재료준비과 정에서 유용한 자료로 활용이 될 것이다.

출력 구조물에서 혼합재료의 특성을 시험(압축강도와 쪼갬인장강도)할 수 있는 적층 시험체를 제작하여 일반 시험체와 비교분석하였다. 재령 28일 기준으로 적층 콘 크리트는 압축강도 시험에서 53.8MPa, 쪼갬인장강도 시 험에서 4.1MPa의 강도를 나타내며 일반적인 콘크리트 구조물의 시공강도로서는 충분한 것으로 판단된다.

본 연구를 통하여 여러 가지 개선점을 발굴하였고, 추가 적인 실험 및 연구를 통하여 개선하고 보완을 할 것이다. 또한 3DCP 시스템의 운영시스템에 대한 보완 작업도 지속 적으로 이루어질 것이다. 3DCP 기술은 다양한 4차 산업기 술과 접목하여 향후 건설/토목 분야의 자동화 건설 시스템 에 중요한 요소 기술이 될 것이라고 기대한다.

Acknowledgement

This study was conducted with the financial support of Ministry of Oceans and Fisheries [Safe Port Construction and Management Technology Development Project (NO 20200555)] in 2022.

Figure

<Figure 1>.

The Performance of 3DCP during the Printing and Hardened Process

<Figure 2>.

The Concept Model of 3DCP System using the Coarse Aggregations

<Figure 3>.

The Pumping Equipment A) Concept model; B) Developed machine

<Figure 4>.

The Material Supply Device A) Concept model; B) Developed device

<Figure 5>.

The Printing Equipment. A) Concept model; B) Developed machine

<Figure 6>.

The Extrusion Module of 3DCP Equipment. A) Concept model; B) Developed devise

<Figure 7>.

The Human Machine Interface (HMI) of 3DCP Equipment. A) AUTO Window; B) JOG Window; C) EDIT Window

<Figure 8>.

Flow Table Test (KS L 5111). A) Raw data; B) Graph of Slump flow

<Figure 9>.

Specimens of 3DCP Equipment. A) Schematic modeling; B) Printing process

<Figure 10>.

Layer Height of Each Layer. A) Mean value; B) Bar graph of each sample

<Figure 11>.

Height Deflection between Layers. A) Mean value; B) Graph of each sample

<Figure 12>.

Specimens Preparation for the Compressive Strength of the Printed Samples

<Figure 13>.

Result of Compressive Strength Depending on the Elapsed Time

<Figure 14>.

Result of Splitting Strength Depending on the Elapsed Time

Table

<Table 1>.

Specification of Pumping Machine

<Table 2>.

Specification of Operation Mechanism

<Table 3>.

Specification of Servo Motor

<Table 4>.

Chemical Composition of OPC

<Table 5>.

Mix Proportion

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