건축/환경에너지

Nikkei Construction_2019.7.8 특집 요약 (p28-47)

건설 3D프린터
시멘트계 구조물의 설계∙시공을 쇄신

3D프린터로 다리나 주택을 만든다. 제조에서 그런 사례가 보이기 시작했다. 형틀을 사용하지 않고 유기적인 모양의 시멘트계 구조물을 제조할 수 있는 3D프린터. 건설현장을 공장으로 바꾸는 힘을 보유, 지금까지 시공이 어려웠던 새로운 구조나 모양을 구현화할 수도 있다. 해외와 비교해 뒤처져 있는 일본에서도 기술 도입이나 개발 움직임이 나오기 시작했다.

Part 1. 선진 지역 르포
세계 최장에 도전, 다리의 ‘인쇄’가 시작되었다

네덜란드의 수도 암스테르담에서 열차를 타고 1시간 반. ‘발명 도시’로 불리는 아인트호벤에 그 공장은 있었다. 큰 체육관 크기의 공장에 들어서자, 중앙에 위치한 레일 위에 설치된 높이 2m 정도의 로봇 팔이 눈에 들어왔다.

이곳은 네덜란드의 건설회사 BAM Infra가 건설한 유럽 첫 시멘트계 재료용 3D프린터 공장이다. 다리나 주택 등의 대형 구조물이나 그 부재의 제조 거점으로 2019년 1월에 건설되었다.

“펜스 밖으로 나가세요. 지금부터 ‘인쇄’를 시작합니다”. 헬멧을 쓴 남성이 이렇게 소리치고 노트북을 두드리자 로봇 팔이 움직이기 시작했다. 팔 끝에 장착된 노즐에서 크림 상태의 모르타르를 분출해 약 1cm의 두께로 적층. 순식간에 1m 정도 높이의 공중 블록을 만들었다.

BAM Infra는 3D프린터로 다리를 만들어 가설한 실적을 보유한 몇 안 되는 건설회사 중 하나다. 아인트호벤 공과대학 등과 공동으로 2017년 10월에 세계 처음으로 시멘트계 재료로 3D프린터를 이용해 만든 자전거∙보행자 다리를 완성시켰다.

BAM Infra는 현재 새로운 도전에 착수하였다. 완성되면 세계 최장의 새로운 3D프린터 다리 건설을 4만 유로(약 4,900만엔)에 수주하였다. (길이 29m, 폭 3.5m의 자전거 및 보행자용)

-- 형틀이 필요 없기 때문에 가능한 디자인 --
-- 적층 속도의 절묘한 조절 탐색 --
-- 24시간 시공도 꿈이 아니다 --

Part 2. 인터뷰
100년 전의 시공 방법에서 탈피
아인트호벤 공과대학 건축환경학부 테오 살렛(Theo Salet) 교수

환경 부하의 경감이나 생산성 향상, 다양화되는 수요에 대한 대응. 지금의 건설업이 직면하고 있는 과제를 해결하기 위해서는 산업 전체의 디지털화가 필수다. 3D프린터에는 그 흐름을 가속시키는 힘이 있다.

구조물 설계에서는 이미 BIM(Building Information Modeling)이 침투하기 시작했다. 그럼에도 불구하고 콘크리트의 시공 방법은 100년 전부터 거의 변하지 않았다. 로봇 기술을 활용해 효율화할 수 있는 여지는 크다.

당연히 순조롭지만은 않다. 3D프린터로 적층한 모르타르는 일반적인 콘크리트와 마찬가지로 압축에 강하고 인장(引張)에 약한 특징이 있다. 압축력으로 힘을 전달하는 아치 구조로 하지 않으면 하중을 지탱하지 못해 구조물로서의 용도가 거의 없다. 그래서 3D프린터로 만든 구조물을 어떻게 보강할 것인가가 중요해진다.

2017년에 BAM Infra와 공동으로 가설한 3D프린터 다리의 경우는 복수의 횡목 부재에 강재를 통과시켜 프리스트레스를 가해 일체화하는 방법을 채용하였다. 또한 3D프린터의 노즐을 개조해 모르타르를 적층하면서 중앙에 강제 와이어를 매설하도록 하였다.

와이어를 넣는 최대 이유는 횡목의 횡단 방향 강도를 높이기 위해서다. 다리 축 방향으로 프리스트레스를 가할 때, 매설된 와이어는 횡목이 횡단 방향으로 변형하려는 힘에 저항한다. 이를 통해 횡목의 횡단 방향에도 일정 프리스트레스를 추가할 수 있다.

-- 섬유 보강의 새로운 가능성 개척 --
합성섬유나 강섬유를 사용한 보강에도 착수하고 있다. 실은 3D프린팅 기술과 섬유 보강은 매우 궁합이 좋다.

섬유 재료는 모르타르를 적층하면서 필요한 곳에 필요한 양만큼 배치할 수 있다. 섬유의 분포를 제조 과정에서 모두 기록할 수도 있기 때문에 어떤 종류의 섬유를 어떻게 배치하는 것이 최적인가를 데이터에 근거해 생각할 수 있다.

Part 3. 데이터로 보는 최전선
4,300억엔 시장으로 세계는 움직이기 시작했다

▶ 시장 규모의 확대는 가속될 전망
미국 서던캘리포니아대학의 Behrokh Khoshnevis 교수가 시멘트계 재료를 적층해 건물을 만드는 구상을 밝힌 것은 1990년대 후반이다. 그 후에 유럽을 중심으로 연구 개발이 활발하게 이루어졌다. 2010년대에 들어 대형 건설기업의 투자가 가속되었다. 관심 고양과 디지털 기술의 발전으로 앞으로 시장은 급속하게 확대될 것으로 예상된다. 27년에는 약 4,300억엔 규모로 성장한다는 미국의 시장조사 회사의 시산도 있다.

▶ 중국이 대형화에서 존재감
2019년 6월 현재, 3D프린터로 만든 구조물의 세계 최고 및 세계 최장 기록은 중국이 독점하고 있다. 상하이에 본사를 두고 있는 WinSun은 15년에 3D프린터로 만든 5층짜리 집합주택을 공개하며 세계 최고를 선언하였다. 집합 주택은 전시용으로 보이지만, 철근 등에서 3D프린터로 만든 벽재를 보강해 “중국의 건축 기준에 준거하였다”라고 설명하고 있다.

19년 1월에는 정화(精華)대학 연구팀이 3D프린터로 만든 보도교를 완성시켰다고 발표. 길이 26.3m의 아치교로 세계 최장을 기록하였다. 현재, 네덜란드에서 길이 29m의 3D프린터 다리 가설이 결정되었다. 기록은 새로 갱신될 전망이다.

▶ ‘인스턴트 주택’ 등장

▶ 국가 차원의 기술개발 움직임

▶ 프린터 구입은 2,000만 엔부터

Part 4. 건설업의 이곳을 바꾼다
스타트업이 이끄는 프린트 혁명

3D프린터에 가능성을 보고 건설업계에 새로운 바람을 불러일으키고 있는 스타트업 기업. 그 기술을 확보하기 위해 세계 최대 규모의 건설기업들도 협업이나 출자를 한다. 주목 받고 있는 스타트업 기업 5사가 도전하는 건설업계의 혁신을 살펴보자.

▶ XtreeE: 자사의 디자인 기술을 강점으로
연간 5조엔 이상의 매출을 올리는 유럽 최대의 건설회사 Vinci(프랑스)로부터 3D프린터 기술의 ‘보증’을 받은 스타트업 기업이 있다. 프랑스에서 2015년에 창업한 XtreeE다. 17년 11월, Vinci의 그룹 회사가 XtreeE에 출자한다고 발표하였다.

XtreeE는 모르타르를 적층하는 3D프린터로 높이 4m의 지주나 대형 파빌리온 등을 만든 실적을 갖고 있다. Vinci 외에 시멘트 기업 LafargeHolcim(스위스), ABB(스위스), Dassault Systemes(프랑스)와 같은 기업과 제휴를 맺고 3D프린터를 사용한 복수의 건설 프로젝트를 전개하고 있다.

XtreeE의 강점은 높은 품질과 디자인성을 겸비한 기술력이다. 로봇이나 재료 등의 적층에 관련된 기술뿐 아니라 3D프린터 제조에 적합한 설계를 추구하는 디지털디자인도 일부 자사에서 전개한다.

XtreeE의 쟌 다니엘 매니저는 “제조기술과 설계기술을 축적하지 못하면 건설용 3D프린터의 발전은 없다”라고 단언한다. 적절한 설계가 동반되지 않으면 기존의 프리캐스트 콘크리트와 비교해 이점이 적기 때문에 도입되지 않기 때문이다.

-- 원할 때 원하는 형태의 부재 조달 --
XtreeE는 장기적인 목표로서 3D프린터에 관한 데이터를 통합하는 플랫폼 구축을 제시한다. 설계자나 자재업체와의 거래를 하나의 서비스로 통합하고 고객이 원할 때 원하는 모양의 3D프린터 부재를 조달할 수 있는 체재를 목표한다.

XtreeE는 이 시스템을 교통분야에서 화제인 ‘MaaS(Mobility as a Service)’에 비유해 ‘PaaS(Print as a Service)’라고 부른다. 실현된다면 고객이 설계자나 자재업체와 개별로 수발주 거래를 할 필요가 없어져 수속이 간소화된다. 고객이 부재를 선택하기 쉽도록 설계 데이터 라이브러리도 정비할 계획이다.

산업구조를 바꾸는 것은 쉽지 않다. 그러나 XtreeE는 실현을 위해 제조 거점을 개척하고 있다. 25년까지 세계 각지에 66개의 협력 회사를 만든다는 목표를 세우고 있다.

실제로 일본 기업과의 협업은 이미 시작되었다. XtreeE는 17년 가을 일본의 대형 섬유회사 KURABO와 협업을 시작하였다. KURABO는 건설용 3D프린터 사업화를 검토 중으로, 19년에 XtreeE의 기재를 국내 공장에 도입할 예정이다. 건물의 외장재나 경관 재료 등 부가가치가 높은 시멘트계 제품 영역에서 시장 전개를 목표한다.

국내에서는 신설 주택 착공 공사가 감소하면서 건설 재료의 수요 저하가 예상된다. 한편으로 주택 취득자의 요구나 기호가 다양화되면서 다품종소량생산으로 전환할 것으로 보인다. KURABO는 “건설재 분야에서 3D프린터 시장이 향후 수년 이내에 5억엔 규모로 성장할 것이다”라고 판단한다.

▶ CyBe Construction: 현지 제조를 통한 합리화로 리드

▶ MX3D: 금속 프린터로 대형 구조물

▶ WinSun: 5년 동안 150만채의 주택 건설

▶ AI SpaceFactory: 화성에 집을 짓다

Part 5. 일본 기업의 도전
자동화나 새로운 구조를 전망하고 시동

해외에서 3D프린팅 기술을 활용한 실제 구조물 건설이 진행되고 있지만 일본 국내의 움직임은 아직 둔하다. 법 규제를 비롯한 장벽이 가로막고 있기 때문이다. 그래도 미래를 전망하고 건설용 3D프린터 연구개발을 추진하고 있는 기업은 있다.

▶ 오바야시구미: 시험 시공으로 미니 아치교 제작
오바야시구미는 시멘트계 재료용 3D프린터 기술을 개발. 이 프린터로 폭 50cm, 안 길이 25cm, 높이 50cm의 원호형(Circular Arc Type) 블록 부재를 제작, 이 부재를 총 6개 조립하여 2017년에 아치교를 시작(試作)하였다. 아치교를 선택한 이유는 시멘트계 재료의 약점인 인장력 부담을 고려하지 않아도 되기 때문이다.

개발한 프린터는 야스카와전기의 로봇 팔을 이용하였다. 범용성이 높은 로봇 팔을 사용하면 3D프린팅 이외의 작업에도 전용하기 쉬워진다.

기술의 원리는 열가소성 수지를 압출해 적층∙조형하는 3D프린터와 다르지 않다. “처음에는 재료의 경화 속도가 늦고, 바로 무너져서 10cm도 적층하지 못했다. 반대로 너무 빠르면 재료가 노즐 내에서 굳어 폐색되었다”. 오바야시구미 기술본부기술연구소의 가네코(金子) 기사는 개발 착수 당시의 상황을 이렇게 밝힌다.

이러한 과제에 오바야시구미는 재료설계의 최적화와 토출 기구의 조정으로 대응하였다. 재료 설계의 경우는 화학업체인 덴카와 협력하였다. 양사는 압송 시의 유동성과 토출 후의 형태 유지성을 양립시킨 성질을 보유한 재료로서, 도로 면의 오버레이(덧씌우기) 공사 등에서 이용되고 있는 속경(速硬) 콘크리트에 주목하였다. 그리고 이와 닮은 성질의 모르타르 재료를 개발하였다. 개발한 재료의 압축 강도는 재령(Material Age) 28일로 60.6N/㎟이었다.

토출 기구는 토출하는 재료의 양이나 폭, 두께 등이 균일하도록 토출 속도나 노즐의 이동 속도를 일정하게 조정하였다. 그 외에 노즐의 이동 경로는 ‘일필휘지’의 루트로 하였다. 토출한 재료끼리 교차하면 두께가 변해 완성도가 떨어지기 때문이다.

대형 건설회사 중에서 선도적으로 3D프린터 구조물을 만든 오바야시구미는 현재도 3D프린팅 연구를 계속하고 있다. 오바야시구미가 건설용 3D프린터에서 목표하는 기술은 생체모방기술(Biomimetics) 등 형태는 최적화되어 있지만 형틀 제작이 곤란한 구조와의 융합이다.

▶ 마에다건설공업: 완전 자동 시공을 목표하는 툴

▶ 다이세이건설: 특수 노즐로 불연속 조형을 실현

▶ 아이자와고압콘크리트: 3D프린터로 인도에 화장실

▶ 다케나카공무점: 디자인성을 추구한 형틀 제조

Part 6. 혁신을 향한 노정
설계 사상을 발본적으로 바꿔 현상 타개

건설용 3D프린터의 실천적인 활용에서 일본이 뒤처진 이유는 제도의 장벽만은 아니다. 관습에 얽매이지 않는 유연한 자세가 기술의 가능성을 확대시킨다.

3D프린터 활용에서 앞서는 제조업에서는 일본 기업의 기술력이 높은 평가를 받고 있다. 그럼에도 불구하고 건설용 3D프린터 개발에서 해외에 뒤처진 이유는 무엇일까?

그 이유를 국내의 건설사업 관계자 대부분은 “내진 성능의 요구 수준이 높기 때문이다”라고 말한다. 해외에서 사례가 많은 간이주택에 도전하고 싶어도 일본에서는 건축기준법의 엄격한 제한을 받는다. 토목에서도 적절한 보강 방법이나 성능 조사 방법이 확립되지 않으면 전개가 어렵다는 의견이 대부분이다.

또한 “생산성 향상에 그렇게 기여하지 않는다”라는 회의적인 목소리도 있다. 현재의 3D프린터 기술로는 철근을 삽입하거나 건조 방지 약제를 표면에 바르는데 사람의 손이 필요하다. 완전한 자동화를 위해서는 주변 작업의 기계화도 필수기 때문에 개발 로드맵을 그리기 어려운 문제도 있다.

그러나 도쿄대학 대학원 공학계연구과의 이시다(石田) 교수는 “3D프린터는 사람의 작업을 대체할 수 있을 정도의 기술은 아니다”라고 지적한다.

3D프린터를 사용하면 ‘유지관리가 쉬운 횡목 단면’이나 ‘주변의 생태계를 방해하지 않는 교량’과 같은 새로운 기능을 가진 구조물을 실현할 수 있을지도 모른다. 또한 지오폴리머나 복합재료 등 새로운 재료의 활용에 착안한 기술개발도 일부에서 시작되었다.

기존의 관습을 깨버리지 않으면 새로운 가치는 창출되지 않는다. 디지털생산기술을 전문으로 하는 게이오대학 환경정보학부의 다나카(田中) 교수는 “3D프린터를 잘 사용하기 위해서는 설계에 대한 생각부터 발본적으로 바꿀 필요가 있다”라고 강조한다.

 -- 끝 --