1. 서 론

미국항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)은 2016년에 개최한 3D-Printed Habitat Challenge Phase 2와 2018년에 개최한 Phase 3에서 재활용이 가능하고 우주에서 활용 가능한 결합재로 10가지의 이상의 폴리머를 제시하였다(^{NASA and Bradley, 2016}; ^{NASA and Bradley, 2018}). 본 연구진은 그중에서 가장 높은 점수를 부여하는 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)를 Phase 2에서 선택해서 대회에 참가하였고 Level 2에서 1위라는 성적을 거두었다(^{Porter, 2017}). Phase 2 우승팀인 The Foster + Partners | Branch Technology 팀은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(Polyethylene Terephthalate Glycol, PETG)를 사용하여 돔 형태의 구조물을 제작하였고(^{Prater et al., 2017}) Phase 3 우승팀인 AI. Space Factory 팀은 폴리락틱산(Poly Lactic Acid, PLA)를 사용하여 주거지 형태의 구조물(10 m²)을 완성하였다(^{Porter, 2019}).

NASA 경연대회에서 결합재로 제시한 폴리머 중에서 Phase2, 3 우승팀들이 사용한 폴리머들은 PE보다 상대적으로 수축이 작은 물질을 사용하였으나(^{Rogers, 2015}; ^{SpecialChem, 2019}) 반면에 본 연구진은 상대적으로 부여되는 점수는 높은 반면 수축성이 강한 재료를 사용한 문제점이 있었다. 일반적으로 3D 프린팅에서 폴리머 재료의 수축 문제를 해결하기 위해 프린팅 배드를 사용하거나 결합재 함량을 줄여 달 복제토와 폴리머를 파우더 형태에서 혼합해서 사출 실험을 해야 했으나 노즐 투입구에서 재료 막힘 현상이 발생하였고 사출이 일정치 않아서 펠렛 형태로 제작해서 사용하게 되었다.

그래서 본 연구에서는 PE 뿐 아니라 PLA, PETG를 결합재로 이용하여 구조물을 건설하기로 하였으며 3D 프린터를 활용한 사출 실험을 통해 수축율의 변화를 확인하였다. 또한, 지난 연구에서는 사출시스템의 최적화 연구를 위해 지난 연구에서는 노즐의 이동, 사출 속도가 아닌 노즐에 열을 공급하는 가열온도의 변화를 주면서 진행하였다면(^{Lee and Lee, 2019}) 본 연구에서는 가열온도, 이동속도, 사출속도를 고정하고 1)재료의 종류, 2)공법의 변화를 주면서 적층에 대한 연구를 진행하였다.

2. 연구 동향

화산 현무암을 기반으로 한 한국형 달 복제토 개발(Korea Hanyang Lunar Simulant-1, KOHLS-1) (^{Ko et al., 2009}; ^{Lee et al., 2018}) 및 사출노즐 연구를 통한 달 콘크리트 제작 등 현무암과 재활용 폴리머를 이용한 연구는 한국에서는 최초이며 3D 프린터에 사출 노즐을 접목시켜 연구를 현재 진행하고 있다. 또한, 현무암을 기반으로 재활용 폴리머를 혼합해 사용하는 기술은 NASA 3D- Printed Habitat Challenge 대회에서 본격적으로 시작 되었다. ^{Prater et al.(2017)}에 따르면 2015년부터 시행되어진 NASA 경연대회 목적은 자동화 적층기술과 신 재료 기술을 발전시키는 것에 있으며 행성표면의 거주지를 건설하기 위하여 현지 재료(indigenous material) 및 재활용 재료를 활용하는 것이었다. 따라서 현무암을 현지 재료와 유사하다고 고려하고 재활용 가능한 재료로써 폴리머 들을 제시하였다. 그 중 가장 점수 높은 것은 저밀도 폴리에틸렌(Low Density Polyethylene, LDPE) 및 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene, HDPE)이었다.

2.1 NASA 3D-Printed Habitat Challenge Phases 1 & 2

NASA 경연대회를 크게 3가지 Phase 1, 2, 3으로 나누어지며 Design, Structural Member, On-Site Habitat으로 구분되어진다. Phase 1에서는 우주거주지 디자인 대회를 개최하여 Team Space Exploration Architecture and Clouds Architecture Office 팀의 “화성 아이스 하우스(Mars Ice House)”가 최종 우승을 차지하였다. Phase2 에서는 공시체를 제작함으로써 압축강도와 휨 강도를 측정하는 대회였으며 Level 1, 3에서 Foster + Partners and Branch Technology가 1위를 차지하였고 Level 2에서 Fig. 1(c) 처럼 본 연구진이 제작한 빔 공시체의 휨강도가 미국재료시험협회(American Society for testing material, ASTM) C78 기준에 의거 14.9 MPa를 기록하며 Phase 2 Level 2에서 1위를 차지하였다(^{Lee and Lee, 2019}).

Fig. 1.

Results of NASA’s 3D-Printed Habitat Challenge Phases 1 & 2

Table 1에 Phase 2 Level l~3에서 요구하였던 대회기준과 공시체, 참가하였던 팀들을 나타내었다.

Table 1. Summary of the material technologies of NASA's 3D-Printed Habitat Challenge Phase 2 (^{Prater et al., 2017})

No	Team	Criteria	Specimen
Level 1	77 Teams	Truncated cone test < 15 % slump Minimum compressive load (425 kgf), ASTM C39 (quantity 3)
Level 2	MoonXConstruction	Minimum Flexural load (750 kgf), ASTM C78
	Form Forge of Oregon State University
	Foster+Partners | Branch Technology
	University of Alaska
	CTL Group Mars of Skokie
	ROBOCON of Singapore
Level 3	MoonXConstruction	When tested with 625 kgf load with a downward force, the upper direction of dome increased at an interval of 100 kgf for test
	Penn State
	Foster+Partners | Branch Technology

2.2 NASA’s 3D-Printed Habitat Challenge Phase 3

2018년에 시행된 Phase 3 우승팀인 AI Space Factory 사의 구조물(10 m²) 제작 전 Fig. 2(a)처럼 빔을 제작 휨강도 시험을 사전 실시하였고 40 KN, 77.7 KN, 84 KN을 기록하였다. 또한 Fig. 2(b)처럼 완성된 구조물의 직접 압축강도 시험을 실시하여 약 50,000 lb (22.7 ton)까지 무게까지 지탱하였다.

Fig. 2.

Results of NASA’s 3D-Printed Habitat Challenge Phase 3 of AI Space Factory

Fig. 3은 NASA 3D-Printed Habitat Challenge에 최종적으로 참가하였던 상위 2개 팀의 결과물이다.

Fig. 3.

Results of Structure in NASA’s 3D-Printed Habitat Challenge

3. 연구 방법

3.1 시험 재료

본 연구는 화산 현무암을 기반으로 하여 개발된 KOHLS-1 과 결합재 1) LDPE, 2) PLA, 3) PETG을 재료로 사용하였다. KOHLS-1과 결합재의 비율은 향후 재활용 비율과 압축강도 및 휨강도가 결합재 함량 40 %까지 증가함을 고려하여 제작하였는데 KOHLS-1은 달에서 채취한 Lunar soil 14163 일부를 토대로 화학조성과 입도분석을 통해 유사하게 제조된 것이다. LDPE는 롯데 케미칼에서 제작한 UR644를 PLA와 PETG는 에스케이 케미칼에서 제작한 SKY PLETE GE100, EN100을 사용하였다. KOHLS-1과 각각의 결합재를 6 : 4 비율로 혼합하여, 각각의 녹는점(127 °C, 180~230 °C, 200-240 °C)의 이상의 열을 가하여 제작된 표본은 일정한 크기로 끊어 내, 약 3 mm의 지름과 2 mm의 높이를 가지는 펠릿 형태(Fig. 4(b))로 제작하였고 이를 3D 프린터 재료로 사용하였다.

Fig. 4.

Materials used (a) KOHLS-1, (b) Pellet Form (Mixed LDPE, PLA, PETG)

3.2 3D 프린터

3D 프린팅 기술을 활용한 주거지 건설은 결합재의 비율과 노즐 이동속도와 모터 사출을 위한 모터 회전 속도를 고정하고 결합재의 종류(PE, PLA, PETG)에 따른 펠릿 제작을 통하여 사출실험을 통해 적층 가능성을 확인하는 것 이었다. 구조물 제작에는 국내 연구진이 개발한 갠트리 및 사출 노즐을 장착하여 NASA 대회에서 요구한 10 m² 구조물을 제작하였으며 X, Y, Z 3축으로 구성된 갠트리의 크기는 4 × 4.5 × 4 m이었다. 또한 사출 시스템, 재료 건조시스템, 재료이송시스템으로 구성되어 있고 무인 자동화 건설을 위하여 재료 이송부터 사출까지 자동화 시스템을 구축하였다. 실험환경은 대기조건에서 진행되었고 재료는 펠렛 타입의 KOHLS-1과 각각의 결합재가 혼합된 것을 사용하였다.

3.3 구조물 제작

본 연구에서 출력하고자 하는 구조물의 목표 크기인 지름 3 m 높이 2 m의 이상의 원기둥 구조물은 NASA’s 3d-Printed Habitat challenge Phase 3 대회에서 최종적으로 제시한 결과물이다. 구조물 검증을 위하여 기본적으로 압축강도를 통한 기초 성능과 폴리머의 열 변형으로 인한 수축성을 고려하여 적층 가능성을 확인하였다. 압축강도 시험은 50 × 50 × 50 mm 모르타르 형태의 시편을 제작하여 ASTM C109에 따라 실험을 진행하였으며(^{ASTM, 2008}) 폴리머의 열 변형으로 인한 수축성을 고려하여 일반적인 3D 프린터에 폴리머의 열 수축 문제점을 해결하기 위해 사용되고 있는 프린팅 배드를 사용하지 않고 Fig. 5처럼 길이 1 m 이상의 직선 형태와 지름 3 m로 단층, 공시체로 제작하면서 건식 달 콘크리트가 건설용 3D 프린팅의 재료로써의 가능성을 확인하였다.

Fig. 5.

View of Shrinkage Test

4. 시험결과 및 분석

결합재로 PE, PLA, PETG를 이용한 50 × 50 × 50 mm 크기의 모르타르 공시체 제작을 통해 압축 강도성능을 비교함에 따라 각각의 압축강도는 일반적인 콘크리트의 압축강도 기준을 충족 시켰다(^{The Constructor, 2019}). 또한, 최종 PTEG를 선택하고 달 복제토와 PETG 6 : 4 비율로 이동속도 1.5 cm/s 사출속도 12 RPM, 결합재의 녹는점을 고려하여 노즐에 열을 공급하는 5개의 밴드히터를 이용하여 220 °C에서 280 °C까지 히터 위치에 따라 열을 공급하여 Fig. 6처럼 지름 3 m 높이 2 m 크기의 구조물을 완성하였다.

Fig. 6.

Structure

4.1 3D 프린팅을 위한 결합재 비율의 한계점

본 연구에서 사용 된 PE 결합재 비율 40 %로 제작된 3D 프린팅 재료는 NASA 대회에서 명시한 주거지 제작을 위한 3D 프린팅 재료로써 한계성을 나타내었다. 특히 열가소성 폴리머는 열을 가하고 냉각될 때 구조적 변형이 일어남을 확인하였으며 상온에서 냉각되면서 나타나는 수축성을 확인하였다. 그러나 본 연구진은 결합재로 PETG 40 % 비율을 이용하여 구조물을 완성하였고 결합재로 PE를 사용했을 때 발생하였던 수축의 문제점을 최소화하였다. 결합재 40 %이하의 비율은 펠렛 제작비용 1 kg 당 15000원의 고비용 및 KOHLS-1과 각각의 폴리머의 배합과 대량생산의 어려움으로 40 %로 제작하였다.

Figs. 7(a)~7(c)처럼 수축하거나 균열이 발생하는 현상이 발생하였는데 Fig. 7(a)의 경우 양 끝단이 최대 90 mm까지 수축하면서 공시체의 휨 현상이 발생하였다. Figs. 7(b) and 7(c)의 경우에는 바닥에서 20~30 mm 수축하면서 출력물 끝단에 휨 현상이 발생했으며 추가로 PLA의 경우에는 Fig. 7(b)처럼 균열도 발생하여서 PETG를 3D 프린팅 재료의 결합재로서 최종 선정하였다. 또한, 각각의 결합재를 이용하여 지름 3 m 원을 한 사출하면서 적층 가능성을 확인하였다.

Fig. 7.

Shrinkage of Each Feedstock

4.2 구조물 제작을 위한 개선 방안

구조물 제작을 위하여 사용된 개선 방안은 출력물의 적층 높이 변화를 5 mm에서 8 mm까지 변화를 가하면서 총 12회 출력하여 거주지 제작을 위한 실험을 Table 2와 같이 진행하였다. 재료가 사출되는 노즐 하단부터 적층되는 구조물 상단의 거리를 5 mm로 하였을 경우 사출 적층되는 구조물 1층의 폭이 최소 61 mm에서 최대 70 mm의 분포를 나타내었다. 5 mm에서 6 mm로 변화를 주었을 때 최소 21 mm에서 최대 50 mm를 나타내었다. 6 mm에서 7 mm로 변화를 주었을 때 최소 31 mm에서 42 mm 변화를 나타내었으며 8 mm일 때 9.4 mm에서 26 mm의 분포를 나타내었다.

Table 2. Additive Manufacturing According to the Extruding Method

No	Level	Width		No	Level	Width
1	5 mm			3	7 mm
		70 mm	61 mm			31 mm	42 mm
2	6 mm			4	8 mm
		21 mm	50 mm			9.4 mm	26 mm

5 mm 사출 후 Fig. 8(a) 처럼 사출 물이 흐르는 현상이 발생하였다, Fig. 8(b)에서는 사출 되서 적층되는 폭의 차이를 나타내었으며 Figs. 8(c) and 8(d)는 7 mm와 안정적으로 쌓이는 그림을 나타낸다.

Fig. 8.

Details from Additive Manufacturing

5. 결 론

본 연구는 NASA 대회에서 요구한 10 m² 이내 구조물을 제작하고 적합한 결합재를 찾기 위해 진행되었다. 펠릿 형태의 복합된 재료를 이용하여 1 m 이상의 직선으로 재료의 수축율을 확인하였고, 지름 3 m의 원을 사출하면서 건설재료로서의 가능성을 검토 하였지만 결합재 비율 40 %는 3가지 재료 모두 수축으로 휨 발생 및 균열 현상이 발생하였다. 하지만 재료 가공의 어려움과 고비용으로 인하여 결합재 비율 40 %로 수축이 적게 발생하고 균열이 발생하지 않은 PETG를 선택하여 적층공법의 변화를 주면서 수축의 문제점을 해결 하였으며 프로토타입 형태의 달 ‧ 화성 거주지를 프린팅 하였다. 제작된 구조물은 NASA 경연 대회에서 요구했던 달 화성 건설 기술의 TRL 6까지 달성을 의미하여 공법으로 재료의 수축을 감소시키는 프린팅 배드를 사용하지 않고 사전 실험에서 확인하였던 폴리머 재료의 수축 문제점을 해결 한 것에 의의가 있다. 그러나 NASA 경연대회에서 제시 한 10 m²의 거주지 출력을 위해서는 공법의 다양성과, 노즐이동 속도의 향상으로 인한 제작 시간의 단축 등의 추가 작업과 일정한 재료 자동 공급 등의 개선 작업이 필요하다.

폴리머 결합재를 사용하여 구조물을 제작하거나 건식 달 콘크리트를 제작하는 연구는 우주에서 뿐만 아니라 지구에서도 적용 가능한 기술이다. 재활용 폴리머 기술은 전 세계 플라스틱 쓰레기 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 기존 3D 프린팅 산업의 기본적인 조형물을 제작하는 단계에서 건설용 재료로도 적용할 수 있다. 재활용과 4차 산업 요소 중 하나인 3D Printer를 접목해 성능분석 및 공법에 대한 연구, 제작 시간의 최적화가 진행된다면 건설 산업의 새로운 시너지 효과를 창출할 것으로 기대한다.