건설 혁신: 3D 프린팅으로 공사 기간 단축 및 비용 절감

건설 산업이 변하고 있습니다. 3D 프린팅이 로봇 솔루션을 활용해 콘크리트를 압출하며 건축 공정을 자동화함으로써 건물과 구조물 건설을 더 저렴하고 빠르게 만들고 있기 때문입니다. 지난 5년간 3D 건설 프린팅(3DCP)은 헬스케어, 산업 등 타 산업에서 적층 제조(AM) 애플리케이션과 개선이 확산되는 것을 따라잡기 시작했으며, 세계 최대 산업 중 하나를 근본적으로 변화시키고 있습니다.

3D 건설 프린팅 산업 이해

건설용 3D 프린터는 일반적으로 갠트리 방식과 로봇 암, 두 가지 범주로 나뉘며, 전자가 전체 건물 구조의 현장 프린팅에 지배적인 솔루션입니다. 또한 3D 건설 프린팅 업계의 참여자는 순수 기술 제공업체(예: COBOD 인터내셔널), 자사 독자 소재를 사용하는 엔드투엔드 턴키 빌딩 제공업체(시공사 역할 겸함), 또는 신축 건물의 전체 시공을 관리하는 종합 건설사로 분류됩니다.

3D 건설 프린팅 활용은 지난 5년간 급속히 성장했습니다. 지어진 건물 수뿐만 아니라 건물이나 구조물의 유형 측면에서도 그렇습니다. 몇 가지 3DCP 적용 사례를 들면, COBOD 장비만으로 파트너들이 1~3층 건물 최대 4,100ft²(약 380㎡)를 프린팅했습니다(예: PERI 그룹). 학교(Holcim/14 Trees), 풍력 터빈 타워 베이스 30ft(약 9m, GE 리뉴어블 에너지), 6개 대륙의 다양한 구조물을 건설했습니다.

주거용 주택은 지금까지 가장 관심이 높은 분야로, 3DCP는 건물 총 건설 비용의 최대 45%를 커버합니다. 마감/표면, 창문, 문, 기계/전기/배관 같은 숨은 구성 요소 등 일부 비용 유형은 아직 프린팅 기술로 해결할 수 없기 때문입니다. 풍력 터빈 타워 같은 상업/산업용 애플리케이션에서는 총 비용의 최대 80%까지 커버합니다.

3DCP 시장이 아직 초기 단계라 시장 규모 추정은 시기상조입니다. 하지만 건설 시장의 규모를 고려할 때, 건설 현장의 0.01%만 3DCP를 사용해도 시장 규모는 엄청날 것입니다.

왜 3D 건설 프린팅이 급성장하는가?

3DCP의 4대 핵심 이점은 자동화, 속도, 지속 가능성 향상, 설계 자유도 증대입니다. 여기서는 첫 두 가지 이점만 다룹니다.

자동화로 비용 절감: 건설 산업은 모든 부문 중 자동화/디지털화 수준이 가장 낮아 생산성 향상 잠재력이 큽니다. 1947~2010년 미국에서 제조업 생산성은 8배, 농업은 16배 증가했지만 건설은 거의 증가하지 않았습니다. 이로 인해 주택 구입 비용이 급격히 상승해 공급과 수요 간 불일치가 커졌고, 미국만 해도 400만 채 주택 부족 현상이 빚어졌습니다. 최근 자재 가격 급등(목재, 강철)과 숙련 노동력 부족으로 상황이 악화되었습니다. 3DCP만으로 모든 구조적 문제를 해결할 수는 없지만, 프린터 운영에 3명만 필요해 노동력 부족을 해소하며 비용을 절감합니다. 최근 COBOD 등이 개발한 솔루션으로 일반 콘크리트를 3DCP에 사용할 수 있게 되었는데(기존 특수 모르타르보다 훨씬 저렴), 이는 세계에서 가장 저렴한 건축 자재 중 하나입니다.

속도 향상으로 프로젝트 실행 가속화: 점점 더 많은 기업이 3DCP 기술 활용을 익히면서, 일반적인 2,000ft²(약 186㎡) 주택의 벽체를 5일 만에 3D 프린팅하는 시대가 머지않았습니다. 스틱 프레임이나 조적 같은 전통 방식으로는 훨씬 더 오래 걸리고 더 많은 인력이 필요합니다. 학습 곡선이 얼마나 쉬운지 보여주는 예로, 2020년 파트너 PERI 그룹은 독일에서 첫 건물(2층 1,700ft² 주택)을 3D 프린팅하는 데 36일이 걸렸습니다. 이는 하루 약 50ft²(4.6㎡) 속도입니다. 몇 달 후 두 번째 프로젝트(3층 4,100ft² 5가구 아파트)에서는 프린팅 시간을 21일로 단축해 하루 약 200ft²(18.6㎡)를 달성했습니다. 첫 프로젝트 대비 생산성을 4배 높인 것입니다. 10번째, 100번째 프로젝트에서는 프린팅 시간을 얼마나 더 단축할 수 있을까요? 생산성이 2배만 더 늘어도(현재 결과로 볼 때 매우 가능성이 높음), 2,000ft² 건물 5일 완성 목표에 곧 도달할 것입니다.

건설 분야 3D 프린팅의 미래

3DCP는 건축 법규/표준 업데이트, 노동력 재교육 등 완전한 잠재력 발휘를 위한 장벽에 직면해 있습니다. 그러나 이 기술이 건설 산업을 한 기술적 S-커브에서 다음 커브로 이끌며 앞서 언급한 혜택과 더 많은 것을 가져다줄 것은 확실합니다.

1980년대 최초 PC 노트북과 휴대전화, 그리고 오늘날의 대응 제품을 비교해 보세요: 3DCP도 이 혁신 기술들이 경험한 개선과 광범위한 활용의 여정을 따를 것입니다. 세 가지 요인이 이를 견인합니다. 첫째, 프린터가 더 신뢰성 있고 빨라질 것입니다. 둘째, 3D 프린터 규모가 커져 더 큰 프로젝트가 가능해집니다. 따라서 1년 내에 5~6층 건물 프린팅이 가능한 프린터가 등장할 가능성이 높습니다. 셋째, 새로운 용례가 개발될 것입니다. 예를 들어 주거용뿐만 아니라 상업용 건물과 구조물에 더 집중하게 될 텐데, 이곳에서는 3DCP 기술이 총 비용의 더 큰 비중을 커버할 수 있습니다.