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Nikkei X-TECH_2023.5.19

건설 키워드
시멘트계 건설 3D 프린터, 주택이나 토목구조물을 '인쇄'
일본 국내에서도 사례 속속 등장

시멘트계 건설 3D프린터란 특수 모르타르를 노즐에서 토출하여 적층해 주택 등 대형 구조물을 조형하는 기술이다. 건설 3D 프린터에는 금속계나 수지계 재료를 사용하는 것도 있지만, 모르타르 등 시멘트계 재료를 사용하는 것이 주류가 되고 있다.

층당 두께는 1cm에서 수 센티미터까지 프린터에 따라 다르다. 안정적으로 조형하기 위해서는 재료 배합이나 프린터 제어 등을 최적화해야 한다. 따라서 개발에는 건축이나 토목뿐 아니라 재료나 기계, IT 지식이 필수적이다.

<표> 시멘트계 건설 3D 프린터

산업용 로봇 팔을 기반으로 한 프린터는 제어가 쉬워 세밀한 디자인의 구조물을 인쇄하는 데 적합하다. 다만 한 번에 인쇄할 수 있는 사이즈에는 한계가 있기 때문에 다리 등의 장대한 구조물을 만들려면 부재를 분할하여 인쇄하거나 궤도 위를 이동할 수 있도록 하는 등 가동 범위를 늘릴 필요가 있다. 로봇암형 이외에는 문형(갠트리형) 프레임 안에서 노즐을 움직이는 타입도 있다. 가격은 몇 천만 엔이 시세이고, 대형은 1억엔을 넘기도 한다.

디지털로 설계한 데이터를 바탕으로 자동 시공할 수 있는 건설 3D 프린터에 대해서는 노동력 절약을 통한 비용 절감이나 공기 단축에 대한 기대가 크다. 디자인이나 구조의 새로운 가능성을 여는 툴로서도 주목을 받고 있다. 시공 시 형틀이 필요 없어 공동(空洞)이나 곡면 등을 많이 사용한 디자인을 쉽게 구현할 수 있기 때문이다.

설정한 구속 조건이나 하중을 바탕으로 효율적인 재료 분포를 결정하는 '토폴로지 최적화'와 같은 설계 기법과 조합하면 구조 합리성이 높아 재료 사용량을 최소화한 모양을 실현할 수 있다. 시멘트 등의 재료 사용량을 줄일 수 있어 탈탄소에 기여할 수 있다. 구조를 합리화해 건물 중량을 줄일 수 있다면 기초 간략화 등을 통한 비용 삭감도 기대할 수 있다.

해외에서는 투자자로부터 자금을 조달한 스타트업 기업이 중심이 돼 건설사 등과 협력하면서 개발을 추진해 실적을 만드는 경우가 눈에 띈다. 건재/자재 업체 등도 참가에 적극적이다. 프랑스의 Saint-Gobain이나 스위스의 Holcim, 멕시코의 CEMEX 등 대형 업체들이 건설 3D 프린터용 재료 개발에 한창이다.

건설 3D 프린터를 개발하는 스타트업 가운데 가장 유명한 기업 중에 하나가 미국 ICON이다. 누계 4억 달러 이상의 자금을 투자자로부터 조달해 주택용 프린터를 개발해 왔다. ICON은 대형 주택회사인 미국의 Lennar와 100채로 이루어진 주택가를 미국 텍사스주에서 건설하고 있다.

유럽과 미국이 리드해온 건설 3D 프린터 개발이지만 일본 기업들도 반격을 도모하고 있다. 활발한 움직임을 보이는 것이 오바야시구미와 시미즈건설 같은 대형 건설기업이다. 지금까지는 실내 조형이 중심이었지만 프린터를 건설현장으로 들여오는 ‘현장 프린팅’에 착수하기 시작했다.

예를 들어 오바야시구미는 연면적 27.09m2, 최고 높이 4.04m의 3D 프린터 실증동 ‘3dpod’를 자사 기술연구소 부지 내에서 ‘인쇄’했다. 산업용 로봇 팔을 베이스로 자체 개발한 프린터를 현장에 설치해 곡면이 많은 벽을 조형. 23년 4월 25일에 완성했다. 건설에서는 건축기준법에 근거해 국토교통성장관 인정을 받아 법적인 문제를 해결했다.

프린터를 개발하는 스타트업 기업도 등장했다. Polyuse(도쿄)는 문형 프린터를 자체 개발해 건설회사 등에 제공하는 것을 목표로 한다. 2023년 2월 15일에는 7억 1,000만엔의 자금 조달을 발표. 양산 체제 정비나 제품 개량을 추진하는 방침을 공개했다. Polyuse는 경제산업성의 스타트업 지원 프로그램 'J-Startup'에도 선정되었다.

시멘트계 건설 3D 프린터에 의한 건물이나 토목구조물의 조형 예는 23년 이후에 한층 더 확대될 것으로 보인다. 기준 정비 등을 위한 움직임도 물밑에서 시작되었다.

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