건축/환경에너지

Nikkei Construction_2022.5 특집 요약 (p38~40)

건설용 3D프린터 (1)
기본 사항을 알아본다

대기업 뿐만 아니라 중소 건설회사들도 뛰어들기 시작한 건설용 3D프린터 시장. 그러나 아직도 건설용 3D프린터가 어떠한 메커니즘으로 프린트하고, 어떠한 특징이 있는지에 대해 설명할 수 있는 사람은 많지 않다. 이번 특집에서는 쉽게 접할 수 없는 건설용 3D프린터의 기본 사항에 대해 알아본다.

건설용 3D프린터에서 많이 쓰이는 것이 시멘트 계열 재료이다. 프린터의 선단에 있는 노즐이 수평으로 이동하면서 일정량의 모르타르를 연속해서 토출하고, 1층씩 쌓아가며 복잡한 형상의 구조물을 조형해 나간다. 층 당 두께는 1cm~수 cm로, 프린터에 따라 다르다.

적층 경로는 FDM(Fused deposition modeling)방식이 기본이다. 오바야시구미(大林組)와 같이 프린터와 펌프를 연동해 제어하여 토출의 개시나 정지를 자유자재로 할 수 있도록 해 경로의 자유도를 높인 케이스도 있다.

재료로 사용되는 모르타르에는 압송 시 높은 유동성을 가지며 노즐에서 토출된 후 점성도가 높아져 무너지지 않는 성능(틱소트로피성, Thixotropy)이 요구된다. 적층 후에 무게로 무너지지 않도록 단시간에 굳는 성질도 반드시 필요하다. 하지만, 너무 빨리 굳으면 층간에 비연속층이 생기기 쉽기 때문에 주의가 필요하다.

안정적으로 인쇄하기 위해서는 재료의 배합 및 프린터 제어 등을 최적화해야 한다. 이를 위해 프린터 개발에는 토목과 건축뿐만이 아니라, 재료와 기계, IT에 대한 지식도 불가결하다.

프린터에는 몇 가지 종류가 있다. 예를 들어 산업용 로봇암을 기반으로 한 프린터는 제어하기 쉽고 세밀한 디자인의 구조물을 인쇄하는데 적합하다. 하지만 한번에 인쇄할 수 있는 크기에는 한계가 있어, 대규모 구조물을 만들려면 부재를 분할해 인쇄한 후 현장에서 조립할 필요가 있다.

반면, 문형(門形) 프린터는 대형 구조물을 현장에서 인쇄하는데 적합하지만, 암형에 비해 섬세한 디자인에는 적합하지 않은 경우가 많다. 크레인 끝에 노즐이 부착되어 인쇄하는 타입 등도 있다.

프린터의 가격은 인쇄 가능한 크기에 따라 다르지만, 수 천만엔이 시세이다. 1억엔이 넘는 제품도 있다고 한다. 그러나 아직 제품으로서의 완성도는 떨어져 베타버전으로 판매하는 경우가 많다. 해외산 프린터는 일본에서 입수하기 어려운 재료를 사용하고 있는 케이스가 많기 때문에 구입에는 주의가 필요하다.

-- 해외에서는 소형 다리에 적용 --
디지털로 설계한 데이터를 바탕으로 기계로 자동 시공할 수 있는 건설용 3D프린터는 성인화(省人化)로 인한 비용 절감 및 공기 단축 등의 효과 외에도 의장이나 구조의 새로운 가능성을 여는 툴로도 주목 받고 있다. 거푸집이 필요 없기 때문에 공동(空洞)이나 곡면 등이 많이 사용된 디자인도 실현하기 쉽다.

설정한 구속 조건이나 하중을 기반으로 효율적인 재료 분포를 결정하는 ‘토폴로지 최적화’와 같은 설계 방법과 조합하면 구조의 합리성이 높고 재료의 사용량을 최소화한 형상을 실현할 수 있다.

시멘트 등과 같은 재료의 사용량을 줄일 수 있어 탈탄소에도 기여할 수 있다. 구조를 합리화해 상부 구조물의 무게를 줄일 수 있게 되면 기초의 간략화 등을 통한 비용 절감도 기대할 수 있다.

반면, 위를 향해 뻗어나가는 구조물을 조형하기 어렵다는 단점도 있어, 건설용 3D프린터의 특성에 맞는 설계 방법(DfAM: Design for Additive Manufacturing)과 이를 위한 툴 개발 등이 요구되고 있다.

일본에서는 오바야시구미, 시미즈(清水)건설, 다이세이(大成)건설, 마에다(前田)건설공업 등의 건설 회사들이 자체적으로 프린터나 전용 재료를 개발해 토목이나 건축으로의 적용 가능성을 모색하고 있다.

반면, 해외에서는 투자자로부터 자금을 조달한 스타트업 기업들이 중심이 되어 건설사 등과의 협력을 통해 개발을 추진, 실적을 올리는 사례가 눈에 띈다. 건축자재 제조사 등도 적극적으로 시장에 참여하고 있다. 프랑스의 생고뱅(Saint-Gobain)과 스위스의 홀심(Holcim), 멕시코의 시멕스(CEMEX) 등 세계적 제조사들도 건설 3D프린터용 재료 개발에 주력하고 있다.

유럽에서는 대학의 존재감도 크다. 스위스 취리히연방공대와 네덜란드의 에인트호벤공대, 델프트공대 등이 디지털을 활용한 건설 생산 시스템 개발을 추진하고 있다.

-- 시장 규모는 아직 수 백억엔에 불과 --
일본에서는 토목 구조물이나 가구, 외관, 매설 형틀, 소규모 건축물 등에 대한 적용이 이제 막 시작되고 있다. 한편, 해외에서는 주택을 인쇄해 판매하는 케이스도 이미 나오고 있다.

예를 들어, 집값 급등이 사회 문제화되고 있는 미국 등에서는 저소득층을 위한 주택공급에 건설용 3D프린터를 활용하는 움직임이 보이고 있다. 또한, 재해 시의 가설 주택 등으로의 적용을 모색하는 케이스도 있다.

국가 차원에서 3D프린터 활용을 추진하고 있는 곳이 아랍에미리트의 두바이로, 2016년에 소규모 사무실 인쇄를 시작으로 점포와 대규모 주택, 연구시설 등이 속속 탄생하고 있다.

건설 3D프린터 개발이 활발한 네덜란드에서는 2021년, 전체 길이 29m의 콘크리트 다리가 완성. 프랑스에서는 2024년 파리 올림픽을 위해 육교를 건설하는 프로젝트도 시행되고 있다.

이와 같이 보급이 추진되고 있는 해외의 건설 3D프린터 시장 규모는 얼마나 될까? 이에 복수의 조사회사들은 계속 증가할 것으로 전망하고 있다.

조사회사인 인도의 360iResearch에 따르면, 시멘트 계열 3D프린터의 2020년 세계 시장 규모는 약 130억엔에 달하며, 2027년까지 약 600억엔으로 성장할 것이라고 보고 있다.

인도와 영국 등에 거점이 있는 조사회사 The Business Research Company는 3D프린터를 이용한 건설 시장 규모가 2026년에 약 1000억엔에 달할 것으로 예측했다.

반면, 미국의 Polaris Market Research는 2029년까지 약 2,000억엔 규모로 성장할 것으로 예측하는 등, 조사 업체에 따라 편차가 크다. 2027년까지 4조엔의 수익을 낼 것이라는 예측도 있다. 기대가 앞서고 있는 여명기 분야인 건설용 3D프린터. 그 향방은 향후의 활성화 상황에 따라 크게 좌우될 것으로 보인다.

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