2.1 모르타르 재료

2.2 3D 프린터 및 프린팅 조건

출력에 사용한 3D 프린터는 출력 패널을 중심으로 노즐부가 X, Y, Z 축을 이동하는 갠트리(gantry) 타입의 ME 방식 프린터를 사용하였으며 출력재료인 모르타르의 출력성능을 고려하여 노즐 사이즈 직경 3.0 mm, 출력속도 20~25 mm/sec, 압출속도 125~165 e-step/mm로 설정하였다. 압출속도는 모르타르의 유동성에 따라 출력 중 조절이 가능하며 모르타르가 1 mm 출력될 때 회전하는 스텝모터의 회전에 대한 단위이다. 사용한 3D 프린터의 제원 및 전경과 모델링은 Table 3, Fig. 1 및 Fig. 2와 같다.

3.1 모르타르 배합설계

3D 프린팅 재료는 출력하여 적층을 유지하는 것이 중요하며 3D 프린터에 사용하는 모르타르는 유변학적으로 특수한 성능을 발현하기 위해 다수의 배합을 시험하고 직접 출력하여 성능을 검증해야 한다. 모르타르가 3D 프린터에서 출력할 수 있으려면 압력에 의해서만 출력제어가 가능한 수준의 유동성이 필요하며 압력이 가해지지 않은 상태에서 재료분리가 일어나거나 적층 높이에서 자중에 의한 낙하가 일어나는 것을 방지해야 한다. 모르타르 배합의 유동성은 결합재 대비 잔골재량, 배합수량, 혼화제량에 따라 달라지기 때문에 모든 재료의 비율에 영향을 받는다(Ding et al. 2020)⁽²⁾. 선행 연구(Seo et al. 2019)⁽⁹⁾를 통해서 출력성과 적층성이 확보되는 배합의 범위를 결정하였고, 이 연구를 위해 선정된 배합은 Table 4와 같다. 각 배합이 가지고 있는 흐름성과 간극비를 실험적으로 구한 후, 이 특성이 3D 프린터로 출력된 적층 두께의 균일성 및 정확성에 미치는 영향을 평가하였다.

3.2 흐름성(flowability) 측정방법

3D 프린팅용 모르타르의 흐름성은 KS L 5105(KATS 2017), KS L ISO 679(KATS 2006)^(6,7)를 준용하여 측정한 흐름값(flow)의 밑지름 증가 정도를 정량적으로 산출한 값이다. 흐름값은 표준 흐름몰드를 이용해서 성형한 모르타르를 흐름 테이블을 이용하여 12.7 mm 높이에서 15초간 25회의 속도로 낙하시킨 후 같은 간격으로 4회 측정한 값이다. 증점제를 첨가한 모르타르 배합의 경우 일반적인 모르타르에 비해 점성이 높아 표준 배합 시간보다 오랜 시간 동안 배합하여야 하며 셀룰로오스계 분말형 증점제를 다른 혼화재와 충분히 혼합하는 과정을 사전에 시행해야 같은 배합 내에서 일정한 흐름값을 측정할 수 있다. 흐름성을 계산하기 위해서는 2회의 흐름값이 필요하므로 한 배합 당 측정한 4회의 흐름값의 평균을 1회의 흐름값으로 산정하여 같은 배합에 대해 2회의 흐름시험을 실시하였다. 흐름성은 흐름값의 변화량을 정량적으로 표현한 값이며 계산하는 방법은 식 (1)과 같다(Kim et al. 2003)⁽⁵⁾.

여기서, $\Gamma$는 흐름성, $D_{1}$, $D_{2}$는 각각 같은 배합에 대한 1회, 2회의 흐름값 평균(mm)을 나타내며 $D_{0}$는 흐름몰드를 모르타르로부터 제거했을 때 유의미한 밑지름 증가가 없다고 판단하여 흐름몰드 하단부의 내경(100 mm)으로 산정하였다.

3.3 간극비(void ratio) 측정방법

3D 프린팅 모르타르의 간극비는 입상재료의 체적비와 배합수의 체적비 간의 비율을 통해 산정한다. 물 막 두께 이론(Ng et al. 2016)⁽¹²⁾에서 시멘트 복합체의 유동성은 간극을 윤활하게 하는 과잉수에 기인한 것으로 가정한다. 3D 프린팅 모르타르의 경우 재료의 적층이 가능한 정도의 유동성 범위이므로 과도한 변형에 대한 영향 요인은 배제하였다. 간극비 $u$는 고체입상재료에 대한 물의 체적비율 $u_{w}$와 전체 체적에 대한 고체입상재료의 체적비율 $\phi$를 통해 구할 수 있다. 간극비를 계산하는 과정은 식 (2), 식 (3) 및 식 (4)와 같다.

여기서, $V_{w}$,$V_{c}$는 물 및 고체입상재료의 부피(cm$^{3}$)이다. $M$, $V$는 실험을 통해 측정한 굳지 않은 모르타르의 질량(g)과 부피(cm$^{3}$)이며 $\rho_{\alpha}$, $\rho_{\beta}$, $\rho_{\alpha}$는 물을 제외한 나머지 입상재료의 밀도(g/cm$^{3}$), $R_{\alpha}$, $R_{\beta}$, $R_{\gamma}$는 물을 제외한 나머지 입상재료 간 체적비율이다.

3.4 방향특성 별 균일성 및 정확성 측정방법

적층 두께 균일성 및 정확성을 측정하기 위해 같은 거리, 같은 화각, 같은 화질로 촬영한 이미지를 사용하였다. 촬영한 이미지는 적층선을 1, 적층선 간 간격을 0으로 표현한 이진화 배열값으로 변환하였으며 0으로 출력한 화소의 개수를 세어 적층 두께를 수치화하였다. 균일성은 이미지로부터 산출된 두께 데이터에 대한 분산계수로 정량화하였는데, 1에 가까울수록 적층 간격 간 차이가 크지 않아 균일한 특성을 나타내며 0에 가까울수록 적층 간격 간 차이가 커 비균일한 특성을 나타낸다(Lee et al. 2012)⁽⁸⁾. 정확성은 목표한 두께를 달성한 정도를 나타내며, 1에 가까울수록 보다 정확하게 목표 두께를 달성한 것이다. 균일성 및 정확성을 산출하는 방법은 식 (5), 식 (6)과 같다.

여기서, $\alpha_{l}$은 적층 균일성, $x_{i}$는 적층 두께(화소수), $\overline{x}$는 방향에 따른 적층 두께 평균(화소수), $n$은 측정 적층 두께 데이터의 개수이며, $\alpha_{a}$는 적층 정확성, $x_{t\arg et}$은 목표 적층 두께(화소수)이다.

Fig. 3에 나타낸 바와 같이, 출력한 3D 프린팅 모르타르의 적층 균일성은 2종류 방향에 대한 균일성을 검토하였다. 첫째로 같은 적층 내의 두께 데이터(Fig. 3의 행(row) 데이터)에 대한 균일성 $\alpha_{l}$을 구한 후, 그 값의 평균을 X축 균일성으로 취하여 분석하였다. 둘째로 서로 다른 적층의 두께 데이터(Fig. 3의 열(column) 데이터)에 대한 균일성 $\alpha_{l}$을 구한 후, 그 값의 평균을 Z축 균일성이라 정의하고 이를 분석하였다. 정확성은 실제 3D 프린터로 출력한 평균 적층 두께가 목표한 두께에 근접한 정도를 수치적인 달성률로 산출하였다. 균일성 및 정확성을 측정하는 절차는 다음과 같이 정리할 수 있다.

(1) 출력한 실험체를 시점고정이 가능한 장비 또는 장소를 이용하여 같은 조건으로 연속 촬영

(2) 촬영한 실험체 이미지의 적층선을 별도로 작성하여 이미지로 다시 저장

(3) 프로그램을 통해 이미지를 수치상으로 분석할 수 있도록 이진화한 배열 데이터로 변환

(4) 적층선 간 간격을 화소단위로 계산한 후, 적층 두께 균일성 및 정확성 산출

4.1 3D 프린팅용 모르타르의 흐름성 및 간극비

사전 시험을 통해 설계한 3D 프린팅 출력 가능 모르타르 배합의 흐름성 범위는 0.61~3.12로 나타났으며 간극비 범위는 0.61~0.77로 나타났다. Table 5에 나타낸 바와 같이 배합수에 대한 고체입상재료의 체적 비율인 $\phi$가 증가할수록 흐름성과 간극비 모두 감소하는 경향을 나타냈다. $\phi$는 W/B에 반비례하고 SS/B에 비례하므로, 이를 고려한 배합설계를 하여 간극비와 흐름성을 제어하는 것이 가능함을 알 수 있다. 그러나 간극비는 W/B와 SS/B와 같은 고체입상재료만 고려하기 때문에 증점제와 같은 혼화제에 의한 유동성 변화를 반영하지 못하므로 흐름성의 분석을 통해 보완해야 할 것으로 사료된다. Fig. 4는 모르타르 흐름 시험의 전형적인 결과를 나타내고 있다.

4.2 3D 프린터로 출력된 실험체의 외관 특성

적층 외관 특성과 간극비 및 흐름성과의 관계를 분석하기 위해 ME 방식 3D 프린터로 배합한 모르타르를 출력하였다. 출력모델은 50×50×50 mm 정육면체이며 압출 실린더가 적정 압력에 도달하기 위한 여유를 주기 위해 출력 기준 위치로부터 30 mm 떨어진 거리에 스커트 라인을 설정하였다. 시험 상의 편의를 위해 채움조건을 설정하지 않았으며 출력 중 안정성을 확보하기 위해 셸(shell) 두께를 이중으로 출력하였다. 또한, 층간 부착을 저하하는 자유낙하에 의한 적층을 방지하기 위해 실제 노즐 두께보다 낮은 위치에서 출력하였다. 모든 실험체는 같은 조건으로 출력하였으나 가사시간을 고려해서 추가압력이 필요할 경우는 3D 프린터 자체의 e-step을 조절해서 출력 연속성을 유지할 수 있도록 실시간으로 변경하였다.

3D 프린팅 모르타르 배합의 흐름성 및 간극비에 따른 출력물 외관 특성의 차이를 눈으로 확인할 수 있다. 흐름성과 간극비가 적은 배합일수록 표면조도가 더욱 거칠어지는 특성을 나타냈다. 표면조도가 거칠면 과도한 표면공극을 생성하여 층간 접착을 감소시키는 부착 저하 요인이 된다(Nerella et al. 2017, 2019; Lee et al. 2019)^(9-11).

흐름성 1.8 이하이고, 간극비가 0.7 이하일 때 표면조도가 거칠게 출력되었으며 흐름성과 간극비가 큰 배합일수록 하부 적층의 폭이 크게 보임을 알 수 있다. 흐름성 2.0 이상이고, 간극비가 0.75 이상일 때 상층부와 하층부의 폭이 크게 차이 나는 것으로 관찰되었다. 이는 높은 유동성으로 인하여 자중의 영향으로 균일한 폭을 유지하지 못하였기 때문이라 사료된다. 3D 프린터를 이용하여 출력한 실험체의 외관과 흐름성 및 간극비는 Fig. 5와 같다.

4.3 3D 프린터된 실험체의 균일성 및 정확성

3D 프린터로 출력한 실험체의 촬영 이미지를 이용하여 적층 두께 균일성 및 정확성과 간극비 및 흐름성의 관계를 분석하였다. 적층 균일성은 X축과 Z축의 2종류 방향에 대한 특성을 분석하였고, 정확성은 이미지에서 획득한 모든 두께 데이터를 갖고서 산출하였다.