2.1 사용재료

3D 프린팅용 모르타르를 출력하기 위해 사용한 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC), 플라이애시(Fly Ash, 이하 FA)와 에틸렌비닐클로라이드(Etylene- vinyl Chloride, 이하 EVCL)를 배합하여 사용하였다. FA는 포졸란 반응으로 시멘트 복합체의 구조가 치밀하여 내구성이 우수하며 구상의 입자 간 볼베어링 효과에 의해 유동성을 개선하는 재료이다. EVCL은 에틸렌에 비닐콜로라이드가 결합된 시멘트 혼화용 폴리머로서 난연성 뿐만 아니라 시멘트 수화물과 폴리머 필름이 상호 간에 형성됨에 따라 내구성을 증대시키며 모르타르는 굵은 골재를 배합하지 않기 때문에 취약한 건조수축 저항성, 내화학성 등의 내구성능을 보완해줄 수 있는 재료이다(Song and Shin., 2018). 3D 프린팅용 모르타르 결합재의 물리적 특성 및 기본배합은 Table 1과 같다.

사용 잔골재로는 출력 표면의 조도를 고려하여 규사 8호(Silica Sand NO.8, 이하 SS)를 사용하였으며 혼화제로는 메틸셀룰로오스계 증점제(Thickener, 이하 Ad)를 사용하였다. 굳지 않은 시멘트 복합체에 증점제를 적절히 사용할 경우 점도, 전단응력이 향상되어 적층성을 개선하고 연속출력 시 노즐에서 출력되는 필라멘트(filament) 형상의 재료의 표면에서 갈라짐이나 이형의 주름을 방지하는 효과를 가진다. 반면, 과용할 경우 출력성이 저하되기 때문에 배합, 출력환경에 따라 유동성을 평가하여 사용량을 결정해야 한다. 3D 프린팅 시멘트 복합체용 규사와 혼화제의 물리적 특성은 Table 2와 같다.

2.2 시험방법

3D 프린팅용 시멘트 복합체의 배합에 따른 특성을 고찰하기 위해 굳지 않은 상태에서의 평가와 굳은 상태에서의 평가로 나누어 진행하였으며 최종적으로 3D 프린터를 통해 출력한 출력물을 평가하였다. 굳지 않은 상태에서는 3D 프린팅 적층성 및 출력성을 평가하기 위해 유동성을 측정하는 모르타르 흐름시험과 적층 시 재료가 부담하는 자중을 측정하기 위한 밀도시험을 진행하였으며 굳은 상태에서는 출력물의 출력강도를 간접적으로 평가하기 위해 시험체를 제작하여 압축강도를 평가하였다.

2.2.1 흐름시험

3D 프린팅용 모르타르의 흐름시험은 KS L 5105, KS L ISO 679를 준용하여 실시하였다. 사전 시험 시 배합요인에 의한 유동성의 변동이 크게 나타나 시험자, 시험환경에 따른 오차를 최소화하기 위해 배합 절차와 시간을 고정하여 시험을 수행하였다. 특히, 밀도와 입경이 다른 결합재의 분산성을 고려하기 위해 기존 모르타르의 건비빔 시간을 크게 늘렸으며 분말형 혼화제인 증점제는 물과 반응하여 겔(gel)형상으로 변화하여 서로 응집하는 현상 때문에 배합수를 혼입하기 전에 첨가하였다. 습비빔의 경우 표준 모르타르 배합보다 배합수의 양이 적고 표준사보다 입경이 작은 규사를 사용하기 때문에 장시간 혼합할 경우 유동성이 저하될 우려가 있다. 그러나, 습비빔을 충분히 하지 않았을 경우 유동성이 제대로 발현되지 않기 때문에 혼합이 진행 중인 반죽 움직임을 확인하며 배합하였다. 모르타르 흐름값은 흐름 테이블을 이용하여 모르타르를 12.7 mm 높이에서 15초간 25회의 속도로 낙하한 후 서로 다른 방향의 직경을 4회 측정하였다.

2.2.2 밀도시험

시멘트 복합체의 밀도는 굳지 않은 상태에서와 굳은 상태에서의 밀도를 측정하였다. 굳지 않은 상태에서의 밀도는 EN 1015-6 규격을 참조하였으며 질량을 알고 있는 용기와 온도를 유지하여 밀도를 알고 있는 물의 질량을 통해 용기의 부피를 계산한 후 측정한 모르타르 질량에 나누어 밀도를 구하였다. 용기에 모르타르를 다짐하는 방법은 EN 규격을 참조하여 모르타르 흐름값 범위에 따라 Table 3에 나타냈다. 모르타르 흐름값의 범위는 EN 1015-3을 통해 측정한 값으로서 KS 시험과 방법은 같다. 그러나, 시험조건인 낙하거리, 15초간 낙하횟수, 흐름 테이블의 중량이 다르다. 따라서, KS시험 조건에 비해 EN 규격이 더 낮은 모르타르 흐름값을 나타내는 조건인 것을 고려하여 소성 모르타르(plastic mortar) 조건에 맞는 다짐 방법을 사용하였다. 굳은 상태에서의 밀도는 모르타르 시험체를 28일간 25℃, 90%의 28일간 양생한 후 수중무게, 표면 건조 포화 무게, 절대건조 무게를 측정한 후 절대건조 밀도를 계산하였다.

2.2.3 압축강도 시험

시멘트 복합체 3D 프린팅 출력물의 강도는 사전시험을 통몰드 제작 대비 70 %의 압축강도를 나타낸 것을 확인했으나 모델링 시 빈 공간의 채움조건에 따라 강도가 달라지기 때문에 출력성을 가늠할 수 없는 상태의 강도특성을 간접적으로 알아보기 위해 KS L 5105를 준용하여 시험을 수행하였으며 두 상태의 강도 상관성은 향후 검토가 필요하다. 시험체의 제작은 50×50×50 mm 정육면체 몰드에 모르타르를 타설한 후 층당 16회씩 총 32회 다짐하여 제작했다. 3D 프린팅용 시멘트 복합체의 점도가 높을수록 다짐 시 내부에 공기가 침입하여 공극이 발생할 수 있으므로 충분히 다짐하고 몰드 밑면에 충격을 주어 모르타르가 공극을 채우도록 했다. 압축강도의 측정은 하중제어 방법으로 수행하였으며 0.6±0.4 MPa/sec의 속도로 측정하였다.

4.1 배합 모르타르 흐름값

재료배합에 의한 3D 프린팅용 시멘트 복합체 모르타르 흐름 특성을 알아보기 위해 B/W, SS/B, Ad/B에 따라 흐름특성을 분석하였으며 각 재료의 배합범위에 따른 측정결과는 Fig. 2, Fig. 3및 Fig. 4와 같다.

Fig. 2. W/B vs. Flow of mortar for 3D printing

Fig. 3. SS/B vs. Flow of mortar for 3D printing

Fig. 4. Ad/B vs. Flow of mortar for 3D printing

3D 프린팅용 시멘트 복합체 모르타르의 흐름값은 W/B가 감소할수록, SS/B, Ad/B가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. W/B에 의한 흐름값 경향을 알아보기 위해 W/B의 범위 50~35 %, SS/B, Ad/B는 각각 100 %, 0.1 %로 설계하여 시험을 수행하였으며 흐름값은 W/B가 증가할수록 평균 최소 101.5 mm에서 181.5 mm까지 증가하는 경향을 나타냈다. W/B 50 ~ 40 %까지 흐름값이 서서히 감소하였으나 37.5 % 부근에서 급격히 저하되어 흐름판 낙하에 의한 자연스러운 흐름값 증가가 아닌 표면이 갈라짐에 따라 무너지는 형상을 나타내기 시작하였다. 이는 W/B가 감소할 경우 모르타르 내에서 재료 간 윤활작용을 담당하는 자유수가 감소하여 입상재료 간 유동성이 저하되고 흐름값도 감소하는 것으로 판단된다. SS/B에 의한 흐름값 경향을 알아보기 위해 SS/B의 범위 70~130 %, W/B, Ad/B는 각각 50 %, 0.1 %로 설계하여 시험을 수행하였으며 SS/B가 증가할수록 흐름값은 평균 최대 216.45 mm에서 154.99 mm 까지 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 SS/B가 증가할 경우 모르타르 내 자유수에 의한 윤활능력에 비해 입상재료의 마찰면이 증가하기 때문에 흐름값이 감소하는 것으로 판단된다. Ad/B에 의한 흐름값 경향을 알아보기 위해 Ad/B 범위 0.1~0.4 %, W/B, SS/B는 각각 50 %, 100 %로 설계하여 시험을 수행하였으며 Ad/B가 증가할수록 흐름값 평균은 181.46 mm에서 158.03 mm까지 감소하는 경향을 나타냈다. Ad/B가 증가할수록 혼화제로 사용한 증점제의 효과로 인해 흐름값이 다소 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 입상재료와 자유수 간의 윤활 및 마찰에 의한 물리적 현상에 직접 작용하기보다 모르타르의 점성, 전단응력과 같은 흘러내림에 대한 저항성을 근본적으로 증가시키기 때문으로 판단된다.

4.2 배합 모르타르의 밀도

재료배합에 의한 3D 프린팅용 모르타르 밀도 특성을 알아보기 위해 B/W, SS/B, Ad/B에 따라 굳지 않은 상태에서의 밀도와 굳은 상태에서의 밀도 특성을 분석하였으며 각 재료에 의한 배합범위는 모르타르 흐름값 시험과 동일하게 진행하였다. 모르타르 밀도의 측정결과는 Fig. 5, Fig. 6및 Fig. 7과 같다.

Fig. 5. W/B vs. Density of mortar for 3D printing

Fig. 6. SS/B vs. Density of mortar for 3D printing

Fig. 7. Ad/B vs. Density of mortar for 3D printing

밀도는 W/B가 감소할수록 증가하였으며 SS/B는 일정 수준까지 증가한 이후 다시 감소하는 경향을 나타냈다. Ad/B는 증가할수록 밀도가 감소하는 경향을 보였다. W/B가 증가할수록 굳지 않은 상태의 밀도는 최대 1.88 g/cm$^3$에서 1.78 g/cm$^3$, 굳은 상태의 밀도는 최대 1.79 g/cm$^3$ 에서 1.59 g/cm$^3$ 까지 감소하는 것으로 나타나 두 상태의 밀도 모두 감소하는 경향을 나타냈으며 두 상태 간 밀도 차이는 W/B가 증가할수록 증가하였다. 이는 W/B가 감소할 경우 가장 큰 밀도를 가지고 있는 결합재가 페이스트의 형태로 동일한 체적에 가장 많이 혼입되어 밀도가 증가하고 수화반응을 일으키는 반응수를 제외한 나머지 자유수가 증발함에 따라 상태 간 밀도차가 가장 크게 나는 것으로 판단된다. SS/B가 증가할수록 굳지 않은 상태의 밀도는 최대 1.79 g/cm$^3$에서 1.73 g/cm$^3$, 굳은 상태의 밀도는 최대 1.57 g/cm$^3$에서 1.49 g/cm$^3$ 까지 감소하는 것으로 나타나 두 상태의 밀도 모두 일정 SS/B까지 증가하다 감소하는 경향을 나타냈으며 두 상태 간의 밀도 차이는 SS/B 증가할수록 감소하였다. 이는 SS/B가 증가할 경우 간극에 페이스트가 치밀하게 채워지기 때문에 밀도가 증가하지만 SS/B가 과도하게 높아지는 경우 모르타르 내 간극을 페이스트가 채우지 못하고 동일 체적당 밀도가 가벼운 규사로 채워짐에 따라 전체적인 밀도가 감소하고 페이스트가 차지하는 용적을 감소시키기 때문에 밀도차도 감소하는 것으로 판단된다. Ad/B가 증가할수록 굳지 않은 상태의 밀도는 최대 1.79 g/cm$^3$에서 1.62 g/cm$^3$, 굳은 상태의 밀도는 최대 1.57 g/cm$^3$ 에서 1.41 g/cm$^3$ 로 나타나 두 상태의 밀도 모두 감소하는 경향을 나타냈으며 두 상태 간의 밀도 차이는 Ad/B가 증가할수록 증가하였다. 이는 혼화제로 사용한 메틸셀룰로오스계 증점제의 친수성과 소수성의 차이에 의해 기포가 발생하여 밀도가 감소한 것으로 판단된다.

4.3 배합 모르타르의 압축 강도

재료배합에 의한 3D 프린팅용 모르타르 강도 특성을 알아보기 위해 B/W, SS/B, Ad/B에 따라 압축강도를 측정하여 강도 특성을 분석하였으며 각 재료에 의한 배합범위는 흐름값 시험과 동일하게 진행하였다. 모르타르의 재령별 압축강도 측정결과는 Table 5와 같다.

압축강도는 모든 재령에서 W/B가 감소할수록 증가하고 SS/B와 Ad/B가 증가할수록 감소하였다. 모든 재령에서 W/B가 증가할수록 압축강도는 감소하였으며 28일 재령 압축강도는 최대 41.92 MPa로 측정되었다. W/B 42.5 % 이상에서 압축강도가 큰 폭으로 감소하는 경향을 나타냈으며 이는 시멘트계열의 재료가 수화반응을 일으키기 위해 요구하는 반응수의 양이 적기 때문에 충분한 강도를 발현할 수 있으나 결합수 중 반응하고 남은 자유수가 전체 조직에 분포하여 모르타르 내 결합력이 감소하기 때문으로 판단된다. SS/B가 증가할수록 압축강도는 증가하다 다시 감소하는 경향을 나타냈다. 28일 재령을 기준으로 한 압축강도는 SS/B 80 % 에서 최대 29.10 MPa로 측정되었으나 SS/B 100 % 까지 큰 차이가 없었으며 SS/B 110 %에서 큰 폭으로 감소한 것으로 나타났다. 이는 SS/B가 필요 이상으로 증가할 경우 수화반응으로 조직이 치밀해지는 과정에서 체적당 결합수가 감소하여 수화반응에 필요한 반응수의 양도 감소했기 때문으로 판단된다. Ad/B가 증가할수록 압축강도는 28일 재령 압축강도는 29.13 MPa에서 22.80 MPa으로 감소 감소하였으며 이는 혼화제로 사용한 메틸셀룰로오스계 증점제의 친수성과 소수성의 차이에 의해 기포가 발생하여 강도가 감소한 것으로 판단된다.

4.4 간극비에 따른 재료적 특성 및 최적배합 범위

각 재료의 비율인 W/B, SS/B, Ad/B에 의한 모르타르 흐름값, 밀도, 강도는 서로가 복합적으로 작용하여 재료적 특성을 반영하기 때문에 많은 시험배합을 통해 출력 가능한 배합의 범위를 찾아야 한다. 따라서, 재료적 특성을 공통으로 제어하는 단일지표가 필요하다. 이 연구에서는 3D 프린팅용 시멘트 복합체 모르타르의 간극비를 단일지표로 선정하여 각 물리적 특성을 비교한 후 3D 프린팅 가능한 실제 출력범위를 설계하였다. 목표한 출력 및 성능을 만족하는 범위는 Fig. 8과 같이 실제 프린팅을 통해 산정하였다. 여기서 Ad/B에 의한 배합은 3D 프린팅용 모르타르를 직접 구성하는 재료가 아니므로 재료 체적비에 의한 간극비 $u$를 반영할 수 없어 제외하였으며 식(1), 식(2) 및 식(3)을 이용하여 계산한 간극비 $u$는 Table 6과 같다.

Fig. 8. 3D printing specimens by mix designs

3D 프린팅이 가능한 W/B 기준 배합범위는 W/B 40~50 %, SS/B 100 %, Ad/B 0.1 %, SS/B 기준 배합범위는 W/B 50%, SS/B 100~110%, Ad/B 0.1 %로 나타났다. W/B의 경우 출력성에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며 W/B 50 % 이상에서는 출력성이 확보되었으나 적층성이 확보되지 않았으며 40 % 이하에서는 출력이 되지 않아 출력성 및 적층성을 확인할 수 없었다. SS/B의 경우 100% 이하에서 출력성은 양호하였으나 건조수축 등의 문제가 발생하였으며 110% 이상에서는 적층성이 불균일한 것으로 나타났다.

출력 배합범위를 나타낸 간극비 $u$와 각 물성 간 상관관계는 Fig. 9, Fig. 10및 Fig. 11과 같다. 배합 재료비에 의한 3D 프린팅용 모르타르의 간극비 $u$와 모르타르 흐름값, 굳지 않은 상태 및 굳은 상태의 밀도, 재령별 압축강도는 대부분 높은 상관성을 가지는 것으로 나타났으며 특히 굳지 않은 상태에서의 물성과 간극비와의 관계는 결정계수가 0.8 이상으로 나타났다. 반면, 굳은 상태에서의 물성인 압축강도와의 상관관계는 상대적으로 낮았으나 재령이 낮을수록 높은 상관관계를 나타냈다. 특히 가장 큰 재령별 강도 편차를 나타내는 SS/B 120~130 %에서는 간극비에 의한 모르타르 강도 경향성을 제대로 반영하지 못하는 것으로 나타났다. 이는 재령이 증가할수록 강도가 증가함에 따라 재령 간 강도 차이가 증가하여 요소별 편차 커지면서 경향성을 벗어나는 측정값 때문이며 굳지 않은 상태에서 계산한 간극비가 비교적 동일상태의 재료적 특성을 잘 반영하였으나 굳은 상태의 특성은 SS/B가 110 %일 때까지 경향성을 유지하나 그 이상일 때 수화반응에 의한 간극비의 변화를 반영하지 못한 것으로 판단된다.

Fig. 9. Void ratio vs. Flow of mortar for 3D printing

Fig. 10. Void ratio vs. Density of mortar for 3D printing

Fig. 11. Void ratio vs. strength of mortar for 3D printing

4.5 간극비 범위에 따른 출력성 검토

시험에 의해 3D 프린터로 출력이 가능한 모르타르 배합에 따른 간극비 $u$는 0.6~0.7의 범위인 것으로 나타났다. 이를 검증하기 위해 다음 Table 7과 같은 배합을 설계하여 출력성과 적층성을 실험적으로 평가하였다. 설계한 배합의 간극비 $u$는 출력 가능 예상범위인 0.6~0.7 내에 있도록 하였다. 시험 결과, Fig. 12와 같이 설계 형상인 중공 원주 형태로 압출 노즐직경 5 mm에서 15층이 출력되는 양호한 결과를 얻었다. 현 시점에서 외장재 형상을 및 크기를 고려한 적층높이는 60 mm로 확인하였으나 하부변형이 뚜렷하게 발생하지 않은 점을 고려할 때 그 이상도 가능할 것으로 판단된다. 그러나, 적층높이를 개선하기 위해서는 모르타르의 출력성이 시간에 따라 저하되기 때문에 실시간으로 배합 후 출력할 수 있도록 현 장비의 개선이 필요한 실정으로 추가적인 연구가 필요하다. 이 모르타르의 간극비 $u$는 0.634로 설계한 간극비 범위 0.6~0.7 내에 있어 적절한 출력성과 적층성을 확보하고 있음을 알 수 있다. 그러나 3D 프린팅 중에 필라멘트 형상이 부분적으로 끊기고, 기포가 발생하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 증점제, 소포제 등을 배합에 적용하는 추가적인 성능개선 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 12. Result of 3D Printing Test