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Nikkei X-TECH_2023.11.1

다이세이건설의 로봇암형 3D프린터
레일의 이동으로 철근을 둘러싼 인쇄가 가능하도록

‘큰 곡면의 벽 제작도 자유자재. 기초 콘크리트로부터 노출된 철근의 안쪽까지 회전해 들어가는 조형도 가능하고, 철근의 피복 두께도 적정하게 할 수 있다’.

다이세이건설(大成建設)이 레일 위를 수평으로 움직이는 로봇암형 건설 3D프린터를 개발했다. 로봇암의 제어축 수는 6개로, 수평 이동과 '7개 축의 자유도'를 구현했다. 복잡한 패턴으로 암을 움직이면서 암의 선단에 장착된 노즐에서 시멘트계 재료를 토출해 부재를 '인쇄'할 수 있다. 다이세이건설은 9월 25일, 이 3D프린터를 발표했다.

로봇 암은 화낙(FANUC) 제품이며, 암의 선단에 장착된 노즐은 다이세이건설이 개발했다. 현장에 레일과 로봇 암을 설치해 직접 조형하는 '온사이트 프린팅(Onsite Printing)'을 상정하고 있다. 대형 철근콘크리트 벽이나 연속적으로 늘어선 철근콘크리트 기둥 등을 인쇄하는 데 사용할 계획이다. 로봇 암은 트럭으로 수송이 가능하다.

개발의 핵심은 제어이다. “노즐의 움직이는 속도를 일정하게 유지하면서 각도가 급변하지 않도록 하고, 항상 같은 양의 재료를 노즐에서 계속 토출하도록 조정해야 한다. 7개 축의 자유도를 가진 3D 프린터에 특화된 암과 이동 제어가 필요했다." 다이세이건설 기술센터 사회기반기술연구부재공연구실 콘크리트 DX팀의 기노무라(木ノ村) 팀장은 이렇게 설명한다.

레일 길이는 2m. 로봇암이 수평으로 이동함으로써 최대 7.2m의 부재를 인쇄할 수 있다. 레일을 늘리면 7.2m가 넘는 부재도 제작이 가능하다. 높이는 2.9m까지 대응할 수 있다.

-- 노즐을 기울여 인쇄해 철근의 피복 두께를 적정화 --
장애물을 피해 회전해 들어가는 조형도 가능하다. 예를 들어, 현장에서 미리 조립한 철근이나 철골 등의 부재를 둘러싸도록 매설형 틀을 인쇄할 수 있다.

다이세이건설 기술센터 콘크리트DX팀의 무라타(村田) 주임은 “수평 이동이 불가능한 로봇암형 3D 프린터는 기초 콘크리트에서 철근을 세우는 것과 같은 기존 공법의 현장에 도입하기 어렵다. 이번 3D 프린터는 그러한 현장에 대응할 수 있다는 것이 강점”이라고 어필한다.

회전해 들어갈 수 있는 단면 사이즈에 대해 무라타 주임은 “원주의 경우 직경 약 1m의 단면 사이즈가 한계”라고 말한다. 보다 큰 단면 사이즈의 기설물이 있는 현장에도 이번 3D 프린터를 적용할 수 있도록 개발을 추진하고 있다고 한다.

노즐을 기울인 채 인쇄할 수 있다는 것도 특징 중 하나이다. 현장에서 미리 조립한 철근에 노즐을 대각선 방향에서 접근할 수 있기 때문에 철근 바로 근처에 재료를 토출할 수 있다.

기존 기술에서 노즐은 연직 방향으로 내려간다. 노즐이나 암이 철근에 접촉하지 않도록 해야 하기 때문에 철근과 노즐 사이 간격을 상당히 벌려야 한다. 이 때문에 철근의 피복 두께는 최소 150mm가 한계로, 재료 사용량이 늘어나는 것이 과제였다. 이번 3D 프린터는 약 70mm의 피복 두께를 실현. 철근과 토출 재료의 간격을 최소 15mm까지 실증하는 데 성공했다.

로봇암의 기구 위 노즐은 얼마든지 기울어질 수 있다. 하지만 노즐에서 재료를 토출하거나, 토출한 재료를 수직 방향으로 적층할 경우, 30도 정도까지가 현실적이라고 무라타 주임은 설명한다.

토출할 수 있는 재료도 다양하다. 다이세이건설이 개발한 친환경 콘크리트 ‘T-eConcrete’도 사용할 수 있다. 시멘트의 일부를 고로슬래그 등으로 대체한 콘크리트로, 일반 콘크리트에 비해 CO₂ 배출량을 줄일 수 있다. 이번 3D 프린터는 재료의 사용량도 줄일 수 있기 때문에, 이 2가지를 조합하면 CO₂ 절감을 더욱 확대할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

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