건축/환경에너지

Nikkei Architecture_2020.7.23 특집 (p52-55)

건축의 창조성과 금속 3D프린터
다케나카공무점, 네덜란드의 스타트업 기업과 협력

다케나카공무점이 금속 3D프린터를 건축 프로젝트에 적용하기 위해 연구 개발을 추진하고 있다. 디지털과 실제를 직접 연결하는 새로운 기술을 통해 건축 디자인의 가능성을 시공의 제약으로부터 해방시킨다.

산업용 로봇 팔의 끝에 용접 토치를 장착, 시판 용접 와이어를 공급하면서 육성 용접을 반복해 금속 구조물을 ‘인쇄’한다. 다케나카공무점은 금속 3D프린터를 개발하고 있는 네덜란드의 스타트업 기업 MX3D와 협력, 대공간 건축물의 ‘접합부’를 시작(試作). 실제 프로젝트에 적용시키고자 연구 개발을 추진하고 있다.

금속 3D프린터로 시작한 접합부의 중량은 약 40kg, 높이는 약 500mm다. 시작품이기 때문에 실제 건축물에 사용하는 접합부와 비교하면 다소 작다. 보다 큰 접합부 제작을 상정하고, 내부를 텅 비우고 모르타르를 충전하는 복합 구조를 채용했다. 용접량을 가능한 줄여 인쇄에 필요한 시간과 비용을 줄이려는 목적이 있다.

용접 와이어에는 뛰어난 구조 강도와 내식성을 갖는 2상 스테인리스 강(duplex stainless steel)용 제품을 사용했다. 이번에는 유럽의 규격에 적합한 제품을 사용했지만 일본산업규격(JIS)의 와이어를 사용하는 것도 가능하다.

MX3D의 3D프린팅 기술은 WAAM(Wire and Arc Additive Manufacturing의 약자, 와이어와 아크 용접을 이용한 금속 적층 조형 기술) 등으로 불리며, 금속 분말에 레이저 빔을 조사해 굳히는 SLM(Selective Laser Melting)이라는 방법과 비교해 재료의 단가가 상당히 저렴하고 인쇄 속도도 뛰어나다.

표면의 요철이 두드러지는 것이 난점이지만 건축이나 토목 등의 대형 구조물을 인쇄하는 데 적합하다.

MX3D는 18년 3월, 3D프린터로 인쇄한 길이 12.5m의 강교(鋼橋)를 발표해 화제를 불렀다. 곡선을 많이 채용한 디자인이 특징인 이 다리는, 암스테르담의 운하에 설치할 예정인 보도교다. 총 중량 약 4.5t의 강재를 4대의 로봇을 이용해 6개월에 걸쳐 제작했다. 디자인은 네덜란드의 Joris Laarman Lab이, 구조는 영국의 Arup이 담당했다.

-- 계산에서는 ‘최적’이라도 실현 불능 --
MX3D의 강점은 로봇을 제어하는 소프트웨어에 있다. MX3D는 CAD 데이터를 판독해 용접 패스(path; 용접 이음매를 따라 실시하는 1회 용접 작업)를 자동 생성하는 기능 등을 갖춘 ‘Metal XL’라 부르는 소프트웨어를 개발하고 있다. 일반적인 산업용 로봇과 용접 와이어, 그리고 이 소프트웨어를 갖추면 누구라도 건물이나 다리를 제조할 수 있게 된다.

다케나카공무점이 MX3D에 연락을 취한 것은 18년 여름 무렵이다. 18년 10월에 프로젝트에 착수, 컨셉트 공유나 디자인 협의 등을 거쳐 19년 11월에는 제작한 접합부를 공개했다. 접합부를 만드는 데 걸린 기간은 준비 기간 등도 포함해 1개월 정도다.

시작한 접합부는 큰 지붕을 지탱하는 집성재가 4방향에서 붙는 복잡한 모양이다. 설계에는 ‘토폴로지 최적화’라는 방법을 이용했다. 연구 개발을 담당하는 다케나카공무점 기술연구소의 기노시타(木下) 연구주임은 토폴로지 최적화에 대해 “가장 효율적인 재료 분포를 결정하는 방법이다”라고 설명한다. 필요한 강도를 충족하면서 재료 사용량을 줄여 최적의 모양을 만들어낼 수 있다.

토폴로지 최적화 자체는 이전부터 있는 방법이지만 건축 설계 영역에서는 그다지 보급되지 않았다. 계산 결과는 ‘최적’이라도 현장의 기술자 입장에서 보면 부재의 제작이나 시공에 필요한 수고와 비용이 비싸 실현 불가능한 구조가 돼 버리는 경우가 많기 때문이다.

설계한 모양을 그대로 인쇄할 수 있는 금속 3D프린터를 활용하면, 시공 제약을 없애고 디자인이나 구조 합리성을 희생하지 않고도 최적의 공간을 실현할 수 있게 될 가능성이 있다. “토폴로지 최적화나 AI(인공지능) 등을 활용한 디지털 디자인 방법도 지금까지 이상으로 채용하기 쉬워진다”(기노시타 연구주임).

-- 디지털 설계 방법과의 궁합 --
접합부는 그 상징적인 예다. 지금까지 주강(鑄鋼)을 이용하지 않으면 실현할 수 없었던 복잡한 모양을, 비용을 억제하면서 자유롭게 만들 수 있게 되면 구조물 전체의 디자인 자유도도 향상되고, 건물의 부가가치 향상으로도 이어진다.

기노시타 연구주임은 “로보틱한 제조 기술인 3D 프린터를 활용하면 설계를 디지털화하는 컴퓨테이셔널 디자인과, 시공을 디지털화하는 시공 BIM(Building Information Modeling)의 중간역할이 가능하다. 건축의 디지털화를 추진해 보다 넉넉한 공간을 만들고 싶다”라고 말한다. MX3D의 수석 엔지니어도 “설계부터 부재 제작까지를 일괄해 디지털화하면 건축의 창조성이 제조 기술의 제약에서 해방될 수 있다”라고 말한다.

다케나카공무점은 금속 3D프린터에 의한 접합부의 실용화를 위해 기초적인 재료 시험 등을 완료했다. 품질 확보나 설계 방법의 정비와 같은 과제를 해결하면서, 우선은 가설 구조물 등을 대상으로 적용할 계획이다. 로보틱스부터 용접, 설계에 이르기까지 폭넓은 영역에 걸친 테마이기 때문에 사외의 협업처를 늘리는 것도 고려하고 있다.

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