시공 3D프린팅

Construction 3D printing

건설 3D 프린팅(c3Dp) 또는 3D 건설 프린팅(3DCP)은 건축물이나 건설 부품을 제작하기 위한 핵심 방법으로 3D 프린팅을 사용하는 다양한 기술을 의미합니다. 이 공정에 대한 대안적인 용어는 "첨가물 시공"을 포함합니다.[1][2] "3D 콘크리트"는 콘크리트 압출 기술을 의미하는 반면, 자율 로봇 건설 시스템 (ARCS), 대규모 첨가물 제조 (LSAM), 또는 자유 형식 시공 (FC)은 다른 하위 그룹을 의미합니다.[3]

시공 규모에서 주요 3D 프린팅 방법은 압출(콘크리트/시멘트, 왁스, 폼, 폴리머), 분말 접합(고분자 접합, 반응성 접합, 소결), 적층 용접입니다.

산업용 로봇, 갠트리 시스템 및 테더링된 자율 주행 차량을 사용하여 건물 및 건설 부품의 현장 및 현장 제작을 포함하는 다양한 접근 방식이 현재까지 시연되었습니다. 건설 3D 프린팅 기술의 시연에는 주택, 건설 구성 요소(클래딩 및 구조 패널 및 기둥), 교량 및 토목 인프라, 인공 암초, 엽상 및 조형물의 제작이 포함되었습니다.[4][5]

3D 콘크리트 프린팅은 실제로 건축물과 구조물의 건설을 새롭고 복잡한 형태로 혁신하여 시간, 재료, 노동 및 비용을 절약하는 동시에 건설의 지속 가능성과 환경 영향을 강화할 수 있는 잠재력이 있는 유망한 기술입니다. 그러나 이 기술은 재료 혼합물의 선택과 설계, 공정 품질과 제어, 구조적 무결성, 3D 인쇄 구조물의 내구성 등 다양한 장애물과 도전에 직면해 있으며, 산업 규제와 표준화에도[6] 직면해 있습니다.

역사

파종기술 1950~1995

로봇 벽돌 쌓기는 1950년대에 개념화되고 탐구되었으며, 양수 콘크리트와 이소시아네이트 폼을 사용하여 1960년대에 자동화 건설을 중심으로 관련 기술 개발이 시작되었습니다.[7] 일본에서는 1980년대와 1990년대에 시미즈와 히타치가 고층빌딩 건설의 위험성을 해결하기 위해 슬립 포밍 기법과 부품의 로봇 조립을 이용한 전체 건축물의 자동화된 제작 기술 개발이 선도적으로 이루어졌습니다.[8] 현장 자동화에 대한 이러한 초기 접근 방식의 대부분은 건설 '거품', 새로운 아키텍처에 대응할 수 없음, 구축된 지역의 현장에 재료를 공급하고 준비하는 문제 등으로 인해 어려움을 겪었습니다.

1995-2000년 초기 개발

건설 초기 3D 프린팅 개발 및 연구는 1995년부터 진행되고 있습니다. Joseph Pegna에[9] 의해 두 가지 방법이 발명되었는데, 그 중 하나는 증기를 사용하여 재료를 층 또는 고체 부분에 선택적으로 접합하는 모래/시멘트 형성 기술에 중점을 두었지만 이 기술은 결코 입증되지 않았습니다.

두 번째 기술인 Behrohk Khoshnevis의 Contour Crafting은 처음에는 새로운 세라믹 압출 및 성형 방법으로 시작되어 1995년에 특허를 받았습니다.[10] Khoshnevis는 이 기술이 "현재의 방법은 일반적으로 각 차원에서 1미터 미만의 부품 차원을 제작하는 것으로 제한된다"는 이러한 기술을 뛰어 넘을 수 있다는 것을 깨달았습니다. 2000년경 USC Vertibi의 Khoshnevis 팀은 시멘트 및 세라믹 페이스트의 건설 규모 3D 프린팅에 집중하기 시작했습니다. 이는 모듈식 보강재, 내장 배관 및 전기 서비스의 자동화된 통합을 포괄하고 지속적인 하나의 빌드 프로세스 내에서 탐색하는 것입니다. 이 기술은 현재까지 실험실 규모에서만 테스트되었으며 논란의 여지가 있으며 최근 중국에서의 노력의 기반을 형성한 것으로 알려졌습니다.[citation needed]

2000~2010년 1세대

2003년, Rupert Sayor는 자금을 확보하고 영국 Loughborough University의 freeform construction group을 구성하여 기존의 3D 프린팅 기술을 건설 애플리케이션에 맞게 확장할 수 있는 가능성을 모색했습니다.[citation needed] 2005년, 이 그룹은 'Off the Shelf' 구성 요소(콘크리트 펌핑, 스프레이 콘크리트, 갠트리 시스템)를 사용하여 대규모 건설 3D 프린팅 기계를 건설하기 위한 자금을 확보하여 그러한 구성 요소가 얼마나 복잡하고 현실적으로 건설 수요를 충족시킬 수 있는지 탐구했습니다.[citation needed]

2005년 이탈리아 엔리코 디니(Enrico Dini)는 약 6m x 6m x 3m 면적에 걸쳐 대규모 규모의 분말 분사/접합 기술을 사용하여 D-Shape 기술을 특허 출원했습니다.[11] 이 기술은 원래 에폭시 수지 접합 시스템으로 개발되었지만 나중에 무기 접합제를 사용하도록 적용되었습니다.[12] 이 기술은 [인공 암초]를 포함한 건설 및 기타 부문의 다양한 프로젝트에 상업적으로 사용되었습니다.[13]

2008년 Richard Buswell과 동료들이 그룹의 선행 연구를 확장하고 갠트리 기반 기술에서 산업용 로봇으로 이동하는 상업적 응용 분야를 검토하기 위해 영국 러프버러 대학교에서 3D 콘크리트 인쇄가 시작되었습니다.[14]

2세대 2010–현재

버스웰 그룹은 2014년 스칸스카에 로봇 기술을 라이선스하는 데 성공했습니다.[citation needed] 2015년 1월 18일, 이 회사는 3D 인쇄 부품을 통합한 두 개의 건물(맨션 스타일의 빌라와 5층 타워)을 공개하며 언론의 주목을 받았습니다.[15] 2016년 5월, 두바이의 미래 박물관이 세계 최초의 3D 인쇄 오피스 빌딩으로 선전하는 250 평방미터의 공간(2,700 평방 피트)에 새로운 오피스 빌딩이 두바이에 문을 열었습니다.[16]

2017년, 아랍 에미리트 연합국에서 3D 프린터로 인쇄된 마천루를 짓는 프로젝트가 발표되었습니다.[17] 카자 건설은 구조물을 만드는 데 도움이 될 것입니다. 현재로서는 건물 높이나 정확한 위치 등 구체적인 내용은 없습니다.[18]

Laing O'Rourke의 James B Gardiner와 Steven Jansen이 발명한 FreeFAB Wax는 2013년 3월부터 개발되고 있습니다.[19][20] 이 기술은 시공 규모 3D 프린팅을 사용하여 대량의 엔지니어링 왁스(최대 400L/hr)를 생산하여 프리캐스트 콘크리트, 유리 섬유 강화 콘크리트(GRC) 및 기타 분무/주물 가능 재료를 위한 '빠르고 더러운' 3D 프린팅 몰드를 제작합니다. 그런 다음 주조 표면을 5축 밀링하여 약 5mm의 왁스를 제거하여 고품질 몰드(약 20미크론 표면 거칠기)를 만듭니다.[21] 경화가 끝나면 금형을 분쇄하거나 용융하고 왁스를 여과하여 재사용하므로 기존 금형 기술에 비해 폐기물이 크게 줄어듭니다. 이 기술의 장점은 빠른 금형 제작, 생산 효율성 향상, 노동력 감소, 맞춤형 금형에 대한 재료 재사용을 통한 폐기물의 가상 제거입니다.[22] 이 시스템은 원래 2014년에 산업용 로봇을 사용하여 시연되었습니다.[23] 이 시스템은 나중에 5축 고속 갠트리와 통합되어 시스템에 필요한 신속한 표면 밀링 공차를 달성하도록 조정되었습니다.

IL USA Champaign에 있는 건설공학연구소(ERDC-CERL)가 이끄는 미 육군 공병대 엔지니어 연구개발센터는 2015년 9월부터 배치 가능한 건설 3D 프린터 기술에 대한 연구를 시작했습니다. 시범 프로젝트인 ACES(Automated Construction for Expeditional Structures)는 콘크리트 3D 프린팅에 초점을 맞추고 인쇄 시스템, 인쇄 가능한 콘크리트 재료, 구조 설계 및 테스트, 시공 방법 등 광범위한 연구 분야를 다루었습니다. ACES 프로젝트는 다음과 같은 세 가지 데모를 가져왔습니다. 미국 육군 기동지원·유지·보호 실험(MSPIX)에서 최초의 강화 적층형 콘크리트 막사인 진입 통제 지점, 민군 기반 시설(저지 장벽, T벽, 암거, 벙커, 전투 진지)[24][25][26] 인쇄.

2017년 ERDC CERL은 미 해병대와 협력을 시작하여 군 장병의 콘크리트 3D 프린팅 시연, 구조적으로 강화된 3D 프린팅 콘크리트 막사 헛간, 미주 최초의 3D 프린팅 교량 시연,[27][full citation needed][28][full citation needed] 3인치 노즐로 프린팅 시연 등의 성과를 거두었습니다.[29][30] 이 작업을 통해 ERDC와 해병대는 강화된 3D 인쇄 콘크리트 벽 조립체와 교량 보의 구조적 성능, 인쇄 시스템 복원력 및 유지보수 주기, 연장된 인쇄 작업, 공개된 24시간 건물 클레임, 전통적으로 통용되는 관행을 사용하여 실행 가능한 보강 및 건설 방법을 개발합니다.[2][31][full citation needed]

Loris Jaarman과 팀이 설립한 MX3D Metal은 두 개의 6축 로봇 3D 프린팅 시스템을 개발했습니다. 첫 번째 시스템은 압출된 열가소성 플라스틱을 사용합니다. 특히 이 시스템은 자유로운 형태의 비평면 비드를 제작할 수 있습니다. 두 번째는 적층 용접(본질적으로 이전의 스폿 용접에 대한 스폿 용접)에 의존하는 시스템입니다. 적층 용접 기술은 과거에 다양한 그룹에 의해 개발되었습니다.[32] MX3D는 암스테르담에서 6년 동안 금속 다리의 제작과 설치 작업을 했습니다. 완성된 보행 및 자전거 다리는 2021년 7월에 개통되었습니다. 이 다리는 12m(39피트)의 스판과 4,500kg(9,900lb)의 스테인리스 스틸의 최종 질량을 가지고 있습니다.[33]

BetAbram은 슬로베니아에서 개발된 간단한 갠트리 기반 콘크리트 압출 3D 프린터입니다. 이 시스템은 2013년부터 3가지 모델(P3, P2, P1)을 소비자에게 제공하고 있으며, 상업적으로 이용 가능합니다. 가장 큰 P1은 최대 16m x 9m x 2.5m의 물체를 인쇄할 수 있습니다.[34] Rudenko가 개발한 Total Custom Concrete 3D 프린터는 갠트리 구성으로 장착된 콘크리트 증착 기술로, 시스템의 출력은 Winsun 및 기타 콘크리트 3D 프린팅 기술과 유사하지만 경량 트러스 타입의 갠트리를 사용합니다.[35] 이 기술은 필리핀에서 성과 호텔 방의 뒷마당 규모 버전을 제작하는 데 사용되었습니다.[36][37][full citation needed]

건설 프린터의 연속 생산은 야로슬라블(러시아)에 본사를 둔 SPECAVIAVIA 회사에 의해 시작되었습니다. 2015년 5월, 건설용 3D 프린터의 첫 모델을 선보이며 판매 개시를 알렸습니다.[citation needed]

창립 CEO Philippe Morel이 시작하고 지원하는 [38]XtreeE는 6축 로봇 암 위에 장착된 다성분 인쇄 시스템을 개발했습니다. 이 프로젝트는 2015년 7월에 시작되었으며, 세인트 고뱅, 빈치, 라파르게 홀심과 같은 건설 산업의 협업과 투자를 포함합니다.[39][40] 덴마크의 3D프린팅 스타트업인 3D프린트는 2017년 10월에 자체 갠트리 기반 프린터를 만든 자매 회사인 코보드 인터내셔널과 함께 건설에도 진출했습니다.[41]

S-Square 3D Printers Inc.는 뉴욕 롱아일랜드에 본사를 둔 3D 프린터 제조 및 소매 회사입니다. 이 회사는 2014년 Robert Smith와 Mario Szzepanski에 의해 공동 설립되었으며 13명의 직원이 있으며 취미 활동가, 도서관 및 STEM 프로그램을 위한 3D 프린터를 만듭니다.[42][43] 2017년, 이 회사는 자율 로봇 건설 시스템(ARCS)이라는 3D 프린팅 장비로 집과 상업용 건물을 건설하기 위해 새로운 부서인 S-Square 4D Commercial을 출범시켰습니다.[44][45][46][47] 이 시스템은 집, 상업용 건물, 도로 및 다리를 지을 수 있습니다.[48] ARCS는 500평방피트에서 100만평방피트 이상의 프로젝트를 완료할 수 있습니다.[49][50][full citation needed]

2021년 Mario Cucinella Architects와 3D 프린팅 전문가 WASP는 점토 혼합물인 Tecla로 만든 집의 최초의 3D 프린팅을 시연했습니다. (아래 참조).[51][52]

2022년 엔지니어들은 적층 제조 및 수리를 위한 자율 3D 프린팅 드론의 무리 개발을 보고했습니다.[53][54]

2022년 11월, 메인 대학의 고급 구조 및 복합 재료 센터의 연구원들은 목재 부산물로 인쇄된 모듈식 섹션으로 구성된 600 평방 피트(56m2)의 집을 완성했습니다.[55]

설계.

건축가 James Bruce Gardiner는 2004년에 Freefab Tower와 2009-2010년에 Villa Roccia라는 두 프로젝트를 설계했습니다. FreeFAB 타워는 하이브리드 형태의 건설 3D 프린팅과 모듈식 건설을 결합하기 위한 독창적인 개념을 기반으로 했습니다.[56][57] 윈선의 원본 보도자료와 미래의 사무실에 대한 기사를 포함하여 윈선이 사용한 다양한 디자인에서 영향을 볼 수 있습니다.[58][59] FreeFAB 타워 프로젝트는 건설 3D 프린팅에서 다축 로봇 암의 첫 번째 추측적 사용을 묘사하기도 하는데, 이러한 기계의 건설 내 사용은 최근 몇 년 동안 MX3D 및 Branch Technology의 프로젝트로 꾸준히 증가했습니다.[60][61]

Villa Roccia 2009-2010은 D-Shape과 공동으로 이탈리아 사르데냐의 포르토 로톤도에 있는 Villa 디자인으로 한 단계 더 발전했습니다.[62] 빌라의 디자인은 패널화된 조립식 3D 프린팅 프로세스의 사용을 고려하는 한편, 부지와 사르데냐 해안의 암석 형성에 영향을 받은 부지 특정 건축 언어의 개발에 중점을 두었습니다. 프로젝트는 시제품 제작을 거쳤고 완전한 건설로 진행되지 않았습니다.

Francios Roche(R&Sie)는 2005년에 자율 3D 프린팅 장치와 생성 설계 시스템과 같은 투기성이 강한 자기 추진 뱀의 고층 주거용 타워를 만드는 방법을 탐구하는 전시 프로젝트이자 모노그래프 'I hear about'을 개발했습니다.[63]

네덜란드 건축가 Janjaap Ruijssenaars의 성능이 뛰어난 건축 3D 프린팅 건물은 네덜란드 회사들의 협력에 의해 지어질 계획이었습니다.[64][needs update] [65] 이 집은 2014년 말에 지어질 예정이었지만, 이 기한이 지켜지지 않았습니다. 회사들은 여전히 프로젝트에 전념하고 있다고 말했습니다.[66]

구조물들

단열 조건이 필요 없는 얇은 벽 구조물의 시공에는 3D 콘크리트 프린팅 기술이 사용됩니다.

콘크리트 흐름에 의한 공예 펜스
콘크리트 흐름에 의한 이중압출기

3D 프린팅으로 제작된 건물들

유럽 최초의 3D 프린팅 주거용 주택

3D 프린트 캐널 하우스는 건설 프로젝트였습니다.[67]

야로슬라블(러시아)의 주택은 유럽과 CIS에서 최초로 3D 프린팅 공법으로 건설된 주거용 건물로 면적은 298.5m2에 달했습니다. 건물의 벽은 2015년 12월에 SPECAVIA라는 회사에 의해 인쇄되었습니다. 600개의 벽 요소들은 공장에서 인쇄되었고 건설 현장에서 조립되었습니다. 지붕 구조와 실내 장식을 마친 후 2017년 10월에 완전히 완성된 3D 건물을 선보였습니다.[68]

네덜란드와 중국의 데모 프로젝트는 중국, 두바이 및 네덜란드에서 천천히 3D 인쇄 건물을 건설하고 있으며,[69][70][71] 대중들에게 새로운 플랜트 기반 건물 기술의 가능성을 교육하고 주거용 건물의 3D 인쇄에 대한 혁신을 촉진하기 위해 노력하고 있습니다.[72][73] 작은 콘크리트 집은 2017년에 3D 인쇄되었습니다.[74]

유럽 최초의 3D 인쇄 주택인 BOD(Build on Demand)는 COBOD International이 주도하여 Nordhavn 지역 코펜하겐에 있는 작은 3D 인쇄 오피스 호텔을 위한 프로젝트입니다.[75] 2018년 현재 건물은 완전히 완성되고 털이 있는 상태입니다.[76]

3D 프린터로 제작한 다리

스페인에서는 2016년 12월 14일 마드리드 알코벤다스의 카스티야-라 만차(Castilla-La Mancha) 도심 공원에서 세계 최초로 3D로 인쇄된 보행자 다리(3DBRIDGE)가 개장했습니다.[77] 3DB사용된 UILD 기술은 3D 프린팅 요소의 구조 설계, 재료 개발 및 제조를 담당한 ACCIONA에 의해 개발되었습니다.[78] 이 다리는 총 길이 12미터, 폭 1.75미터이며 마이크로 강화 콘크리트로 인쇄됩니다. 건축 디자인은 카탈루냐 고등건축연구소(IAAC)가 담당했습니다.

인도교를 건설하는 데 사용된 3D 프린터는 D-Shape사에서 제조했습니다. 3D 인쇄된 다리는 자연 형태의 복잡성을 반영하며 파라메트릭 설계와 전산 설계를 통해 개발되었으며, 이를 통해 재료의 분포를 최적화하고 구조적 성능을 극대화할 수 있으며, 형태의 완전한 자유로 필요한 곳에만 재료를 처분할 수 있습니다. 알코벤다스의 3D 프린팅 인도교는 공공공간의 토목분야에서 최초로 대규모 3D 프린팅 기술이 적용되어 국제적인 차원에서 건축분야에 획기적인 이정표를 제시하였습니다.

3D 프린팅된 건축 양식

2018년 8월 러시아 팔레흐(Palekh) 마을에서 분수를 위한 새로운 형태의 3D 프린팅을 위한 첨가 기술을 세계 최초로 적용했습니다.[79]

"스냅"(쉬프) 분수는 원래 20세기 중반 유명한 조각가 니콜라이 다이킨(Nikolai Dydykin)에 의해 만들어졌습니다. 오늘날, 분수의 복원 동안, 분수의 모양은 직사각형에서 둥근 모양으로 바뀌었고, 그에 상응하는 분수의 백라이트 시스템을 업그레이드했습니다. 현재 개조된 분수는 지름이 26미터, 깊이가 2.2미터입니다. 내부 통신 채널이 있는 3D 분수의 파라펫은 AMT-SPETSAVIA 그룹에서 제작한 AMT 건설 프린터에 의해 인쇄되었습니다.

외계에서 인쇄된 구조물

참고 항목: 달기지 § 유럽우주국, 자기복제 우주선

건물의 인쇄는 달이나 화성의 서식지와 같은 지구 밖의 서식지를 건설하는 데 특히 유용한 기술로 제안되어 왔습니다. 2013년 현재, 유럽 우주국은 런던에 위치한 Foster + Partners와 함께 일반 3D 프린팅 기술을 사용하여 달 기지를 인쇄할 수 있는 가능성을 검토하고 있습니다.[80] 건축회사는 2013년 1월 달 레골리스 원료를 사용하여 달 건축 구조물을 생산하는 동시에 하드쉘로 인쇄된 달 구조물 내부에 거주자를 수용하기 위한 밀폐된 팽창 가능한 서식지를 사용하는 건축-건설 3D-프린터 기술을 제안했습니다. 전체적으로, 이 서식지들은 구조 질량의 10%만 지구에서 운반되고 나머지 90%는 지역 달 물질을 사용해야 합니다.[81] 돔 모양의 구조물은 새의 뼈를 연상시키는 폐쇄된 세포 구조에 의해 구조적인 지지가 제공되는 무게를 견디는 현수식 형태일 것입니다.[82] 이 개념에서 "인쇄"된 달 토양은 달 거주자에게 "방사선 및 온도 절연"을 모두 제공합니다.[81] 건축기술은 달의 재료와 산화마그네슘을 혼합하는데, 이 산화마그네슘은 "이 물질을 돌과 같은 고체로 바꾸는" 결합염을 가하면 "달의 물질을 분사하여 덩어리를 형성할 수 있는 펄프로" 변하게 됩니다.[81] 유황 콘크리트의 한 종류도 구상됩니다.[82]

지상 실험실의 대형 진공 챔버를 이용하여 달의 모의 재료를 사용한 건축 구조물의 3D 프린팅 테스트가 완료되었습니다.[83] 이 기술은 3D 프린터 노즐로 레골리스 표면 아래에 결합액을 주입하는 것으로, 모세관 힘을 통해 표면 아래에 2밀리미터(0.079인치) 규모의 액적을 시험합니다.[82] 사용된 프린터는 D-Shape입니다.[citation needed]

랜딩 패드, 방폭벽, 도로, 격납고 및 연료 저장고를 포함한 다양한 달 인프라 요소가 3D 구조 인쇄를 위해 구상되었습니다.[82] 2014년 초, NASA는 Contour Crafting 3D 프린팅 기술을 더욱 발전시키기 위해 Southern California 대학의 소규모 연구에 자금을 지원했습니다. 이 기술의 잠재적인 응용 분야로는 지구에서 수송을 필요로 하는 재료의 10%만 가지고 최대 90%의 달 재료로 구성될 수 있는 재료의 달 구조를 구성하는 것이 포함됩니다.[84]

NASA는 또한 저전력(1500와트) 마이크로파 에너지를 사용하여 달 먼지를 소결하는 것과 관련된 다른 기술을 연구하고 있습니다. 달 재료는 나노 입자 먼지를 세라믹과 같은 고체 블록으로 융합하기 위해 용융점보다 약간 낮은 1,200 ~ 1,500 °C(2,190 ~ 2,730 °F)로 가열하여 결속할 수 있으며, Foster+ Partners, Contour Crafting에서 요구하는 대로 지구에서 바인더 재료를 운반할 필요가 없습니다. 그리고 외계 건물 인쇄에 대한 D-shape 접근법입니다. 이 기술을 사용하여 달 기지를 건설하기 위해 제안된 하나의 구체적인 계획은 SinterHab이라고 불리고 JPL 6개의 다리를 가진 ATEL 로봇을 사용하여 달 구조물을 자율적으로 또는 원격 로봇으로 건설할 것입니다.[85]

2022년 12월, NASA는 달 표면에 3D 인쇄 서식지, 착륙대, 도로를 건설하고 아르테미스 프로그램을 지원하기 위해 텍사스에 본사를 둔 ICON에 5,720만 달러의 계약을 수여했습니다.[86] 계약 기간은 2028년까지입니다. 이 회사는 미국 항공우주국(NASA)의 3D 프린팅 해비타트 챌린지(3D Printed Habitat Challenge)에 콜로라도 광산 학교(Colorado School of Mines)와 공동으로 참여했으며 인쇄된 구조 시스템 시제품으로 상을 받았습니다.

점토 인쇄

2021년 현재 Tecla.
에코하우스와 그 건축물의 모습을 보여주는 영상

2021년 4월, 점토로 만든 최초의 시제품인 3D 프린팅 하우스인 테클라가 완공되었습니다. 저탄소 하우징은 쌀 껍질과 바인더의 섬유뿐만 아니라 현지에서 가져온 흙과 물의 혼합물에서 두 개의 큰 동기화된 팔로 인쇄되었습니다.[51][87][52] 그러한 건물은 매우 저렴하고, 단열이 잘 되고, 안정적이고, 내후성이 있으며, 기후에 적응할 수 있고, 맞춤형으로 빠르게 생산될 수 있으며, 매우 쉽게 배울 수 있는 육체 노동을 거의 필요로 하지 않으며, 콘크리트의 탄소 배출을 완화하고, 에너지가 덜 필요하고, 노숙자를 줄이고, 자율적인 공동체와 같은 의도적인 공동체가 가능하도록 도울 수 있습니다. 에코 커뮤니티를 자동화하고 자연 재해 피해자를 위한 주택 제공과 지식 및 기술을 현지인에게 이전하여 점점 더 관련성이 높은 정치적 선택을 포함하여 집 근처의 유럽으로 이주자를 위한 주택 제공을 가능하게 합니다. 그것은 건축 스튜디오 마리오 쿠치넬라 아키텍츠와 3D 프린팅 전문가 WASP에 의해 이탈리아에서 지어졌습니다. 건물의 이름은 "기술"과 "점토"의 합성어입니다.[51][52]

데이터와 예측은 저비용이면서 지속 가능한 건물의 관련성이 증가하고 있음을 보여줍니다. 특히 2020년 UN 보고서에 따르면 건물과 건축이 모든 에너지 관련 이산화탄소 배출량의 ~38%를 차지하고 있으며,[88] 이는 부분적으로 지구 온난화로 인한 것입니다.[89][90] 앞으로 이주 위기는 더욱 심화될 것으로 예상되며 UN은 2030년까지 30억 명, 즉 세계 인구의 40%가 접근 가능하고 저렴한 주택에 접근해야 할 것으로 추정합니다.[51] 점토 혼합물을 사용한 인쇄의 단점으로는 높이 제한 또는 수평 공간 요구 사항, 대량 생산이 아닌 프린터의 초기 비용 및 크기, 혼합물을 현재 공정과 함께 건조시켜야 하기 때문에 발생하는 대기 시간, 배관 시스템과의 연결과 같은 제품의 새로움과 관련된 기타 문제가 있습니다.[51][52]

콘크리트인쇄

참고 항목: 3D 콘크리트 인쇄

대규모 시멘트 기반의 3D 프린팅은 컴퓨터 제어 위치 결정 프로세스에 의해 특정 부피의 재료를 순차적으로 정확하게 배치하거나 응고시킴으로써 기존의 성형의 필요성을 불식시킵니다.[91] 이 3D 프린팅 방식은 데이터 준비, 구체적인 준비 및 부품 인쇄의 세 가지 일반 단계로 구성됩니다.[92]

경로 및 데이터 생성을 위해 로봇 빌딩 경로 생성을 위한 다양한 방법이 구현됩니다. 일반적인 접근 방식은 3D 모양을 일정한 두께로 평평한 얇은 층으로 잘라 서로 쌓을 수 있습니다. 이 방법에서 각 층은 윤곽선과 충전 패턴으로 구성되어 벌집 구조 또는 공간 충전 곡선으로 구현될 수 있습니다. 또 다른 방법은 국지적으로 다양한 두께로 3차원 건물 경로를 생성하는 접선 연속법입니다. 이 방법을 사용하면 두 층 사이에 일정한 접촉 표면이 생성되므로 두 층 사이의 기하학적 간격이 발생하여 3D 인쇄 프로세스가 제한되는 경우가 많습니다.[93]

재료 준비 단계는 콘크리트를 혼합하여 용기에 넣는 단계를 포함합니다. 신선한 콘크리트가 용기에 들어가면 펌프-파이프-노즐 시스템을 통해 운반되어 자체 압축 콘크리트 필라멘트를 출력할 수 있으며, 이를 통해 층별 구조 구성 요소를 구축할 수 있습니다.[94] 첨가 공정에서 펌프성과 압출물의 안정성은 모르타르의 적용에 중요합니다. 이러한 특성은 모두 콘크리트 혼합 설계, 배송 시스템 및 증착 장치에 따라 달라집니다. 습식 콘크리트 3D 프린팅의 일반적인 사양은 다음과 같은 네 가지 주요 특성으로 분류됩니다.[92]

  • 펌프성: 재료가 전달 시스템을 통해 이동되는 용이성과 신뢰성
  • 인쇄 가능성: 증착장치를 통한 증착의 용이성과 신뢰성
  • 구축 가능성: 침적된 습윤재료의 하중에 따른 변형에 대한 저항성
  • 오픈 시간: 위의 속성이 허용 공차 내에서 일치하는 기간입니다.

인쇄 공정을 실행하기 위해서는 제어 시스템이 필요합니다. 이러한 시스템은 일반적으로 갠트리 시스템과 로봇 팔 시스템의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 갠트리 시스템은 머리 위에 장착된 매니퓰레이터를 구동하여 XYZ 데카르트 좌표로 인쇄 노즐을 위치시키는 반면 로봇 암은 노즐에 추가적인 자유도를 제공하여 접선 연속 방식으로 인쇄하는 것과 같은 보다 정확한 인쇄 워크플로우를 가능하게 합니다.[93] 인쇄에 사용되는 시스템(갠트리 크레인 또는 로봇 암)에 관계없이 노즐 이동 속도와 재료 유량 사이의 조정은 인쇄 필라멘트의 결과에 매우 중요합니다.[95] 경우에 따라 여러 개의 3D 프린팅 로봇 암이 동시에 실행되도록 프로그래밍되어 시공 시간이 단축될 수 있습니다.[96] 마지막으로, 자동화된 후처리 절차는 지지 구조물의 제거 또는 표면 마감이 필요한 시나리오에서도 적용될 수 있습니다.[92]

Purdue[97] University의 연구원들은 건축 시멘트 기반 재료의 제조를 위한 Direct-ink-Writing으로[98] 알려진 3D 프린팅 프로세스를 처음으로 개척했습니다.[99] 그들은 3D 프린팅을 사용하여 생체에서 영감을 받은 시멘트 기반 재료의 설계가 실현 가능하고 결함에 대한 내성 및 규정 준수와 같은 새로운 성능 특성을 달성할 수 있음을 입증했습니다.

시공속도

2021년 기준으로 점토 혼합물을 200시간 안에 인쇄할 수 있는 반면, 혼합물을 건조하는 데는 몇 주가 걸릴 수 있습니다.[51][52]

Behrokh Khoshnevis는 2006년부터 하루 만에 집을 3D 프린팅한다는 주장을 제기해 왔으며,[100] 추가적으로 약 20시간의 프린터 시간 내에 건물을 완성한다는 주장을 제기했습니다.[101] 2013년 1월, 3D 프린팅 건축 기술의 실제 버전은 시간당 2미터(6피트 7인치)의 건축 자재를 인쇄하고 있었으며, 후속 세대의 프린터는 시간당 3.5미터(11피트)의 건축 자재를 인쇄할 수 있으며, 이는 일주일 안에 건축물을 완성할 수 있는 수준으로 제안되었습니다.[81]

중국 기업 윈썬은 속건 시멘트와 재활용 원료를 혼합해 대형 3D 프린터를 이용해 여러 채의 집을 지었습니다. Winsun은 10개의 데모 하우스가 24시간 내에 건설되었으며, 각각의 건축 비용은 미화 5,000달러(건축물은 바닥, 서비스, 도어/윈도우 및 핏아웃을 포함하지 않음)라고 말했습니다.[102] 그러나 건설 3D 프린팅의 선구자인 베로크 코슈네비스 박사는 이것이 가짜이며 윈썬이 그의 지적 재산을 훔쳤다고 주장합니다.[103]

연구와 대중의 지식

아인트호벤 공과대학의 3D 콘크리트 인쇄([104]3DCP) 프로젝트나 카탈루냐 고등건축연구소(Pylos, Mataerial, Minibuilders)의 다양한 프로젝트와 같은 3D 건설 인쇄를 다루는 여러 연구 프로젝트가 있습니다. 연구 프로젝트 목록은 이 분야에 대한 관심이 증가하는 덕분에 지난 2년 동안 훨씬 더 확장되고 있습니다.[105]

최첨단 연구

대부분의 프로젝트는 인쇄 기술, 재료 기술 및 이와 관련된 다양한 문제와 같은 기술 이면의 물리적 측면을 연구하는 데 중점을 두고 있습니다. COBOD International(이전에는 3D Printuset, 현재는 자매 회사)은 최근 35개 이상의 다양한 3D 건설 인쇄 관련 프로젝트를 방문하여 전 세계적으로 기술의 현재 상태를 탐구하는 데 중점을 둔 연구를 주도했습니다. 각 프로젝트에 대해 연구 보고서를 발표하고 수집된 데이터를 사용하여 모든 기술을 공통 표준화된 범주화 및 용어의 첫 번째 시도로 통합했습니다.[citation needed]

제1회 3D 건축물 인쇄 컨퍼런스

연구와 함께, 3D Printuset(현재 COBOD International로 알려짐)은 3D 건설 프린팅에 관한 두 개의 국제 컨퍼런스(각각 2017년[106] 2월과[107] 11월)를 조직하여, 이 신흥 산업에서 가장 강력한 이름들을 모아 앞으로 닥칠 잠재력과 과제들을 논의하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 컨퍼런스는 이런 종류의 첫 번째 것으로, D-Shape, Contour Crafting, Cybe Construction, Eindhoven의 3DCP 연구, Winsun 등의 이름을 모았습니다. 3D 건설 프린팅 전문가들과 함께 Sika AG, Vinci, Royal BAM Group, NCC, MYK LATICREET 등의 이름을 가진 전통적인 건설 산업의 주요 주체들로부터도 처음으로 강한 존재감을 보여주었습니다. 3D 건설 인쇄 분야는 아이디어, 애플리케이션, 이슈 및 과제를 공유하고 논의할 수 있는 보다 통합된 플랫폼이 필요하다는 일반적인 아이디어가 나타났습니다.

미디어 관심사

참고 항목: 공상과학소설

거의 30년 전에 첫 걸음을 내디뎠지만, 3D 건설 인쇄는 수년 동안 손을 뻗치기 위해 고군분투했습니다. 언론의 주목을 받은 최초의 기술은 Contour Crafting과 D-Shape이며, 2008-2012년에[108][109][110] 몇 가지 산발적인 기사와 2012년 TV 보고서가 있습니다.[111] D-Shape는 "집을 인쇄하는 남자"라고 불리는 창작자 엔리코 디니에게 헌정된 독립 다큐멘터리에도 등장했습니다.[112]

기술력으로 하루에 집 10채를 인쇄할 수 있다고 주장한 윈선이 만든 조립식 3D 인쇄 부품을 사용한 첫 3D 인쇄 건물이 발표되면서 중요한 돌파구가[when?] 하나 생겼습니다.[113] 비록 그 주장들은 아직 확인되지 않았지만, 그 이야기는 그 분야에 대한 광범위한 견인력과 증가하는 관심을 만들었습니다. 몇 달 만에 많은 새로운 회사들이 생겨나기 시작했습니다. 이는 2017년 최초의 보행자 3D 인쇄 다리와[114] 최초의 자전거 3D 인쇄 다리,[115] 2016년 3D 인쇄로 제작된 초기 구조 요소 [116]등 미디어에 도달한 많은 새로운 노력으로 이어졌습니다.

최근, 이전에는 3D Printuset (그 자매 회사)로 알려졌던 COBOD International은 유럽 최초의 영구적인 3D 인쇄 건물로 언론의 주목을 받았습니다.[117][118][119] 이 프로젝트는 건축 허가서와 서류를 갖춘 최초의 3D 인쇄 건물로 중요한 선례를 남겼으며, 건설 분야에서 더 넓은 수용을 위한 중요한 이정표인 시 당국의 전폭적인 승인을 받았습니다. 이 이야기는 덴마크, 러시아, 폴란드, 리투아니아 등에서 TV에 출연하면서 국내외 언론을 통해 광범위한 보도를 얻었습니다.[citation needed]

원격 주택용 3D 프린팅

원격지의[120] 3D 프린팅 시공을 기존 시공의 대안으로 분석해보면 상당한 가능성이 있습니다. 건설 중인 3D 프린팅은 이러한 지역의 고유한 문제에 대한 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 현지 재료를 사용하고 폐기물을 줄이며 복잡하고 맞춤형 설계에 적응할 수 있는 기능은 3D 프린팅이 접근하기 어려운 지역의 건설에 특히 적합하도록 만드는 몇 가지 이점에 불과합니다. 또한, 3D 프린팅은 구조물의 건설 과정과 유지보수에 적극적으로 참여할 수 있도록 함으로써 환경의 지속가능성과 지역사회의 참여에 기여할 수 있습니다. 이 건설 방법은 원격 주택의 경관을 변화시켜 지역 사회에 보다 저렴하고 효율적이며 문화적으로 정렬된 주거지를 제공할 수 있습니다.

하지만 그 장점에도 불구하고 3D 프린팅이 널리 채택되기까지는 여전히 다양한 불확실성과 해결해야 할 문제들이 있습니다. 이러한 불확실성은 기술적, 규제적, 경제적, 사회적 문제와 관련이 있습니다. 3D 프린팅 기술의 상당한 발전에도 불구하고, 오지의 주택에 적용하는 것은 아직 초기 단계입니다. 이 분야의 연구는 진행 중이며 특히 로봇 공학 및 사용될 재료에 대해 더 자세히 탐구해야 합니다.

지속가능성

주택을 3D 인쇄하기 위해서는 전통적인 건축 방식과 비교했을 때 비용과 환경 영향을 평가해야 합니다.

기존 공법은 지구온난화 가능성이 각각 1154.20, 608.55 kg CO2 eq, 비발화 독성 675.10, 11.9 kg 1,4-DCB, 물 소비량 233.35, 183.95 m3로 3D 프린팅 공법에 비해 높은 영향을 미쳤습니다. 또한 3D 인쇄 주택은 기존의 건축 방식에 비해 전체 자본 비용을 78% 절감하는 등 경제적으로 실행 가능한 옵션인 것으로 나타났습니다. 이 기술을 사용하면 전반적인 환경 영향을 줄일 수 있습니다.[121]

속도와 효율성

Carstensen은 재료 인쇄 경로의 길이와 경로 간 중첩에 초점을 맞추어 3D 인쇄 노즐 크기가 인쇄 효율에 미치는 영향을 조사했습니다. 그 결과 노즐 크기를 크게 사용하는 것이 구조물 크기가 클 경우 연속적인 단거리 인쇄에 유리하여 인쇄 효율과 구조물의 성능을 모두 향상시킬 수 있음을 알 수 있었습니다.

또한, 본 연구에서는 인쇄 요소의 기하학적 안정성과 3D 인쇄 콘크리트의 기계적 특성을 보장하기 위해 동적으로 모니터링되는 구조에 따른 인쇄 속도 최적화의 중요성을 강조합니다. 이는 구조물의 안전성 및 안정성과 관련하여 콘크리트 3D 프린팅의 효율성을 고려해야 할 필요성을 강조하며, 콘크리트 3D 프린팅 프로세스에서 여러 파라미터를 동시에 최적화하는 복잡성과 중요성을 강조합니다.[123]

참고 항목

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