“미래 건설: 건설 분야 3D 프린팅의 잠재력 탐구”
컴퓨터 지원 디지털 파일에서 3차원 고체 제품을 만드는 것을 적층 가공이라고도 하는 3D 프린팅이라고 합니다.
처음에 "3D 프린팅"이라는 용어는 잉크젯 프린터 헤드를 사용하여 분말 베드에 바인더 재료 층을 쌓는 공정을 의미했습니다. 그러나 현재 정의는 선택적 레이저 용융 및 전자빔 적층 가공을 포함한 더 광범위한 적층 가공 공정을 포괄합니다.
1980년대 초, 일본의 발명가 고다마 히데오는 3차원 플라스틱 모델을 만들기 위한 두 가지 적층 기술을 개발하여 적층 가공 아이디어를 탄생시켰습니다. 그는 광경화성 열경화성 고분자를 사용하여 3D 프린팅된 구조물을 만들었습니다.
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3D 프린터란 무엇입니까?
간단히 말해서 3D 프린터는 3D 기술로 구동되는 CAD(컴퓨터 지원 설계)를 사용하여 용융 플라스틱, 분말 및 콘크리트를 포함한 다양한 재료로 3D 품목을 생산합니다. 탁상에 맞는 작은 건물 모델에서 크기와 디자인이 다양한 다양한 3D 프린터를 사용하여 3D 프린팅된 주택을 만들 수 있습니다. 3D 프린터는 세 가지 기본 범주로 나뉘며 모두 약간씩 다르게 작동합니다.
3D 프린터의 종류
· 광조형(SLA 프린터) – 광조형(SLA) 기술을 사용하는 3D 프린터는 액체 레진을 플라스틱으로 바꿀 수 있습니다.
· 선택적 레이저 소결(SLS 프린터) – SLS 프린터(선택적 레이저 소결): 이 프린터는 레이저를 사용하여 고분자 분말 입자를 고체 구조로 소결합니다.
· 용융 증착 모델링(FDM 프린터) – 이 프린터는 가열된 노즐을 통해 용융 열가소성 필라멘트를 방출하여 레이어링된 물체를 만듭니다. 3D 건설 방식이 가장 자주 사용되는 곳이 바로 이 프린터입니다.
3D 프린팅은 건설 산업에 어떻게 적용됩니까?
1980년대 이후로 3D 프린팅 기술에 대한 여러 가지 질문이 제기되었습니다. 그러나 재료를 연속적으로 겹쳐서 3차원 물체를 건설할 수 있게 하는 방법 자체의 발전으로 인해 관련성이 높아졌습니다. 이 건축 방법은 매우 적응력이 뛰어나 특정 프로젝트 요소는 물론 주택 또는 생활 공간, 사무실, 교량, 벽, 모듈식 구조물, 보강 금형, 기둥, 도시 가구 및 장식 요소에 이르기까지 다양한 복잡한 구조물을 전체적으로 건설하는 데 사용할 수 있습니다.
건설 분야에서 이 기술을 구현하는 데 필요한 지식의 상당 부분은 설계 단계에서 비롯됩니다. 이 부문은 이미 컴퓨터 지원 제조에 대한 전문 지식을 보유하고 있으며 BIM(Building Information Modeling)이 건설 사업에서 번성하고 있기 때문에 3D 프린팅 기술의 통합이 덜 어렵습니다. 3D 프린터는 CAD 또는 BIM 프로그램에서 필요한 정보를 얻고 기계는 신호에 따라 재료 수준을 오버레이하기 시작합니다. 이는 다양한 재료를 사용하여 수행할 수 있으며, 가장 인기 있는 재료는 모래, 섬유, 지오 폴리머 및 콘크리트의 혼합물입니다.
Research and Markets의 조사에 따르면 3D 프린팅은 지난 10년 동안 매우 긍정적인 방식으로 발전하여 2028년까지 건설 산업에서 시장 가치가 최대 USD $ 1,034,096.7천에 달할 것으로 예상됩니다. 이는 2021년부터 2028년까지 복합 연간 성장률을 91.5% 증가시킵니다.
전 세계 건설 분야의 3D 프린팅
특히 대도시에서는 건설과 더 나은 인프라에 대한 요구가 점점 더 많아지고 있습니다. 인구의 3%만이 도시에 살았던 1800년에 비해 1900년에는 도시에 사는 사람이 15% 더 많았습니다. 세계경제포럼은 현재 55%인 세계 인구의 3분의 2가 2050년까지 주요 도시에 거주할 것으로 예상합니다.
3D 프린팅 사용을 지원하는 수많은 정부 이니셔티브가 현재 전 세계적으로 구축되고 있습니다. 2030년까지 건물 25%를 3D 프린팅 기술로 만들어야 하는 두바이는 이 경쟁에서 선두를 달리는 도시 중 하나입니다.
전시 1
전시 2
건설 분야 3D 프린팅에 사용 가능한 기술
로봇 팔 압출기
로봇 팔 압출기는 현재 시판 중인 3D 프린팅 기술 중에서 인기가 높습니다. 이 기술을 윤곽 제작이라고 합니다. 데스크톱 FDM 3D 프린터와 유사하게 작동합니다. 레일은 로봇 팔이 노즐에서 나오는 콘크리트를 압출하면서 레이어별로 통과할 수 있도록 패턴으로 설정됩니다. 이 XL 건물 3D 프린팅 방식이 가장 인기가 있습니다.
모래를 이용한 3D 프린팅
SLS(선택적 레이저 소결) 및 Jet Fusion과 같은 산업용 3D 프린팅 공정은 여기에 설명된 3D 절차와 유사합니다. 그의 D-Shape 3D 프린터로 테스트한 최초의 사람은 이탈리아 건축가 엔리코 디니였습니다. 기계는 바인더를 사용하여 건축물의 모양을 시멘트하기 전에 표면을 모래 분말로 코팅합니다. 이는 금속 3D 프린터의 작동 방식과 유사합니다.
금속 기술
WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)은 네덜란드 스타트업 MX3D가 교량과 같이 더 강력한 하중을 받는 구조물을 위해 개발했습니다. 이 회사는 산업용 로봇과 용접 기계를 결합하여 작업을 위해 특별히 제작된 소프트웨어로 작동하는 3D 프린터를 만들었습니다. 로봇은 금속 구조물을 3D 프린팅하기 위한 6축 구성입니다.
건축용 3D 프린팅의 장점
· 향상된 설계 유연성 – 복잡한 설계의 생성은 3D 프린팅으로 해결할 수 있는 중요한 건축적 어려움입니다. 복잡하고 어려운 설계를 수행하도록 프로그래밍할 수 있는 컴퓨터 프로그램이 건축 3D 프린터에서 사용됩니다.
· BIM에 대한 적응 – BIM 3D 기술을 사용하여 건축 정보 모델링은 건축 설계를 변화시켰습니다. 실제로 건설되기 전에 거대한 건물과 구조물의 이미지를 표시합니다. 이 획기적인 발전은 BIM과 통합하고 거의 완벽한 정확도로 복잡한 설계를 실행함으로써 건설 3D 프린팅에 의해 발전될 수 있습니다.
· 인적 오류 감소 – 3D 프린팅의 기본은 인간의 영향에서 벗어난 사전 프로그래밍된 자동 작동입니다. 이것은 본질적으로 사람들이 야기하는 실수를 제거합니다. 또한 3D 프린터는 많은 인적 감독이 필요하지 않습니다.
· 친환경 건축 건설 지원 – 가장 인기 있는 건축 유형은 빠르게 친환경으로 전환되고 있습니다. 건설 회사는 기후 변화에 대한 인식이 높아짐에 따라 친환경 건설 방법을 사용하기 시작했습니다. 버려지고 재활용된 건설 자재를 사용하여 3D 프린팅 구조물을 생산함으로써 3D 프린터는 이 노력에 중요한 역할을 할 수 있습니다.
3D 프린팅 구조물의 단점
· 높은 전력 소비 – 3D 프린터는 다른 기존 건설 기술보다 더 많은 전기를 사용합니다. 그렇게 높은 용량으로 전기를 생산하는 데 드는 환경 비용 외에도 전력에 대한 큰 수요를 충족하는 데 비용이 많이 듭니다.
· 3D 프린터는 비쌉니다 – 현재 기술이 아직 초기 단계에 있기 때문에 3D 프린팅을 사용하는 것이 경제적으로 실행 가능하지 않습니다. 건축 구조물을 위한 3D 프린팅 시설을 설정하는 데 필요한 초기 투자는 상당하며 현재 구성에서는 주요 건설 부문에 구현하기에는 너무 비쌉니다.
· 자재 부족 – 일반 건축 자재는 3D 프린터에서 활용할 수 없습니다. 아직 널리 사용되지 않는 특수 재료가 3D 프린터에 필요합니다. 자재 부족으로 인한 자재 비용의 상당한 증가와 비싼 프린터로 인해 대규모 건축에 사용하는 것이 불가능합니다.
건설 분야 3D 프린팅 시장 규모
1. 모스크바의 3D 프린팅 단독 주택
미국 기술 회사 Apis Cor가 모스크바에 3D 프린팅 주택을 건설했습니다. 이 집은 주택 건설에 자동화를 사용한 최초의 주택이며 다른 콘크리트 구조물과 동일합니다. 총 건설 비용은 $10,000 미만이었습니다.
2. 두바이의 세계 최대 3D 프린팅 건물
최근에는 특히 UAE에서 중동 지역에서 새로운 기술 발전이 있었습니다. 기네스 세계 기록은 이미 에미리트 타워 단지가 세계 최대 3D 프린팅 건물이라는 주장을 확인했으며 3D 프린팅의 이러한 추세를 이어가고 있습니다. Apis Cor가 건설한 2층 건물은 표면적이 640m2이고 높이가 9.5m입니다.
3. 북미 및 카리브해 지역의 3D 프린팅 주택
전 세계 커뮤니티와 비영리 단체는 콘크리트 3D 프린팅 기술을 사용하여 저렴한 주택 위기를 해결하고 있습니다. 예를 들어 비영리 단체인 New Story는 기록적인 24시간 만에 멕시코 최초의 3D 프린팅 주택을 건설했습니다. 그 이후로 이 회사는 3D 프린팅 건설 기술을 사용하여 건설된 2,000채의 주택이 있는 지역을 건설했습니다.
미래
전 세계적으로 증가하고 있는 프로젝트는 3D 프린팅 구조물이 현재 건설 부문을 괴롭히고 있는 여러 문제를 해결할 혁신적이고 산업을 변화시키는 기술이 될 가능성이 있음을 보여줍니다. 야망 수준은 엄청납니다. 예를 들어 두바이의 새로운 구조물의 25%가 2030년까지 3D 프린팅될 것으로 예상됩니다. 완곡하게 말하자면 건설 부문에서 3D 프린팅의 사용은 유망한 미래를 가지고 있습니다.
결론
3D 프린팅에는 여전히 많은 오랜 문제가 있지만 건축 산업은 혁신을 위한 준비가 되어 있습니다. 기존 건축 방법은 비효율적이고 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리며 환경에 해로울 수 있습니다. 3D 프린팅의 정확성, 속도 및 신뢰성 덕분에 토목 엔지니어는 이러한 문제를 해결하고 아마도 더 쉽고 저렴하게 거주 가능한 구조물을 설계하고 건설할 수 있는 수많은 기회를 갖게 되었습니다.
작성자: Sonu Kumar Sah
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