건설 산업은 3D 인쇄를 할 준비가 되었습니까? (2020년 업데이트)

사진 제공:Branch Technology

건설 산업은 아마도 3D 프린팅을 실행 가능한 제조 기술로 채택한 가장 최근의 산업일 것입니다. 그러나 이 기술은 설계 유연성과 높은 수준의 지속 가능성을 제공하는 동시에 생산 시간과 비용을 줄여 업계를 변화시킬 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.

3D 프린팅이 산업 전반에 걸쳐 어떻게 진화하고 있는지를 보여주는 성숙도 차트에서 강조된 바와 같이, 건설 부문의 3D 프린팅은 비교적 새로운 접근 방식으로 남아 있으며, 이를 실현하기 전에 극복해야 할 많은 과제가 있습니다. 널리 채택됩니다.

건설 업계의 3D 프린팅 현황에 대해 자세히 알아보기 위해 엔지니어와 건축가가 사용할 수 있는 주요 3D 프린팅 이점과 기술, 건설 분야에서 가장 흥미로운 3D 프린팅 프로젝트를 살펴봅니다.

건설 업계는 3D 프린팅으로 어떤 이점을 얻을 수 있습니까?

건설 업계는 여러 문제를 해결하기 위한 솔루션을 적극적으로 모색하고 있는 시기에 3D 프린팅을 수용하기 시작했습니다.

하나는 건설폐기물의 최소화입니다. 예를 들어 건설 폐기물은 EU에서 발생하는 모든 폐기물의 약 30%를 차지합니다.

또한 엔지니어와 건축가는 주조 과정에서 제시하는 설계 자유도의 한계에 점점 더 직면하고 있습니다.

다른 문제로는 작업 현장에서 거푸집을 제조하는 단점과 다양한 자재를 한 위치에서 다른 위치로 운반하는 데 장애가 있습니다.

건설 산업에서 3D 프린팅을 사용하면 설계 자유도와 더 높은 수준의 지속 가능성 및 자동화를 제공하여 이러한 문제 중 일부를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

디자인 유연성

3D 프린팅은 건축가, 엔지니어 및 디자이너에게 혁신과 창의성을 위한 넓은 범위를 제공합니다. 이 기술을 사용하면 기존의 건축 방법으로는 불가능했던 복잡한 디자인과 곡선을 만들 수 있습니다.

재료 낭비 감소

적층 제조(AM)가 프로젝트에 필요한 정확한 양의 자재를 사용하여 부품을 레이어별로 만들기 때문에 자재 낭비를 줄이는 것도 또 다른 이점입니다. 이는 특히 3D 프린팅이 재활용 및 현지 조달 재료를 사용할 수 있기 때문에 환경에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

수작업 감소

건설에 자율 또는 반자동 3D 프린터를 사용하면 노동 집약적 수작업을 줄일 수 있습니다. 인쇄 프로세스의 자동화는 또한 건설 현장에서 인적 오류나 사고 및 부상의 가능성을 줄여줍니다.

빠른 구성

일부 건설 3D 프린터는 현장에서 작동하도록 설계되었습니다. 이는 프리캐스트 거푸집 제작과 같이 시간이 많이 소요되는 여러 단계를 제거하는 데 도움이 됩니다.

건축에서 거푸집은 콘크리트를 부어서 거푸집을 만드는 임시 거푸집을 말합니다. 거푸집 공사는 교량에서 기초 및 건물 벽에 이르기까지 무엇이든 만드는 데 사용되며 일반적으로 수동으로 제작됩니다.

오늘날 거푸집을 사용하지 않고 현장에서 직접 벽을 만드는 데 사용할 수 있는 3D 프린터를 제공하는 여러 회사가 있습니다. 이는 건설 프로세스를 크게 가속화하고 거푸집을 건설 현장으로 운송하는 데 드는 비용을 줄이는 이점도 있습니다.

건설 부문을 위한 3D 프린팅 기술

응용 프로그램에 따라 여러 다른 AM 방법을 구성 내에서 사용할 수 있습니다.

콘크리트 압출

사용되는 주요 방법 중 하나는 페이스트 압출로, 노즐이 장착된 로봇 암 또는 크레인을 사용하여 페이스트 형태의 콘크리트를 빌드 플랫폼에 압출하는 것입니다.

이는 인기 있는 플라스틱 FFF(Fused Filament Fabrication) 기술과 유사한 건물의 윤곽을 층별로 만듭니다.

압출 공정의 초기 개척자 건설 산업은 Contour Crafting의 설립자인 Bherokh Khoshnevis입니다. Contour Crafting이 개발한 기술은 콘크리트, 세라믹 및 폴리머를 포함한 다양한 재료를 제공합니다.

Contour Crafting 외에도 ICON, CyBE 및 Apis Cor와 같은 콘크리트 3D 프린팅을 위한 솔루션을 다른 회사에서 제공합니다. , 몇 가지 예를 들면.

와이어 아크 적층 제조

와이어 아크 적층 가공(WAAM)은 금속 응용 분야에 사용되는 방법입니다.

WAAM은 전기 아크를 열원으로 사용하여 금속 와이어를 녹이는 방식으로 작동합니다. 이 프로세스는 로봇 팔에 의해 제어되며 모양은 기판 재료(베이스 플레이트) 위에 만들어지며 완성되면 부품을 절단할 수 있습니다.

와이어가 녹으면 기판에 비드 형태. 구슬이 서로 달라붙어 금속 재료 층을 만듭니다. 그런 다음 금속 부품이 완성될 때까지 이 프로세스를 레이어별로 반복합니다.

WAAM 장비는 알루미늄, 강철 및 티타늄과 같은 다양한 금속을 사용할 수 있으며 이 기술을 사용하여 제조할 수 있습니다. 대형 구조물. 이 방법의 가능성에 대한 한 가지 예는 MX3D의 강철 다리입니다.

모래 바인더 분사

바인더 분사는 금형을 만들기 위해 건설에 사용할 수 있습니다. 이 기술은 액체 결합제를 분말 재료 층에 적용하여 결합하는 방식으로 작동합니다.

바인더 분사는 특히 콘크리트 주조용 거푸집 요소의 생산에 적합합니다. 이 접근 방식은 자원뿐만 아니라 시간과 비용을 절약하는 데 도움이 됩니다.

또 다른 장점은 바인더 분사를 사용하여 3D 프린팅 거푸집을 만들 때 복잡성이 더 이상 역할을 하지 않는다는 것입니다. 곡률, 상세한 정면 또는 언더컷을 쉽게 3D로 인쇄하여 건축 설계의 한계를 뛰어 넘을 수 있습니다.

건축에서 3D 프린팅의 가장 흥미로운 예

3D 인쇄 벽

최근 몇 년 동안 여러 회사에서 3D 프린팅 기술을 사용하여 건물 벽을 만드는 방법을 개발했습니다. 한 예로 중국에 본사를 둔 Winsun은 5층 아파트 블록과 1,100제곱미터(1,100제곱미터) 빌라와 같은 대규모 건축물을 생산했습니다.

길이 100미터가 넘는 대형 기계 – 시멘트, 모래 및 섬유 혼합물로 만든 3D 인쇄 중공 벽. 벽은 건설 현장으로 운송되어 강화되고 조립되었습니다. 이러한 방법의 잠재력은 시간, 노동력 및 자재의 상당한 절약으로 이어질 수 있습니다.

두바이에서 건설 3D 프린팅

전 세계적으로 많은 3D 건설 프로젝트가 있지만 두바이는 현재 건설 3D 프린팅 활동의 온상입니다. 이 도시는 가까운 장래에 건물의 25%를 3D 프린팅을 사용하여 건설하는 야심 찬 목표를 가지고 있습니다.

이 분야의 발전은 이미 명백합니다.

예를 들어, 2019년에 미국에 본사를 둔 콘크리트 3D 프린터 제조업체인 Apis Cor는 ​​두바이 시정부와 협력했습니다. 2층 건물과 매우 복잡한 건축물이 특징인 건물을 만들었습니다.

Apis Cor는 ​​프린터에 사용할 석고 기반 재료를 개발했으며, 이는 현지 생산업체로부터 공급받았습니다.

이 기술이 습도와 온도 조절 없이 열악한 환경을 견딜 수 있음을 증명하기 위해 야외에서 인쇄했습니다.

이 건물은 -사이트 3D 프린팅.

다리

3D 프린팅을 사용한 교량 건설은 건설 산업의 또 다른 응용 분야입니다.

마드리드는 최초의 3D 프린팅 콘크리트 다리의 고향이며 네덜란드는 자전거 이용자를 위한 8미터 길이의 3D 프린팅 다리 건설을 목격했습니다. 로봇이 다리를 만들기 위해 조립한 800개의 레이어로 구성된 콘크리트 블록을 만드는 데 총 3개월이 소요되었습니다.

또한 네덜란드에 본사를 둔 네덜란드 로봇 공학 스타트업 MX3D는 센서와 같은 스마트 기술이 적용된 3D 프린팅 강철 다리를 개발하고 있습니다.

스테인리스 스틸로 제작된 다리의 곡선 구조는 AM이 제공하는 디자인의 자유로움을 보여줍니다.

2019년에 MX3D 교량은 20톤의 첫 번째 테스트 단계를 통과했으며 올해 말 암스테르담 운하의 최종 목적지에 배치되어야 합니다.

인테리어 디자인

복잡하고 복잡한 형상을 만들 수 있는 가능성은 인테리어 디자이너에게 완전히 새로운 창의성의 영역을 열어줍니다. 최근의 예는 지속 가능한 재료를 사용하여 3D 인쇄된 인테리어를 갖춘 런던 매장인 Bottlepot입니다. 이 프로젝트는 3D 프린팅을 사용하여 건설 폐기물을 줄이고 지속 가능한 디자인을 위한 미래를 형성하는 방법을 보여줍니다.

건축 모델

건축 분야에서 3D 프린팅의 가장 큰 영향 중 하나는 건축 모델의 생산에 있습니다. 3D 프린팅은 모델 제작을 위한 빠르고 디지털화된 프로세스를 가능하게 함으로써 건축 모델링 프로세스에 혁명을 일으켰습니다.

이에 대한 또 다른 이점은 3D 프린팅을 통해 빠르고 비용 효율적인 설계 반복이 가능하여 상당한 시간을 절약하고 프로세스 비용을 절감할 수 있다는 것입니다.

건물 구성요소

3D 프린팅은 건설에 사용되는 특정 구성요소 및 도구를 제조하는 데에도 적합하다는 것이 입증되었습니다.

영국에 기반을 둔 계약업체인 Skanska는 3D 프린팅을 사용하여 건축 구성요소를 제조한 최초의 회사 중 하나입니다. 클래딩처럼.

한 프로젝트에서 Skanska는 3D 프린팅을 사용하여 런던에 있는 6 Bevis Marks 비즈니스 센터의 지붕용 폴리머 클래딩 노드를 생산했습니다. 이 접근 방식은 시간 및 비용 절감 측면에서 기존 기술에 대한 보다 유리한 대안을 도입했습니다.

3D 인쇄 거푸집

또 다른 예는 뉴욕시의 42층 주거 및 상업용 건물에 대한 대규모 리노베이션 프로젝트에서 3D 프린팅된 거푸집을 사용하는 것입니다.

그동안 작업해온 회사 Gate Precast 건물의 새 파사드에서 은 프로젝트를 위한 나무 주형을 만드는 것이 완료하는 데 최대 9개월이 걸릴 수 있는 주요 작업이라는 것을 발견했습니다. 필요한 금형은 컸습니다. 그 중 일부는 최대 2.6 x 1.7 x 0.5 m 크기로 생산 시간이 더 길어졌습니다.

공정 속도를 높이기 위해 회사는 3D 프린팅을 실험하기로 결정했습니다. 오크리지 국립연구소(ORNL)와 협력하여 BAAM 기술을 사용했습니다.

BAAM 덕분에 회사는 각각 8시간에서 11시간 사이에 금형을 인쇄할 수 있었고 추가로 8시간의 기계가공을 할 수 있었습니다. 원하는 표면 마감. 주형은 강도를 높이기 위해 잘게 잘린 탄소 섬유와 혼합된 일반적인 열가소성 수지인 탄소 섬유 강화 ABS로 만들었습니다.

그 결과 수명 동안 최대 200개의 콘크리트 타설을 지지할 수 있는 강력한 주형이 탄생했습니다. 나무 몰드의 경우 15-20개의 타설이 필요합니다.

회사는 3D 인쇄 몰드와 BAAM이 없었다면 이 프로젝트에 필요한 기간 내에 양식을 만드는 것이 불가능했을 것이라고 생각합니다.

건설 산업에서 3D 프린팅을 채택하기 위한 도전

AM이 건설 산업에서 엄청난 잠재력을 가지고 있지만, 여기에 여전히 더 많은 채택을 가로막는 많은 장벽이 있습니다.

주요 문제 중 하나는 품질 관리입니다. 3D 프린팅은 기존 건축 자재 및 방법과 비교하여 성능이 어떤지에 대한 질문을 제기했습니다. 3D 프린팅 주택이 전통적으로 지어진 주택만큼 오래 지속됩니까? 화재나 자연재해 발생 시 구조적으로 건전하고 안전합니까?

건설에 대한 규정은 놀랍도록 엄격하며 AM이 제공하는 새로운 기술과 자재는 여전히 건축 표준 및 규정에 통합되어야 합니다.

또한 3D 프린팅에는 숙련된 작업자가 필요합니다. 자동화된 기술과 소프트웨어 기술을 최대한 활용하기 위한 교육에 대한 투자를 의미합니다.

또 다른 극복해야 할 장벽은 3D로 인쇄할 수 있는 건축 자재의 범위가 제한적이라는 것입니다. 특히 콘크리트 및 바이오 기반 재생 가능 재료에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

건설 3D 프린팅의 미래

완전히 3D 프린팅된 건물에 대한 비전에도 불구하고 이 기술은 적어도 단기적으로는 전통적인 건축 방법을 대체하지 못할 것입니다.

아마도 AM 기술의 가장 큰 사용 사례 중 하나는 AM이 제공하는 설계의 자유로움의 이점을 활용하여 조인트, 정면 및 거푸집과 같은 복잡한 구성 요소를 생산하는 것일 수 있습니다.

현장 3D 프린팅은 설계 유연성 외에도 건설 현장의 폐기물을 줄이는 데 도움이 되어 보다 지속 가능한 미래를 위한 좋은 디딤돌 역할을 합니다.

Looking 더 큰 그림에서 3D 프린팅은 보다 지속 가능하고 유연하며 자동화된 건설 기술로 점차 발전함에 따라 건설 부문의 현재 과제에 대한 핵심 솔루션 중 하나가 될 수 있습니다.