건축/환경에너지

Nikkei Architecture_2019.7.25 토픽 요약 (p64-71)

건설 3D프린터
다품종 소량생산을 위해 설계∙시공 쇄신

형틀을 사용하지 않고 유기적인 모양의 시멘트 구조물을 제작할 수 있는 건설용 3D프린터. 현장을 ‘공장’으로 바꾸는 능력뿐 아니라 지금까지 시공이 어려웠던 어려운 구조나 모양을 구현화할 수 있다. 해외와 비교해 뒤처져 있는 일본에서도 건설용 3D프린터 도입이나 개발 움직임이 나오기 시작했다.

섬유기업인 구라보(오사카시)가 건설산업용 시멘트계 재료를 사용한 3D프린팅 사업화를 검토하고 있다. 이르면 올해 안에 전용 기재를 국내 공장에 도입할 방침이다. 디자인성이 높은 건물의 외장재나 경관 재료 등 부가가치가 높은 시멘트계 제품 영역에서 시장을 전개한다.

구라보는 프랑스에서 시멘트계 재료의 3D프린팅을 전개하는 스타트업 기업 XtreeE와 17년 가을에 제휴. XtreeE의 공장과 기재를 사용해 일본에서 전개하는 시작품 제조를 추진하고 있다.

XtreeE는 16년 창업. 독자적으로 개발한 3D프린팅 기술로 높이 4m의 지주나 대형 파빌리온 등을 만든 실적이 있다. 프랑스의 대형 건설업체 VINCI나 시멘트 생산기업인 LafargeHolcim(스위스), ABB(스위스), Dassault Systemes(프랑스) 등 대기업과 잇달아 제휴. 현재도 3D프린터를 사용한 복수의 건설 프로젝트를 추진하고 있다.

XtreeE는 LafargeHolcim으로부터 3D프린팅 전용의 특수한 모르타르를 제공 받는다. 3D프린터만이 가능한 디자인 제안에 주력해 고품질과 디자인성을 갖춘 기술력을 강점으로 한다.

-- 수년 이내에 5억엔 시장으로 --
구라보는 1970년대에 건설자재 판매를 시작했다. 지금까지 건물 외장재나 단열재 제조와 판매를 중심으로 사업을 전개해 왔다. 그러나 저출산 등의 영향으로 국내 주택 건설이 줄어들 가능성이 높고, 장기적으로는 건설자재 수요도 감소할 것이다.

한편, 주택 취득자의 요구나 기호가 다양해지면서 건설자재 시장은 다품종 소량생산으로 전환하고 있다. 구라보의 히라야마(平山) 부장은 “고객의 다양한 요구에 맞춰서 효율적으로 제품을 커스터마이즈해 나갈 필요가 있다”라고 말한다.

구라보는 기존의 프리캐스트 기술과 비교해 디자인 자유도가 높은 3D프린터 기술을 앞서서 채용해 향후 상황에 대한 대응을 강화한다. 건설자재 분야에서 3D프린터 활용 시장은 향후 수년 내에 5억엔 규모로 성장할 것이다.

XtreeE에서 구입하는 기재 가격은 공개하지 않았지만 건설용 3D프린터 상위 기종의 시세인 1억엔 정도가 될 것으로 보인다.

당분간 모르타르는 LafargeHolcim에서 구입할 계획이며 비용 부담이 크다. 그래서 장래에는 국산 시멘트계 재료 개발이나 시멘트계가 아닌 무기계 신재료 이용도 고려하고 있다고 한다.

구라보가 프랑스에서 시작(試作)하는 것은 주택 문이다. 곡선 모양이나 표면 모양, 슬릿 삽입 등에서 시공 정밀도를 확인하고 있다. 가까운 시일 내에 일본에서 시작품을 전시할 계획이다.

Part 1. 데이터로 보는 최전선
4,300억엔 시장에 세계는 움직이기 시작했다

-- 시장 규모 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. 높아지는 관심과 디지털 기술의 발전으로 시장은 급속하게 확대될 것으로 예상된다. 27년에는 약 4,300억엔 규모로 성장한다는 미국 시장조사 회사의 시산도 있다.

-- 중국이 대형화에서 존재감 --
19년 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 선언. 집합주택은 전시용으로 보이지만 철근 등에서 3D프린터로 만든 벽재를 보강해 “중국의 건축 기준에 준거하였다”라고 설명하고 있다.

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

-- ‘인스턴트 주택’ 등장 --
-- 국가 차원의 기술개발 움직임도 --
-- 3D프린터 구입은 2,000만 엔부터 --

Part 2. 일본 기업의 도전
자동화나 새로운 구조를 전망해 시동

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

▶ 오바야시구미
시험 시공으로 미니 아치교 제작

오바야시구미는 시멘트계 재료용 3D프린터 기술을 개발. 이 프린터로 폭 50cmⅹ 안 길이 25cmⅹ높이 50cm의 원호형(Circular Arc Type) 블록 부재를 제작해, 이 부재를 총 6개 조립해서 2017년에 아치교를 시작(試作)했다. 아치교를 선택한 이유는 시멘트계 재료의 약점인 인장력 부담을 고려하지 않아도 되기 때문이다.

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

기술의 원리는 열가소성 수지를 압출해 적층∙조형하는 3D프린터와 다르지 않다. 조형물의 3차원 데이터를 적층 피치별 단면으로 슬라이스해, 각 단면 데이터를 밑에서부터 1층씩 쌓아 올렸다. 앞에서 말한 블록 부재 하나는, 1층을 약 20초, 약 15분에 완성시키고 있다.

“처음에는 재료의 경화 속도가 느리고, 바로 무너져서 10cm도 적층하지 못했다. 반대로 너무 빠르면 재료가 노즐 내에서 굳어 막혔다”. 오바야시구미 기술본부기술연구소의 가네코(金子) 주석기사는 개발 착수 당시의 상황을 이렇게 밝힌다.

이러한 과제에 오바야시구미는 재료설계의 최적화와 토출 기구의 조정으로 대응했다. 재료 설계는 화학업체인 덴카와 협력했다. 양사는 압송(Pumping) 시의 유동성과 토출 후의 형태 유지성을 양립시킨 성질을 보유한 재료로서, 도로 면의 오버레이(덧씌우기) 공사 등에서 이용되고 있는 속경(速硬) 콘크리트에 주목. 이와 닮은 성질의 모르타르 재료를 개발했다. 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 조정했다. 그 외에 노즐의 이동 경로는 ‘일필휘지’의 루트로 하였다. 토출한 재료끼리 교차하게 되면 두께가 변해 완성도가 떨어지기 때문이다.

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

▶ 마에다건설공업
완전 자동 시공을 목표하는 툴

마에다건설공업도 시멘트계 재료용 3D프린터와 그를 위한 전용 재료를 개발. 19년 1월에 그 내용을 발표했다. 마에다건설이 건설용 3D프린터 개발을 본격화한 것은 16년 무렵이다. 미래의 노동력 부족을 전망, 성력화(省力化)나 무인화를 실현하는 핵심 기술로서 주목했다.

마에다건설공업은 우선 소형 3D프린터를 개발. 조형 시험을 반복하며 압송 시의 유동성이나 인쇄 후의 속건성을 겸비한 모르타르계 재료를 만들었다. 개발한 재료는 벽 모양, 원추 모양, 기하학 모양 등 다양한 모양을 조형할 수 있다는 것을 확인했다.

그 후, 18년 12월에 실제 시공용 로봇 팔을 사용한 3D프린터를 개발해 조형 범위를 폭2mⅹ길이2mⅹ높이3m로 넓혔다. 화낙(FANUC)의 로봇 팔을 베이스로 한 시스템이다. 19년 2월에 마에다건설공업이 개최한 ICI종합센터 개소식에서는 높이 2.8m의 흡연소 하우징을 조형했다. 1시간에 1m의 높이를 적층할 수 있다. 또한 철근으로 보강을 한다면 우선 속이 빈 부재를 만들어 나중에 철근을 꽂아 콘크리트를 붓는다.

마에다건설공업 ICI종합센터의 가지타(梶田) 스페셜리스트는 다음과 같이 지적한다. “인장 강도나 벤딩 강도를 내는 것이 어렵다. 철근을 대신할 재료를 사용한 기술이 필요하다”. 건축기준법에 적합한 벽이나 기둥으로서 사용하기 위해서는 이 과제를 해결할 필요가 있다.

▶ 다이세이건설
특수 노즐로 불연속 조형을 실현

다이세이건설은 액티오(AKTIO, 도쿄), 태평양시멘트, 아리아케공업고등전문학교와 공동으로 문형(門型)을 만드는 건설용 3D 프린터 ‘T-3DP’를 개발. 18년 12월에 발표했다.

최속 초당 50cm의 속도로 모르타르를 압출해 적층한다. 최대 폭1.7mⅹ길이2 mⅹ높이1.5m까지의 건설 부재를 제작할 수 있다.

탑재된 기술의 최대 특징은 모양이나 기구, 제어시스템 등을 고안한 특수한 노즐이다. 재료의 공급 방법에 의존하지 않고 토출량을 일정하게 유지할 수 있도록 했다. 그 결과 압송 시에 ‘맥동’이 동반되는 Squeeze Pump와의 조합이 가능해졌다.

개발을 담당한 다이세이건설의 기노무라(木ノ村) 프로젝트 팀리더는 “현장 전개를 상정하고 개발을 추진했다”라고 말한다.

노즐 끝 부분의 기구를 연구해서 토출을 멈췄을 때 재료가 흐르지 않도록 했다. 이를 통해 불연속 구간에서도 노즐을 이동할 수 있게 되었다. 일필(一筆) 이외의 모양이나 여러 부재의 동시병행 제작이 가능해진다.

▶ 다케나카공무점
디자인성을 추구한 형틀 제조

다케나카공무점은 주로 3D프린터를 수지 형틀 제작에 이용해 왔다. 발단은 2014년에 게이오대학 환경정보학부의 다나카(田中) 교수와 공동으로 개발한 ‘ArchiFAB’다.

ArchiFAB는 수지를 압출해 적층 조형하는 3D프린터다. 다케나카공무점은 이를 이용해 철근 콘크리트용 수지 형틀을 제작하고 있다. 수지 형틀이 작은 요철이나 곡면 등 복잡한 모양에 대응할 수 있는 강점을 활용해, 콘크리트 타설 후에도 형틀을 외장재로서 이용하는 아이디어도 제시했다.

다케나카공무점에서 ArchiFAB를 사용한 형틀 제작이 극적으로 확산된 것은 아니지만 높은 디자인성이 요구되는 용도에 적용한 사례는 존재한다.

도미오카제사장(富岡製糸場)의 보존 개수 공사를 예로 들 수 있다. 이 공사에서는 상징적인 붉은 기와의 표면 모양을 3차원 계측해 데이터화, 그 데이터를 바탕으로 ArchiFAB로 기와 모양의 형틀을 제작했다. 그 후에 형틀에 콘크리트를 부어, 관내의 의자 표면에 기와 모양을 전사(轉寫)해 장식했다.

 -- 끝 --