1. 서 론

1.1 적층 제조 및 3D 프린팅 기술 개요

3D 프린팅이란 재료를 자르거나 깎아서 생산하는 절삭 가공과 대비되는 개념으로 공식 용어는 적층 제조(AM, Additive manufacturing) 또는 쾌속 조형(RP, Rapid Rrototyping)이라고 한다. 이처럼 적층 제조로 표준화되는 3D 프린팅은 금속분말, 세라믹, 왁스 및 폴리머 소재 등을 2차원 패턴으로 적층 가공해 3차원 제품으로 제조하는 기술이다. ASTM F2792-12(2015)에서는 “3D 모델 데이터로부터 형상을 만들기 위하여 연속된 재료를 한층 한층씩(layer upon layer) 적층하는 방법으로 절삭가공 기술과 대비되는 기술이다”라고 정의한다. 또한 광원의 종류, 적층 방식 및 소재에 따라 구분하고 있으며. ASTM에서는 3D 프린팅 기술을 크게 7가지로 구분하여 정의하고 있다.

전 세계적으로 3D 프린팅 기술 및 신소재 개발이 접목되어 의료, 나노, 전자 및 건축 분야 등으로 적용 범위의 한계를 극복하고 있다. 마찬가지로 3D 프린팅 기술을 건설 업계에 적용하려는 노력이 진행되고 있다. 전통적 건설 기술과 비교해 3D 프린팅을 적용함에 따라 (1) 노동력을 줄일 수 있으며, 이에 따른 건설 비용 저감 및 안전성이 높아지며, (2) 일정한 조건으로 운용됨에 따라 건설 시간 단축이 가능하며, (3) 정밀한 재료 적층에 따른 시공 오류를 최소화할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그리고 무엇보다도 (4) 정교한 설계가 가능하여 건축적 자유도를 증가할 수 있다.

그러나 3D 프린팅 기술을 건설 업계에 적용하기에는 아직 미비한 수준이다. 그 원인으로 3D 프린터 기계적 측면은 장비 스케일, 적층 속도 및 적층 정밀도 등의 기술적 요소가 있으며, 재료적 측면은 소재 강도, 적층성(Buildability), 압출성(Extrudability), 접착성(Workability, Interlayer Bonding) 및 응결성(Open time) 등의 기술적 요소가 문제라고 생각한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 지난 몇 년 동안 건설 업계에서 3D 프린팅을 활용하기 위한 다양한 기술이 개발되었으며, 대표적으로 Extrusion Printing 및 Powder Printing 기술로 양분된다.

1.2 적층 제조 방식

1.2.1 Extrusion Printing(재료 압출 방식)

Extrusion Printing 방식은 ASTM에서 ME(Material Extrusion) 기술로 정의하고 있다(Table 1). 세부기술로는 FDM(Fused Deposition Modeiling)방법이 대표적이다.

FDM 방식을 적용하여 페이스트, 모르타르 및 콘크리트 등을 프린터 재료로써 건설 분야에 적용하는 연구가 진행되고 있다. 미국 캘리포니아대학의 Khoshnevis et al.(2006)이 개발한 컨투어 크래프팅(Contour Crafting) 및 영국 러프버러대학의 Lim et al.(2009)이 개발한 콘크리트 프린터가 대표적이다.

1.2.2 Powder Printing(분말 적층 방식)

Powder Printing 방식은 ASTM에서 BJ(Binder Jetting) 및 PBF(Powder Bed Fusion) 등으로 기술을 정의하고 있다. BJ는 분말 형태의 소재위에 액체 형태의 접착제를 토출시켜 분말 사이의 결합을 통해 3차원 구조물을 형성시키는 방식이다. PBF는 분말을 담은 분말 베드에 레이저, 전자빔 등 고 에너지를 부분적으로 조사하여 분말 재료의 용융-고화 현상의 반복 작업으로 3차원 구조물을 형성시키는 방식이다. Powder Printing 기반 AM 시스템은 재료 압축 방식과 비교해 보다 복잡하고 기하학적 구조를 만들 수 있는 AM 공정이다.

BJ 방식을 채용하여 시멘트 복합재료를 프린터 재료로써 건설 분야에 적용하는 연구가 최근에 진행되고 있다. Cesaretti et al.(2014) 등의 D-Shape 및 Rael et al.(2011) 등의 Emerging Objects가 대표적이다.

1.3 본 연구 목표

Extrusion Printing은 기둥, 벽 등과 같은 대형 건설 부재의 현장 시공을 목표로 하는 것이 바람직하고, Powder Printing은 건설 외장재 등 프리캐스트 부재를 직접 출력(Direct Component Production, DCP)하여 현장 조립하는 방법과 비정형 거푸집을 출력(Formwork Production, FP)하여 프리캐스트 부재를 제작하는 방법이 바람직하다고 저자는 생각한다.

Powder Printing 기반의 Binder Jetting 3D 프린팅 프로세스의 개요는 Fig. 1과 같다. 프린터 헤드를 이용하여 액체 상태의 접착제를 파우더 재료에 선택적으로 분사하여 한층을 굳히면 베드가 한층 아래로 내려가고, 새로운 파우더를 도포한 후(약 0.1 mm) 접착제를 분사하는 과정을 반복하면서 3차원 조형물을 적층한다. 적층 공정을 반복하면서 특정 건조 시간 후 에어블로워를 사용하여 접착되지 않은 파우더를 제거한다.

Fig. 1

Schematic illustrations of Binder Jetting 3D Printing process

Table 1 Additive manufacturing categories as classification by ASTM F2792-12(2015)

재료적 측면에서는 Gibbons et al.(2010)에 의한 초속경시멘트(Rapid Hardening Portland Cement), Maier et al.(2010)에 의한 칼슘알루미네이트시멘트(Calcium Aluminate Cement) 및 Cesaretti et al.(2014)에 의한 산화마그네슘시멘트(Magnesium Oxychloride Cement) 등의 급결성 시멘트 기반의 파우더를 Binder Jetting에 적용하는 사례가 보고되고 있다.

본 논문에서는 Powder Printing 기반의 Binder Jetting 방식으로 건설 외장재를 직접 출력(Direct Component Production, DCP)하는 것에 초점을 맞추고 있다. 본 방식을 채택한 이유는 Extrusion Printing과 비교해 서포트가 불필요하여 미세한 디테일과 복잡한 모양을 가진 외장재를 생산할 수 있기 때문이다.

또한 본 논문에서는 Binder Jetting 3D 프린팅 파우더의 적용 범위를 확대하기 위해서 플라이애시(Fly Ash, FA) 및 고로슬래그미분말(Ground Granulated Blast Furnace Slag, GGBFS) 등의 알칼리 활성화 결합재(Alkali-Activated Materials, AAM)를 파우더 재료로 선정하였다. Park et al.(2017)에 따르면, AAM은 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)에 비해 압축강도, 황산염 저항성, 건조수축 및 친환경성 측면에서 우수성을 보유하고 있으며, 알칼리 자극제에 의한 강도증진이 가능하다.

Gibbons et al.(2010) 및 Maier et al.(2010)에 따르면, Binder Jetting 방식은 파우더 소재 사이의 결합이 접착제에 의존하기 때문에 후처리를 통한 강도 증진이 반드시 필요하다. 따라서 본 논문에서는 AAM 기반 Binder Jetting 3D 프린팅 출력물의 강도 증진을 위하여, 액상형 규산나트륨(Sodium silicate, Na₂SiO₃), 분말형 규산나트륨(Sodium silicate, Na₂SiO₃), 수산화나트륨(Sodium hydroxide, NaOH), S사 표면경화제 및 A사 에폭시본드 등을 적용하여 강도 증진을 확인하였다.

2. 재 료

2.1 파우더

2.1.1 물리·화학적 특성

AAM으로는 KS L 5405 2종 FA 및 KS F 2563 3종 GGBFS를 사용하였으며, 본 실험에 사용한 FA 및 GGBFS의 물리적 성질 및 화학성분은 Table 2와 같다. Fig. 2의 X선 회절 분석 결과에 따르면 FA는 이산화규소(SiO₂, Quartz) 및 뮬라이트(Al₆Si₂O₁₃, Mullite)가 주성분으로 확인되었으며, GGBFS는 Anhydrite 및 Amorphous hump peak(회절각 2θ=30°부근)가 넓은 언덕 형태로 확인되었다. 또한 알칼리 활성화제로 분말형 규산나트륨(SiO₂ 52.5 %, Na₂O 25.5 %, insoluble H₂O 22.0 %, Sodium silicate solution, Na₂SiO₃)과 파우더 및 접착제간의 접착성 향상을 위하여 분말형 수용성 고분자(Water-soluble Polymer, WP)를 최종 혼합 파우더에 특정 비율로 첨가하였다.

Table 2 Physical properties and chemical composition of FA and GGBFS

Fig. 2

XRD patterns of FA and GGBFS

2.1.2 입도분석

혼합 파우더 원료인 GGBFS, FA, Na₂SiO₃, Water-soluble Polymer의 입도분석은 Fig. 3과 같다. 주원료인 GGBFS는 D₁₀=19.2µm, D₅₀=35.8µm, D₉₀=64.4µm로 D_av=39.3µm이며, FA는 D₁₀=16.0µm, D₅₀=31.7µm, D90=62.8µm로 D_av=36.6µm로 확인되었다. 부원료인 Na₂SiO₃의 D_av=73.7µm, Water-soluble Polymer의 D_av=100.8µm로 확인되었다.

Fig. 3

Particle size distribution of powder materials

2.2 접착제

미국 Z-Corp의 Zb® 63 binder를 접착제로 사용하였다. 본 접착제는 순수한 물에 0~1 % 수준의 2-피롤리돈(2-Pyrrolidone)을 첨가한 것으로 보고되고 있다.

2.3 후처리 재료

액상형 규산나트륨(SiO₂ 28.2 %, Na₂O 9.3 %, H₂O 65.5 %, Sodium silicate solution, Na₂SiO₃), 분말형 규산나트륨(SiO₂ 52.5 %, Na₂O 25.5 %, insoluble H₂O 22.0 %, Sodium silicate, Na₂SiO₃) 1M 수용액, 순도 ≥ 98 % 수산화나트륨(Sodium hydroxide, NaOH) 1M 수용액, 규산(Silicic acid) 및 염화나트륨(Sodium salts)이 주요성분인 S사 표면경화제 및 A사 에폭시본드 등을 사용하였다.

3. 후처리 개요

본 논문에서는 Table 3과 같이 8가지 방법으로 후처리를 실시하였다. 20 mm ×20 mm×20 mm 의 큐빅 공시체를 출력한 후에, 각 후처리 용액에 침지 시키고 진공 데시케이터에 5분간 존치하였다. 그 후 24시간 동안 70 °C 고온 양생을 실시하고, 재령 3일까지 (20±2) °C, 상대습도(RH) (60±5) %의 항온항습실에 보관하였다. 상세한 후처리 방법은 다음과 같다. (1) WPP는 후처리 미실시 (2) SSS는 액상형 규산나트륨 침지 (3) 분말형 규산나트륨을 용해한 1M 수용액에 침지 (4) 분말형 수산화나트륨을 용해한 1M 수용액에 침지 (5) 액상형 규산나트륨에 분말형 수산화나트륨을 Ms(SiO₂/Na₂O molar ratio) 1.0 비율로 용해한 수용액에 침지하고 1일 1회 반복 (6) 액상형 규산나트륨에 분말형 수산화나트륨을 Ms 1.0 비율로 용해한 수용액에 침지하고 1일 1회를 2일간 반복 (7) S사 표면경화제를 100 °C 조건의 챔버에 24시간 존치한 고농도 표면경화제 용액에 침지 (8) 에폭시본드 침지 (9)는 (5) 및 (7)의 후처리 방법을 순차적으로 실시하였다.

Table 3 3D Printed cubic specimens in different post-processing environments

4. 실험 개요

4.1 출력물 정확도(Dimensional Accuracy)

Fig. 4와 같이 20 mm ×20 mm×20 mm 의 큐빅 형상 출력물을 정확도 0.01 mm의 디지털 버니어 캘리퍼스를 사용하여 CAD 설계 모델과 치수를 비교하였다. 출력물 정확도(Dimensional Accuracy, DA)는 식 (1)과 같이 측정하였다. 본 논문에서는 XY-방향 및 Z-방향(적층 방향)으로 2가지 방향에 대해서 측정하였다. 측정 시료는 후처리 전의 총 80개를 대상으로 하였다.

여기서, L은 출력 시험체 길이(mm), L_CAD는 3D 설계 모델의 치수(mm)이다.

Fig. 4

3D Printed Alkali-activated GGBFS/FA Paste

4.2 부피밀도(Bulk density)

20mm ×20 mm×20 mm 의 큐빅 형상 출력물을 각각의 후처리 방법을 실시한 후의 부피밀도를 식 (2)와 같이 측정하였다.

여기서, 𝜌_bulk는 부피밀도(g/cm³), m_d는 실온에서 24시간 자연 건조한 질량(g), V_M는 디지털 버니어 캘리퍼스를 사용한 실제 부피(cm³)이다.

4.3 흡수율

20mm ×20 mm×20 mm 의 큐빅 형상 출력물을 각각의 후처리 방법을 실시한 후의 흡수율을 식 (3)와 같이 측정하였다.

여기서, W_a는 흡수율(%), m_w는 큐빅 공시체를 1시간 침지시킨 후, 물에서 꺼내서 표면수를 닦아낸 표면 건조 질량(g), m_d는 실온에서 24시간 자연 건조한 질량(g)이다.

4.4 압축강도

20mm ×20 mm×20 mm의 큐빅 형상 출력물을 각각의 방법으로 후처리한 후 재령 3일에서 UTM(INSTRON50kN)을 사용하여 재하속도 0.04 kN/s로 압축강도를 측정하였다. 단, 본 논문에서는 Z-방향(적층 방향)에 한정하여 측정하였다.

4.5 X선 회절 분석(XRD)

후처리 전후의 AAM 반응 생성물의 변화를 평가하기 위하여 페이스트 분말 샘플을 대상으로 MINIFLEX 600(Rigaku)을 이용하여 XRD를 측정하였으며, 측정조건은 CuKα:40kV, 15mA, Scanning speed:5°/min, 측정 범위는 5°-65°/2θ로 하였다. 단, 본 논문에서는 후처리 미실시(without post-processing, WPP) 및 액상형 규산나트륨과 염화나트륨을 Ms 1.0으로 혼합하여 1일 1회 후처리 한 시료((SSS+SH)-1.0-1cy)에 한정해서 측정하였다.

5. 실험 결과 및 고찰

5.1 출력물 정확도(Dimensional Accuracy)

Binder Jetting 3D 프린팅의 출력 품질은 출력물 정확도 실험으로 평가할 수 있다. Table 4에 후처리 전의 총 80개 출력물에 대한 측정 방향별 정확도를 [편차 평균값 ± 표준 편차]로 표기하였다. XY-방향 및 Z-방향에서 (0.01 ± 0.17) % 및 (0.19 ± 0.13) %의 정확도가 확인되었으며, Z-방향이 XY-방향보다 정확도가 떨어지는 결과값이 나타났다. 본 연구의 측정 대상은 큐빅 형태의 정형화된 형상에 국한된 것으로서 Binder Jetting의 전체적인 출력 품질성을 판단하기에는 한계가 있다. 따라서, 향후 비정형 및 다공성 형상을 대상으로 다각적인 측정 방법 제안 및 실측이 필요하다고 생각한다.

Table 4 Dimensional accuracy of 3D printed cubic specimens

5.2 부피밀도(Bulk density)

Fig. 5와 같이 WPP의 부피밀도는 1.10 g/cm³으로 나타났다. 여기서 혼합 파우더의 밀도가 2.61 g/cm³인 것을 고려하면 출력물의 공극률은 57.8 %로 추측할 수 있다. 또한 WPP와 비교해 후처리에 따라 부피밀도는 1.16 g/cm³에서 1.48 g/cm³까지 증가하는 경향을 확인하였다. 이는 공시체의 내부 공극에 후처리 용액이 침투하고 반응물이 생성된 것에 기인하는 것으로 판단된다. (SSS+SH)-1.0 -2cy 및 (SSS+SH)-SHD에서 1.23g/cm³및 1.48g/cm³으로 가장 큰 부피밀도를 확인하였다.

Fig. 5

3D Printed cubic specimen properties in different post-processing environments

5.3 흡수율

Fig. 5와 같이 WPP의 흡수율은 44.9 %로 나타났다. 또한 WPP와 비교해 후처리에 따라 흡수율은 38.1 %에서 15.1 %까지 낮아지는 경향을 확인하였다. 이는 공시체의 내부 공극에 후처리 용액이 침투하고 반응물이 생성된 것에 기인하고 있다고 판단된다. (SSS+SH)-1.0-2cy 및 (SSS+SH)-SHD에서 21.9 % 및 15.1 % 가장 낮은 흡수율이 확인되었다. 이는 후처리를 반복 수행함에 따라 내부 공극뿐만 아니라 표면이 코팅되는 효과에 의해 흡수율이 급격히 낮아진 것으로 판단된다. Fig. 6에 흡수율과 부피밀도의 관계를 나타내었다. 그 결과 3D 프린팅 출력물의 흡수율이 큰 것은 부피밀도가 낮은 것에 기인하고 있다고 판단된다. 단, 연행공극(Entrained pore) 및 닫힌공극(Entrapped pore)이 존재하기 때문에 출력물의 흡수율과 공극률과는 차이가 발생하는 것으로 판단된다. 향후 출력물의 내부공극에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.

Fig. 6

Relationship of water absorption and bulk density

5.4 압축강도

Fig. 5와 같이 WPP의 압축강도는 1.46 MPa로 나타났다. 즉, AAM 파우더 및 접착제 간의 경화반응은 진행되지 않으며, 반드시 후처리를 통한 강도증진이 필요하다고 말할 수 있다. 본 연구에서는 후처리에 따라 3.30 MPa에서 7.10 MPa로 226 % 및 486 %로 압축강도가 증가되는 것을 확인하였다. 이와 같이 후처리 과정은 Binder Jetting 3D 프린팅으로 부재를 직접 출력(Direct Component Production, DCP)할 경우 반드시 필수적인 과정이라고 생각한다. SSS 및 (SSS+SH)-1.0-1cy의 압축강도는 각각 5.06 MPa 및 5.21 MPa로 나타나, 액상형 규산나트륨과 수산화나트륨을 병행 사용한 방법이 단독 사용보다 우수한 강도 증진을 얻을 수 있었다. 단, 추가 실험을 통해 Ms(SiO₂/Na₂O molar ratio)에 따른 강도 증진을 정량화할 필요성이 있다고 판단된다. 또한 (SSS+SH)-1.0-1cy 및 (SSS+SH)-1.0-2cy의 압축강도는 5.21 MPa 및 7.10 MPa로 후처리를 반복 수행함에 강도가 136 % 증진되는 경향이 확인되었다. 따라서 후처리 반복회수에 대한 추가 실험을 통해 강도 증진을 정량화할 필요성이 있다.

SHD의 경우에도 5.57 MPa로 강도증진이 확인되었다. 이는 SHD의 주요 성분이 규산(Silicic acid) 및 염화나트륨(Sodium salts)으로 구성되어 있으므로 상기 후처리 용액과 동일한 반응이 일어난 것으로 판단된다. 또한 SSS+SH를 수행한 후 SHD로 추가 후처리를 한 경우 5.21 MPa에서 6.54 MPa로 압축강도가 증진되었다. 결론적으로, AAM 파우더는 알칼리 활성화제 기반의 후처리 용액과 반응성을 나타내고 있다. 따라서, 향후 최적의 후처리 용액 및 방법을 도출하기 위한 실험적 연구가 필요하다고 판단된다.

Figs. 7 및 8에 압축강도 및 부피밀도, 압축강도 및 흡수율의 관계를 나타냈다. 압축강도는 부피밀도와 정비례, 흡수율과는 반비례하는 경향이 확인되었다.

Fig. 7

Relationship of compressive strength and bulk density

Fig. 8

Relationship of compressive strength and water absorption

5.5 X선 회절 분석(XRD)

AAM의 경우, Lothenbach et al.(2007)에 따르면, 알칼리 활성화제와 반응하여 FA에 기반한 지오폴리머 겔이라고 부르는 알칼리-알루미노실리케이트 겔(Sodium aluminosilicate hydrate gel, N-A-S-H)이 생성되며, Richardson et al.(1994)에 따르면, GGBFS에 기반한 규산칼슘 수화물(Calcium Silicate Hydrate, C-S-H)이 생성되는 것으로 보고되고 있다.

본 연구를 통해 AAM 파우더를 사용한 Binder Jetting 3D 프린팅 출력물의 경우에도 알칼리 활성화제 기반의 후처리 방법을 통한 강도 증진이 가능한 것을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 Fig. 9와 같이 WWP 및 (SSS-SH)-1.0-1cy의 반응 생성물을 평가하여 강도 증진의 원인을 추론하였다. 여기서, XRD 시료는 최대한 큐빅 공시체의 중심부에서 채취하였다. WWP는 FA 및 GGBFS를 단순 배합한 것과 동일하게 FA에 기인한 Quartz가 주로 확인되었다. 반면 (SSS-SH)-1.0-1cy의 경우에는 FA에 기인한 Quartz뿐만 아니라, GGBFS에서 기인된 C-S-H 및 Calcite가 28.5°/2θ 및 39.0°/2θ부근의 피크에서 확인되었다. 결론적으로 AAM 파우더를 사용한 3D 프린팅 출력물은 후처리를 통해서도 C-S-H가 생성되고 이에 따라서 강도 증진이 가능한 것으로 판단된다. 단, 본 연구에서는 20 mm ×20 mm×20 mm 의 큐빅 형상을 대상으로 알칼리 기반 후처리 용액을 침투하였다. 향후 침투깊이에 대한 추가적인 실험이 필요하다고 판단된다.

Fig. 9

XRD patterns of WWP and (SSS-SH)-1.0-1cy

6. 결 론

본 논문에서는 Powder Printing 기반의 Binder Jetting 방식에 알칼리 활성화 결합재(Alkali-Activated Materials, AAM)를 파우더 재료로 적용하기 위한 실험적 연구를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1) AAM 혼합 파우더를 사용한 Binder Jetting 3D 프린팅 기술의 가능성을 확인하였고, XY-방향 및 Z-방향에서 (0.01 ± 0.17) % 및 (0.19 ± 0.13) %의 출력 정확도를 확인하였다.

2) AAM 파우더 적용 Binder Jetting 3D 프린팅 공시체의 부피밀도는 1.10 g/cm³로 확인되었으나, 후처리((SSS+ SH)-SHD)에 의해 1.48 g/cm³까지 개선할 수 있었다.

3) AAM 파우더 적용 Binder Jetting 3D 프린팅 공시체의 흡수율은 44.9 %로 확인되었으나, 후처리((SSS+SH) -SHD)에 의해 15.1 %까지 개선할 수 있었다.

4) AAM 파우더 적용 Binder Jetting 3D 프린팅 공시체의 경우에도 알칼리 활성화제 기반의 후처리 방법을 통한 강도 증진이 가능한 것을 확인하였다. 후처리((SSS+ SH)-1.0-2cy)에 의해 압축강도는 7.10 MPa로 후처리 미실시 대비 486 %의 강도 증진을 확인하였다.

5) 후처리에 의한 강도증진은 AAM과 알칼리 활성화제가 반응하여 C-S-H 및 Calcite가 생성되는 것에 기인하는 것으로 판단된다.