3D 콘크리트 프린팅 — 항복응력 0.3~0.9 kPa와 가사시간 37분이 정하는 것

3D 콘크리트 프린팅(3DCP)은 시멘트계 모르타르를 노즐로 압출해 층층이 쌓아 부재를 만드는 공정이다. 거푸집이 없다는 것이 핵심이고, 그 대가로 굳지 않은 재료가 스스로 형상을 유지해야 한다. 이 논문은 그 조건을 재료·공정·형상의 세 축으로 정리하고, 어느 응용에 어떤 문제가 남아 있는지를 행렬로 만든 로드맵이다.

세 가지가 동시에 성립해야 한다 — 펌프로 보낼 수 있을 것(pumpability), 노즐로 끊기지 않고 나올 것(extrudability), 쌓았을 때 무너지지 않을 것(buildability). 이 셋은 같은 재료의 서로 다른 요구이고, 하나를 좋게 하면 다른 하나가 나빠진다.

이 글은 R.A. Buswell, W.R. Leal de Silva, S.Z. Jones, J. Dirrenberger, "3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research", Cement and Concrete Research 112: 37–49 (2018)의 본문과 그림을 인용한다(러프버러 대학 리포지터리에 CC BY로 공개되어 있다).

1. 공정의 숫자

논문이 정리하는 3DCP의 물리적 범위는 다음과 같다.

항목값

골재 최대 치수대체로 2 ~ 3 mm (더 큰 골재를 쓴 사례도 있음)

압출 단면원형 · 타원형 · 직사각형

선형 압출 속도50 ~ 500 mm/s

실제 인쇄 속도 — 40 × 10 mm 직사각형 노즐30 ~ 35 mm/s

실제 인쇄 속도 — 지름 9 mm 원형 노즐 (갠트리)50 ~ 66 mm/s

로봇 팔 사용 시300 mm/s 초과 (러프버러 대학·NIST의 후속 시험)

연구 규모약 10년의 개발 · 전 세계 30개 이상의 연구 그룹

속도의 상한을 정하는 것은 펌프가 아니라 방향 전환이다 — 압출된 재료의 관성, 갠트리의 관성, 로봇의 점간 보간 문제, 층간 사이클 타임, 그리고 방향을 바꿀 때 생기는 형상 왜곡이 겹친다. 공구경로는 "극히 드문 경우를 제외하면 직선일 수 없으므로 방향 전환은 불가피하다".

2. 항복응력에는 창(window)이 있다

펌프성과 압출성은 서로 반대 방향의 요구다. 묽으면 잘 흐르지만 쌓이지 않고, 되면 형상은 유지되지만 막힌다. 논문이 인용하는 실측값이 그 창을 보여 준다.

Le 등은 펌핑 중 막힘을 방지하면서 필라멘트 파단 없이 압출되는 항복응력 구간을 0.3 kPa에서 0.9 kPa 범위로 찾았다. — Buswell et al., §3.1

Le 등은 펌핑 중 막힘을 방지하면서 필라멘트 파단 없이 압출되는 항복응력 구간을 0.3 kPa에서 0.9 kPa 범위로 찾았다. — Buswell et al., §3.1

세 배의 폭이 전부다. 그리고 이 창은 시간과 함께 움직인다 — 수화가 진행되면 항복응력이 올라가므로, 배합은 정해진 시간 안에 이 창을 통과해야 한다.

그 시간을 재는 실험이 단일 필라멘트 적층 시험이다. 석회석 분말을 넣은 시멘트 페이스트에 대해 논문이 보고한 경과는 다음과 같다(t = 0은 시멘트와 물이 처음 접촉한 시각).

경과 시간상태

6분항복응력이 너무 낮아 위에 쌓인 재료의 무게를 지지하지 못한다

60분여러 층을 지지할 수 있는 상태에 도달

80분까지바람직한 거동이 유지된다

99분소성 점도가 올라가 펌핑이 어려워진다

결과이 배합의 가사시간(open time)은 37분

가사시간이 곧 설계 조건이다. 인쇄에 걸리는 시간이 37분을 넘으면 같은 배합으로는 그 부재를 만들 수 없다. 유변학 측정 쪽에서는 대진폭 진동 전단(LAOS)이 유망한 방법으로 제시되는데, 복소 점탄성 계수의 실수부와 허수부가 같아지는 응력을 유동 응력으로 잡는 방식이다.

3. 층 사이의 접착 — 사이클 타임이 강도를 정한다

3DCP는 "재료를 순차적으로 쌓아 균질한 부재를 만들기 때문에, 통상적인 타설보다 층 사이에 콜드 조인트가 생길 가능성이 크다". 문제의 원인은 배합이 아니라 사이클 타임이다 — 한 층을 돌아 다시 그 자리에 오기까지의 시간이 너무 길면 접착이 나빠진다.

주사전자현미경 관찰은 층간 접착을 네 가지 상태로 분류한다 — 약한 결합, 수축이나 탄산화로 인한 약한 결합, 일시적으로 약한 결합, 강한 결합이다. 그리고 중요한 단서가 붙는다 — "콜드 조인트는 일시적일 수 있다. 수화가 진행되면서 층간 접착 강도가 증가하기 때문이다".

이것이 설계 프로세스에 주는 함의를 논문이 직접 적는다 — 제조 공정이 사이클 타임에, 그리고 결과적으로 부재 강도에 미치는 영향의 규명이 "구조부재 설계 과정의 본질적 구성요소가 될 것"이며, 요구 성능을 확보하려면 설계 중에 제조 공정을 함께 시뮬레이션하는 반복이 필요하다는 것이다.

적층성 자체를 재는 방법도 경험적이다 — 층당 인접 필라멘트 개수를 바꿔 가며 수직으로 쌓아 안정성을 시험하고, 인접 필라멘트 수와 쌓을 수 있는 층수의 관계를 얻는다.

4. 형상 정합성 — 최소 형상 치수가 모든 것을 제한한다

3DCP는 3D 모델의 복제물을 만드는 공정이므로, 그 모델과의 정합성이 근본 요구다. 그리고 그 정합성의 상한은 압출 단면의 크기와 층 두께가 정한다.

논문은 이를 최소 형상 치수라는 개념으로 정리한다. 인쇄 해상도는 굳지 않은 재료의 성질, 공구경로, 공정 변수에 의해 제약되고, 그 해상도가 만들 수 있는 형상의 크기를 제한한다. 여기서 피할 수 없는 상충이 나온다 — 기능적 형상을 위해 정밀도를 올리면 "더 작은 형상을 재현하게 되어 인쇄 해상도가 올라가고, 그 결과 체적 증착률과 인쇄 속도가 떨어진다".

그리고 현실적인 한계가 명시된다 — 이렇게 얻어지는 공차는 "건설 응용에서 부재 접합부와 표면 마감에 요구되는 공차보다 큰 경우가 많다". 대응책은 두 가지다.

공정 개선 — 인쇄 중 벽면을 자동 흙손질하거나, 4축·5축 운동으로 노즐을 작업면에 접선 방향으로 유지해 이중곡면의 공차를 개선한다.

후공정 — 높은 공차가 필요한 부재는 3DCP로 근사 형상(near-net-shape)만 만들고, 이후 덧방(렌더링)이나 절삭·밀링·연삭으로 정밀도를 맞춘다.

기능을 형상으로 넣은 사례도 보고된다 — 열전도 경로를 최소화하도록 설계한 벽체 시험체가 인증된 가드 핫박스 시험에서 열전도율 0.1 W/mK를 달성했고, 이는 경량기포콘크리트에 최소한 뒤지지 않는 값이다.

5. 철근이라는 미해결 항목

가장 어려운 문제는 재료도 형상도 아니다. 논문의 표현으로 "3DCP 공정의 일부로 보강근을 추가하는 것은 간단하지 않다".

이유가 구체적이다 — 철근을 넣으면 철근 지름이 층 두께를 좌우하고, 층 두께가 압출 단면을 좌우하며, 그것이 다시 달성 가능한 공차와 형상 정합성을 좌우한다. 보강을 넣는 순간 형상의 해상도가 함께 결정된다.

논문이 정리하는 대안은 네 갈래다 — 텍스타일 보강, 인쇄 후 철근을 넣고 긴장할 수 있는 공동을 만드는 방식, 기존 방식으로 배근한 뒤 그 주위를 인쇄하고 채우는 방식, 그리고 압출 비드 안에 섬유를 넣어 공구경로 방향으로 보강하는 방식이다. 마지막 방식에는 흥미로운 성질이 있다 — 압출 방향으로 정렬되는 섬유는 공구경로를 따라 보강 방향을 설계할 수 있게 한다.

6. 정리

3DCP는 펌프성·압출성·적층성을 동시에 요구하며, 이 셋은 같은 배합에 대한 상충하는 요구다.

막힘 없이 펌핑되고 파단 없이 압출되는 항복응력 창은 0.3 ~ 0.9 kPa로 보고됐다.

단일 필라멘트 적층 시험에서 6분에는 지지 불가, 60분에 다층 지지, 80분까지 유지, 99분에 펌핑 곤란 — 가사시간 37분이었다.

골재는 대체로 2 ~ 3 mm, 선형 압출 속도는 50 ~ 500 mm/s이며, 실제 인쇄 속도는 노즐과 장비에 따라 30 mm/s에서 300 mm/s 이상까지 벌어진다.

속도의 상한은 방향 전환에서 온다 — 관성, 보간, 사이클 타임, 형상 왜곡이 함께 걸린다.

층간 접착은 사이클 타임이 정한다. SEM 관찰은 접착을 네 상태로 나누고, 콜드 조인트는 수화 진행에 따라 일시적일 수 있다.

적층성은 인접 필라멘트 수와 쌓을 수 있는 층수의 관계로 경험적으로 측정한다.

최소 형상 치수가 정합성을 제한하고, 정밀도를 올리면 증착률과 인쇄 속도가 떨어진다. 높은 공차가 필요하면 근사 형상 + 후공정이다.

철근을 넣으면 철근 지름이 층 두께와 압출 단면, 결국 공차까지 결정한다 — 보강 방식의 선택이 형상 해상도의 선택이다.

이 논문이 로드맵이라 불리는 이유는 해답이 아니라 의존 관계를 정리했기 때문이다. 배합의 항복응력이 인쇄 속도를 정하고, 인쇄 속도가 사이클 타임을 정하고, 사이클 타임이 층간 강도를 정하며, 층 두께가 형상 공차와 보강 방식을 정한다. 구조 실무의 언어로 옮기면 — 3DCP에서는 재료 사양과 시공 계획과 부재 성능이 분리된 문서가 될 수 없다. 논문이 "설계 중에 제조 공정을 함께 시뮬레이션해야 한다"고 적은 것이 그 뜻이다.