2.1 건축 적층제조 적용소재

시멘트 기반의 건축소재는 시간에 따라 기계적 특성이 변화한다. ^{Roussel(2018)}에 의하면, 이러한 변화는 시멘트입자 간의 수화반응으로 인해 입자가 점차커지는 현상으로 설명할 수 있다. 적층제조과정에서 수화반응 및 강도변화는 층간접합강도와 형상유지의 적합성을 평가할 수 있는 범위를 예측하기 위해 활용될 수 있다. 특히 적층모드의 변화^{(Park et al., 2020)} 및 ^Suiker(2018) 좌굴현상예측은 건축제품의 적층 시공과정에서 사고 및 비용낭비를 예방하기 위해, 예측되고 제어되어야한다. 본 연구에서는 ^{Lee et al.(2019)}에 의해 기계적 특성이 설계된 모르타르 소재를 적용하여 실험을 진행한다.

2.2 건축 적층제조시스템

적층시공을 위한 갠트리(Gantry) 장비는 Fig. 1과 같이 10 × 10 × 3 m3 작업공간을 갖고 랙-피니언(Rack-Pinion) 방식으로(KITECH and Gudel, Korea)구성되었다. 구동부에 적용된 주요부품은 대형의 공간에서 0.08 mm의 반복위치정밀도를 갖고 있어, 적층과정에서 발생 가능한 위치 및 치수오차를 최소화 할 수 있다. 구체적인 설계사양은 250 kgf의 수직방향의 하중조건에서 최대 1000 mm/s2의 가속도와 400 mm/s 등속이송속도를 견딜 수 있다.

믹서로 혼합된 모르타르는 Fig. 2(a)와 같이 오거펌프(auger pump)와 호스를 통해 25 mm 노즐로 압출된다. 오거펌프는 최대 25 bar의 압력으로 토출이 가능하며, 수평 150 m 수직 70 m 의 이송이 가능하다. 압출된 소재는 60초 동안 무게를 측정하고, 단위시간당 압출무게(Vextrusion, kg/s)로 환산된다. 압출 적층된 형상물은 사각형의(형상물의 폭: width, 두께: thickness, 단위길이: length) 단면으로 단순화하고, 확인된 압출무게와 밀도를 환산하여 요구형상물의 사각형 단면을 만족할 수 있도록 갠트리 장비의 압출 이송속도(vtraveling, mm/s)로 Eq. (1) 계산된다.

Fig. 2(b)와 같은 계측장비가 작업표면(Build surface)의 표면 정보를 취득하여 평가한다. 또한 압출 형성된 형상물의 단면을 측정하기 위해 압출기 끝단에 부착되어 형상물의 정량적인 데이터를 취득한다(laser triangulation, TrispectorP1030, SICK, Germany). 계측장비는 데이터 취득과정의 신뢰성을 향상하기 위해 연마된 계측장비표면을 기준으로 레이저 수평기를 이용하여 중력방향에 수직하도록 설치했다. 상세한 사양은 Table 1과 같이 확인할 수 있으며, 계측진행방향(Longitudinal direction)의 정밀도는 센서(sensor)의 측정주기(Scan rate)와 이송속도를 조정하여 조절될 수 있다. 본 연구에서는 데이터 처리와 형상물의 정밀도를 확인가능한 정밀도가 선정되었다. 진행방향으로50 mm, 수직방향으로 0.04 mm, 가로방향으로 0.215 mm의 정밀도를 갖는다.

Fig. 1. Gantry System for Construction Scale Material Extrusion Additive Manufacturing

Fig. 2. (a) Extrusion System, (b) Inspection System (Laser Triangulation)

3.1 작업표면 평탄도

갠트리 장비의 제한된 적층 공간(Build volume)내에서 작업표면과 장비의 X-Y평면사이 높이편차분포를 계측장비를 통해 측정하였다. Fig. 3은 계측결과로, 최고점(a-1)을 기준으로 작업표면 최저점과 44.64 mm의 높이 차이를 갖고 있다. 확인된 높이편차는 경험적으로 최적화된 적층두께(thickness) 10 mm를 적용할 경우, 부적합한 적층형상을 예상할 수 있다. 특히, 압출볼륨이 부족하여 형상물구현과정에 불가하다. 이러한 문제를 해소하기 위해 형상물의 폭(width)을 60 mm로 지정하고, Eq. (1)에 의해 높이 편차별 갠트리 장비의 이송속도를 조정한 적층경로설계가 요구된다.

Fig. 3. Build Surface Scanning Result

3.2 적층경로형성방법 및 적용 결과

높이편차를 극복하기 위한 적층경로를 생성하기 위해, 갠트리 장비와 작업표면평탄도 데이터를 기반으로 Fig. 4와 같은 알고리즘을 적용했다. 제한된 갠트리 장비의 가속도(ag, 400 mm/s2)를 적용하여 생성된 적층경로 Fig. 4(a)에서 높이편차 변화에 따른 등속이송속도구현을 위해 형성되는 가/감속도의 적합을 판단하는 방법을 적용했다. 적층경로와 시공바닥면의 높이편차를 Fig. 4(a-1)와 같이 추출하고, 최대이송속도와 관련된 저주파 주기를 감소시켜 Fig. 4(a-2)와 같이 표현된다. 또한, 저주파의 추세가 제거된 Fig. 4(a-2) 값에는 이송속도 구현을 위한 가속도의 분포가 확인되며, 가속도분포가 ag의 범위 내에서 만족할 수 있도록, 그래프 평활을 적용했다. 결과적으로 측정값 Fig. 4(a-1)에 적용된 평활화변수를 적용하여 갠트리 장비의 이송속도구현 가능하도록 Fig. 4(a-3)와 같은 높이편차를 확보했다. 확인된 높이편차는 형상물의 폭과 함께 Eq. (1)에 적용되어 Fig. 4(a-4)와 같이 갠트리 장비의 이송속도 분포로 계산되어, 적층제조경로를 형성한다.

Fig. 4. (a) Build Surface Flattening Tool-Path, (a-1), (a-2), (a-3), (a-4) Process and Results of Flattening Tool-Path Generation

3.3 적층형성결과

앞서 설계된 적층경로를 적용하여, 시공 바닥면에 평탄한 층을 형성한 결과 Fig. 5와 같이 3가지 대표적인 형상을(a-1), (a-2), (a-3) 확인했다. 특히, 앞선 Fig. 4 과정에 의해 높이편차가 적층높이(10 mm)보다 낮아지고(a-1), 적층높이보다 2배 이상 확인되는 구간(a-3)에서 부적합형상이 도드라지게 확인된다.

Fig. 5. (a) Layered Features, (a-1) Torn Boundary Feature, (a-2) Well-Formed Feature, (a-3) Convex-Surface Feature

각 대표형상의 분류를 위한 기준을 생성하기 위해 평탄영역과 형상의 최외각 폭의 비율을 취득된 데이터로부터 추출했다. 확인된 데이터들은 Fig. 6과 같이 적층두께와 함께 경향을 확인할 수 있다. 높이편차가 클수록 평탄면을 형성하는 비율이 떨어지는 것을 확인할 수 있었으며, 17 mm이상의 높이편차부터는 적층형상물의 50 %이하 평탄표면이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 편차가20 mm 이상일 경우, 30 % 이하의 비율을 확인했다. 이러한 결과는 충분한 강도를 갖지 못하는 모르타르가 중력에 의해 형상이 변화하고, 적층 모드변경이 발생하는 것을 나타낸다.

Fig. 6. Flat Surface Ratio Result

적층형상의 평탄표면 평균높이를 Fig. 7(a-2)와 같이 확인할 수 있다. 작업표면(a-1)과 적층표면(a-2)의 높이표준편차를 확인한 결과, 작업표면(a-1)의 경우 약 19.15 mm를 갖고 있으나, 적층표면(a-2)은 약 0.45 mm의 값을 확인할 수 있다. 하지만, 적층표면의 높이편차가 큰 구간 Fig. 7(a-3)에서는 전체적층표면의 높이표준편차보다 높은4.13 mm의 표준편차를 확인했다. 이러한 결과는 적층형상물의 변형과 관련하여, 형상물의 단면적 증가에 따른 수화시간증가^{(Wolfs et al., 2018)}및 강도 감소로 발생한 현상으로 예상할 수 있다.

Fig. 7. Surface Height Distribution Results

3.4 적층 건전성을 위한 분할 적층경로 형성방법

Fig. 8에는 앞서 확인된 실험결과들을 통해 낮은 표면평탄을 갖는 시공바닥표면에 적층제조를 위한 적층경로 형성전략을 제안했다. Fig. 8(a)와 같은 흐름으로 적층 경로는 시공표면의 높이편차가 적층두께 보다 낮은 가용범위에서 단일의 경로로 생성된다. 하지만, 시공바닥표면의 낮은 평탄으로 인해, 적층높이보다 큰 편차가 확인될 경우, 앞서 Fig. 6과 같이 실험으로 확인된 허용높이를(Fig. 8(a-1)) 기준으로 Fig. 8(b)와 같이 분할된 적층경로를 형성하는 흐름을 갖고 있다. Fig. 8(b-1), 8(b-2), 8(b-3)과 같이 적용결과는 앞서 확인한 17 mm를 기준(평탄표면 50 % 이하)으로 확인된 시공표면의 최대 높이 편차(44.64 mm)를 보상하기 위해 총 3개의 분할된 레이어가 형성했다. 제안된 방법은 국부적인 영역에서 발생한 높이편차를 보상하기 위해, 적층경로를 형성하는 방법으로, 시공표면의 낮은 평탄을 극복하여 치수 정합도가 높은 벽체를 적층 제조할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 8. (a) Flow Chart of Layer Dividing, (a-1) Build Surface Height, (b) Tool-Path Split Loop, (b-1), (b-2), (b-3) Tool-Path Division Results