건축/환경에너지

Nikkei Architecture_2019.9.26 기술 (p12-13)

3D프린터, 중층 주택 제조에 전망
2종의 모르타르를 조합해 강도 확보, 오바야시구미가 개발

건설기업인 오바야시구미(大林組)는 8월 29일, 산업용 로봇 팔에 의한 대형 3D프린터와 2종류의 시멘트계 재료를 이용해 압축강도와 인장강도를 모두 갖춘 구조물을 제조하는 기술을 개발했다. 곡면 형틀이나 철근을 사용하지 않고 자유로운 모양을 실현할 수 있다.

오바야시구미 기술연구소에서는 전체 길이 7m, 폭 5m, 높이 2.5m의 ‘셸(Shell)형 벤치’를 10월 말 완성을 목표로 3D프린터로 제조 중이다. 시멘트계 재료를 이용해 3D프린터로 제조한 구조물로서는 국내 최대 규모가 될 예정이다.

오바야시구미는 17년에 화학업체 덴카(도쿄)와 공동으로 개발한 특수 모르타르를 이용해 3D프린터로 길이 약 1.8m의 소규모 아치교를 시작(試作)한 실적이 있다.

그 때 남겨진 과제가 2개다. 첫 번째는 인장강도가 충분하게 나오지 않는다는 점이다. 철근콘크리트(RC) 제조 공법에서는 철근이 부담하는 인장력을, 토출하는 모르타르 재료에만 부담시키는 것이 어려웠다.

두 번째는 팔을 움직이며 재료를 적층할 때의 경로의 자유도가 낮다는 점이다.  17년 시점에서는 제조 시에 단번에 특수 모르타르를 토출해야 했기 때문에 이어지는 경로에만 대응할 수 있었다. 때문에 자유로운 모양의 구조물을 실현할 수 있는 3D프린터의 특성을 전부 활용하지 못했다.

-- BIM 모델을 최적화 --
이번에 오바야시구미는 재료와 하드 면에서 2개의 과제 해결에 도전했다. 첫 번째 과제인 인장강도에 대해서는 2종류의 시멘트계 재료를 일체화시키는 방법으로 해결했다. 우선 3D프린터로 토출한 특수 모르타르로 ‘형틀’을 만들고, 거기에 인장 강도나 굽힘 강도가 높은 초고강도 섬유보강콘크리트 ‘슬림크리트’를 넣는다. 슬림크리트는 10년에 오바야시구미와 우베코산(宇部興産)이 공동으로 개발한 상온경화형 모르타르재다.

두 번째 과제였던 이어지는 경로에 밖에 대응할 수 없었던 과제에 대해서는 3D프린터의 로봇 팔에 재료의 토출을 중단∙재개할 수 있는 밸브 달린 노즐을 장착해 해결했다. 팔에서 펌프에 지령을 내리면 밸브가 개폐하는 구조다. 이를 통해 형틀을 자유자재로 만드는 것이 가능해졌다.

설계에는 BIM(Building Information Modeling)을 사용한다. 작성한 3차원 모델을 바탕으로 재료가 구조상 필요한 부분에만 배치되도록 ‘위상 최적화(Topology Optimization)’라는 처리를 실시. 그 후에 디자인이나 구조 등의 세부 사항을 조정한다. 3D프린터의 적층 경로는 BIM으로 자동 생성할 수 있다.

3D프린터로 특수 모르타르 형틀을 만들어 슬림크리트를 부을 경우의 공사비는 곡면 형틀과 철근, 콘크리트에 의한 재래 공법의 공사비와 거의 같다.

오바야시구미 설계본부 구조설계부의 나카즈카(中塚) 부장은 “중층 주택이라면 문제 없이 만들 수 있다. 건축기준법의 절차에서도 시간이력 지진응답해석으로 구조 계산을 해서 장관 승인을 취득하면 문제 없다”라고 말한다.

오바야시구미는 벤치를 완성한 후에 폭로시험(Exposure Test)을 통해 내구성이나 보수성 등을 확인한다. 오바야시구미 기술연구소의 가쓰마타(勝俣) 소장은 “2년은 필요하다. 우선은 자사 안건이나 연구소 내의 시설에 적용해 나간다”라고 말한다.

 -- 끝 --