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시미즈건설, 3D 프린터로 철근 들어간 대형 곡면 부재 시공
시뮬레이터로 고정밀화 달성

시미즈건설은 철근이 들어있는 대형 곡면 부재 시공에 대응한 재료 분사형 3D 콘크리트 프린팅 시스템을 개발했다. 이 시스템은 유연한 동작이 가능한 9자유도의 갠트리 로봇과 분사 후 재료의 거동을 사전 검증하는 분사 시뮬레이터로 구성된다. 시뮬레이터는 미국 카네기 멜런 대학교의 시마다(嶋田) 교수 연구실과 공동으로 개발했다. 시미즈건설이 2025년 12월 26일에 발표했다.

-- 비틀린 형상의 곡면 벽을 4시간 만에 조형 --
시멘트계 재료를 적층해 나가는 재료 압출형의 3D 프린터는 건설 현장 도입이 확산되고 있지만 철근을 함께 삽입하기 어렵고, 구조 부재나 복잡한 형상의 대형 부재에는 적합하지 않다. 그래서 시미즈건설은 재료 분사형 3D 프린터 개발을 추진해 24년에 철근을 포함한 구조 부재로서 직육면체 기둥을 처음으로 시공했다.

재료 분사형 3D 프린터는 철근이 들어간 콘크리트 부재를 직접 제작할 수 있어 작업자가 수행하던 거푸집 조립이나 콘크리트 타설을 생략할 수 있다. 다만 재료 분사형 3D 프린터는 동작 제어가 복잡하고 조형 정밀도에 과제가 있었다.

이번에 개발한 시스템은 우선 사전에 분사 시뮬레이터를 통해 철근에 대한 재료 부착 등을 예측한다. 그 때에 최적의 노즐 경로나 분사의 거리·속도 등을 단시간에 계산해 동작 제어 파라미터를 설정한다.

갠트리 로봇은 문형 프레임 상부에 로봇 암을 매다는 구조로 연결되어 있으며, 다양한 방향에서 광범위하게 재료를 분사함으로써 철근 안쪽까지 재료를 충전할 수 있다. 시뮬레이터와 로봇을 결합함으로써 조형 정밀도를 높이고 대형 곡면 부재 시공을 가능하게 했다.

실증시험에서는 높이 2.5m의 비틀림 형상 곡면 벽을 4시간 만에 조형했다. 곡면 벽 표면은 재료를 얇게 분사해 평활화했다.

시미즈건설은 앞으로 토목·건축 두 분야에서 3D 프린터를 활용한 콘크리트 시공의 완전 자동화를 목표로 할 방침이다.

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