2.1 사용재료

건설용 ME 방식 3D 프린터를 사용하여 시멘트 복합체를 출력하기 위해 사용한 재료는 결합재, 혼화재, 골재, 혼화제로 구분할 수 있다. 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC), 플라이애시(Fly Ash, 이하 FA)이며 물성은 Table 1과 같다.

혼화재로는 에틸렌비닐클로라이드 (Etylene-vinyl Chloride, 이하 EVCL)을 혼합하였다. EVCL은 시멘트 혼화용 폴리머로서 시멘트 수화물과 폴리머가 상호 간 반응하여 필름을 형성함에 따라 내구성이 증대되는 효과를 가지고 있다. ^{(Song and Shin., 2018)}. EVCL 의 물성은 Table 2와 같다.

골재는 규사 7호사와 8호사를 사용하였으며 혼화제는 증점제(Thickener)와 공기연행제(Air Entraining Agent), 소포제(Air Draining Agent) 를 사용하였다. 증점제를 제외한 혼화제는 ME 방식 3D 프린팅용 시멘트 복합체가 노즐에서 압출 시 건전한 연속성을 유지하는 여부를 판단하기 위해 시험적으로 첨가하였다.

2.2 3D 프린터 및 출력조건

시멘트 복합체를 출력하는 건설용 ME 방식 3D 프린터는 압출기(Extruder)가 각각의 3차원 축으로 이동할 수 있는 갠트리(Gantry) 타입이며 출력을 위해 압출기의 이동속도 20~25 mm/sec, 압출속도 125~165 e-step/mm로 설정하였다. 압출속도의 단위는 압출변위에 대한 회전시 압출기의 스텝모터 회전 수이다. 시험에 사용한 3D 프린터의 전경과 제원은 Fig. 1과 Table 4와 같다.

Fig. 1 View of material extrusion type 3D printer

3.1 배합설계

건설용 ME 방식 3D 프린터로 출력하기 위한 시멘트 복합체의 배합설계는 압출하여 노즐로 출력하기 위한 유동성을 유지함과 동시에 출력 후 경화가 완료되기까지 자중에 일부 저항하며 형상을 보존해야하기 때문에 출력성이 허용하는 한 낮은 물-결합재비로 배합해야 한다^{(Rehman, A., 2021}, ^{Wang, K., 2020)}. 배합설계에 적용한 배합요인은 규사의 종류(7호, 8호), 물-결합재비(이하, W/B), 규사-결합재비(이하, SS/B), 혼화제-결합재비(이하, Th/B, AE/B, AD/B)이며 모든 배합에서 결합재의 비율은 동일하다. 각 배합요인은 모두 시멘트 복합체 3D 프린팅 시 재료를 건전한 상태로 연속적으로 출력하는 능력인 출력성과 단위 출력물을 적층하여 형태가 유지되는 정도인 적층성에 밀접한 영향이 있으며 설계배합의 유동특성에 기인한다.

W/B의 범위는 35 ~ 50 %이며 SS/B의 범위는 60 ~ 130 %, Th/B, AE/B, AD/B는 0.1 ~ 0.5 %의 범위를 가지고 있다. 배합요인 중 W/B와 SS/B는 유동성을 증감시키는 요인으로 출력 유동성 범위를 유지하기 위해 상호보완적인 관계이다. 증점제는 출력 시멘트 복합체의 출력 연속성을 유지하고 층간 결합력을 증진시키기 위한 목적으로 모든 배합에 사용하였으며 공기연행제 및 소포제는 특정배합의 시멘트 복합체 출력물 표면에 발생하는 표면 공극을 저감시키기 위해 사용하였다. 그러나, 혼화제의 사용량이 증가할 경우 출력성과 적층성이 크게 저하되므로 사용에 주의해야 한다.설계한 배합은 다음 Table 5와 같다.

3.2 시험방법

3.2.2 치수 오차율 평가방법

건설용 ME 방식 3D 프린터로 출력한 시멘트 복합체의 치수 오차율을 평가하기 위해 공시체 중앙점을 기준으로 직교하는 상부 및 하부 지름 Dh1, Dh2 , Dh3, Dh4를 측정하였으며 높이 H1, H2, H3, H4는 지름 측정 직교 좌표를 중앙점을 기준으로 45도 회전한 위치에서 측정하였다. 공시체의 원형은 곡선의 비선형성을 유지하는 척도로 활용할 수 있으며 공시체의 높이는 적층 높이를 달성할 수 있는 척도로 활용할 수 있다.

측정한 지름과 높이는 모델링 기준 정보에 따라 평가하며 지름기준은 100 mm, 적층높이 기준은 60 mm 이다. 각 기준에 대하여 측정한 치수의 변화 정도를 치수 오차율로 정의하였으며 이를 구하는 방법은 다음 식(1)과 같다.

(1)

$P_{e}=\left(\dfrac{m_{p}}{m_{m}}-1\right)\times 100$

여기서, $m_{p}$는 3D 프린터로 출력한 공시체의 측정길이(mm)로 각 측정점에서의 지름과 높이에 해당하며 $m_{m}$은 공시체 모델링의 치수 정보로 직경의 경우 100 mm, 높이의 경우 60 mm 이다. $P_{e}$는 치수 오차율(%)로 설정한 치수 정보로부터 증감된 수치를 나타내며 음수일 경우 모델링 한 치수보다 감소된 정도를, 양수일 경우 모델링 한 치수보다 증가된 정도를 나타낸다. $P_{e}$의 절대값이 1에 가까울수록 높은 치수 정확성을 가진다. 출력물의 치수 오차율을 측정하기 위한 방법은 Fig. 2와 같다.

건설용 ME 방식 3D 프린터 출력물의 치수 오차율을 측정하기 위해 표준 공시체 모양을 모델링 하였다. 제시한 공시체는 3D 프린터의 출력 부하를 감소시키고 빠른 제작을 위해 중공 실린더 형태로 모델링 하였다. 모델링한 시험체의 크기는 지름 100 mm, 높이 60 mm 이며 실제 출력물과의 오차를 비교하는 기준이다. 출력 노즐의 내경 조건은 6 mm로 적층성을 유지하기에는 세장비가 높기 때문에 3D 프린터 출력제어 조건 중 Shell 두께를 조정하여 2겹의 필라멘트로 공시체를 출력할 수 있게 하였다. 공시체를 출력하기 앞서 압출 실린더의 여압을 제거하고 출력여부를 사전에 검토하기 위해 약 50 mm 이격된 거리에서 Skirts를 설정하였으며 확인이 완료된 출력 Skirt는 경화 전 제거하여 출력베드에서 경화 완료 후 탈거에 방해가 되지 않도록 하였다. 출력물의 정밀도를 평가하기 위해 기존 연구에서 3D 프린터의 정밀도 측정용 기준 아티팩트를 제시하고 있으나 건설용 ME 방식 프린터가 모사하기에는 크기가 작고 복잡한 자유도를 가지고 있어 건설용 ME 방식 3D 프린터 출력물에 평가에는 맞지 않아 적용하지 않았다.^{(Minetola, P. et al, 2022)} 공시체의 출력조건은 Table 7과 같다.

Fig. 2 3D Printer output dimensional error measurement method

Table 7 3D printing condition of benchmark specimens

Nozzle Diameter [mm]	Printing speend [mm/sec]	e-step	Z-offset [mm]	Primary Layer Height [mm]
6.0	20~25	125~165	-1.0	5.0

3.2.3 출력물의 역학적 특성 평가방법

건설용 ME 방식 3D 프린터로 출력한 시멘트 복합체의 압축강도를 평가하기 위해 40×40×40 mm 공시체를 이용하였으며 2,400±200 N/sec의 하중 재하속도를 적용하였다. 또한, 기온 20℃, 상대습도 90% 조건으로 재령 7일 및 28일 후 압축강도를 측정하였다. 일반 거푸집 타설 제조방식이 아닌 3D 프린터로 출력한 상태와 유사한 조건에서 압축강도를 측정하기 위해 압축강도 공시체 보다 큰 형상을 출력한 후 유동성을 유지하고 있는 동안 소요의 시편 크기와 동일한 금속재질의 양생틀을 눌러 공시체를 성형 한 뒤 경화가 충분히 이루어 진 후 탈형하는 방식으로 공시체를 제작하였다. 3D 프린터 출력 상태의 휨강도를 평가하기 위해 40×40×160 mm 공시체를 이용하였으며 50±10 N/sec의 하중 재하속도를 적용하였다. 양생은 압축강도 공시체와 동일한 조건이며 재령 28일의 휨강도를 측정하였다. 휨강도 공시체 또한 압축강도 공시체와 마찬가지로 휨 시험용 공시체보다 큰 형태로 출력한 후 소요의 시편 크기와 동일한 양생틀을 이용하여 제작하였다. 공시체의 제작방식 및 시험 전경은 다음 Fig. 3에 나타낸 바와 같다. 출력성 및 적층성이 일정 수준 이상이어야만 공시체의 제작이 가능하기 때문에 출력 외관검사 및 출력 치수 오차율을 통해 우수한 결과를 나타낸 배합에 대해서만 압축강도와 휨강도를 평가하였다.

Fig. 3 View of making compressive strength test specimens and test

4.1 출력 외관 평가결과

건설용 ME 방식 3D 프린터로 출력한 시멘트 복합체의 출력 외관을 평가한 결과는 P1-2, P1-4, P2-5, P2-6 배합의 경우 가장 우수한 출력 외관인 Level-4로 분류되었으며 P0-1, P1-1, P1-3, P1-6, P1-7, P2-4 배합은 양호한 출력 외관인 Level-3, P0-2, P0-3, P2-3 배합과 P1-5, P2-1, P2-2 배합은 각각 Level-2와 Level-1으로 불건전한 출력 외관을 나타냈다. 각 배합요인 별로 출력 외관을 살펴보면 Level-4 배합은 W/B 37.5 ~ 45 %, SS/B 100 ~ 110 %, Th/B 0.2 ~ 0.3 % 범위로 나타났으며 Level-3 배합은 W/B 35 ~ 50 %, SS/B 60 ~ 130 %, Th/B 0.1 ~ 0.33 % 범위, Level-2 및 Level 1 배합은 37.5 ~45 %, SS/B 82 ~ 110 %, Th/B 0.1 ~ 0.3 % 범위로 나타났다. 각 수준 별로 배합 요인 범위가 넓고 서로 공유하기 때문에 각각의 개별 배합요인을 기준으로 출력 외관을 건전성을 정확하게 예측할 수 없었으나 규사 8호를 사용한 경우 W/B 45 % 일 때 SS/B 100 ~ 110 %, Th/B 0.1 ~ 0.25, 규사 7호를 사용한 경우 W/B 37.5 ~ 41 %, SS/B 100 ~ 110 %, Th/B 0.3 ~ 0.33 %일 때 출력 외관이 Level 3~4 사이에 분포하는 것으로 나타났다. 이 때의 범위는 증점제만 고려했을 때로 공기연행제와 소포제는 배합 요인을 단순화하기 위해 제외하였다. 대체적으로 W/B를 증가시키면 SS/B 또한 증가시키는 것이 출력성에 양호한 영향을 미치나 증점제의 첨가량에 따라 출력 품질이 다양하게 변화하여

대략적인 범위를 설계한 후 직접적인 출력시험을 통해 세부 조절이 필요할 것으로 판단된다. 각 배합의 출력품질 평가에 사용한 공시체 외관과 평가결과는 각각 Fig. 4 및 Table 8에 나타냈다.

Fig. 4 Output results of cementitious composite according to each mixing design

4.2 치수 오차율 평가결과

건설용 ME 방식 3D 프린터로 출력한 시멘트 복합체의 치수 오차율은 길이 측정이 가능한 품질 수준인 Level-3, Level-4에 해당하는 배합인 P0-1, P1-1, P1-2, P1-3, P1-4, P1-6, P1-7, P2-4, P2-5, P2-6를 대상으로 평가하였다. 상부 직경 및 하부 직경에 대한 치수 오차율 및 높이에 대한 치수 오차율은 Fig. 5에 나타냈다.

공시체 상부 직경의 최대 오차율 평가결과 평균 –6.90 %, 최소 오차율은 평균 –1.86 %로 측정되었으며 하부 직경의 최대 오차율은 평균 5.13 %, 최소 오차율은 평균 –0.03 %로 측정되었다. 상위의 상부 직경 달성률을 나타낸 배합은 P2-6, P0-1이며 하부 직경 달성률이 상위인 배합은 P1-6, P2-6로 종합적인 평가결과 상·하부 직경에 대한 오차율이 우수한 배합은 P2-6로 나타났다. P2-6의 배합설계는 W/B 37.5 %, SS/B 100 %, Th/B 0.3 %, 규사 8호를 사용한 배합이다.

공시체 높이의 최대 오차율 평가결과 평균 –4.07 %, 최소 오차율 평가결과 평균 –0.24 %로 측정되었으며 상위의 높이 달성률을 나타낸 배합은 P0-1, P2-6로 나타났다. 종합적인 평가결과 높이에 대한 오차율이 가장 우수한 배합은 P0-1로 나타났다. P0-1의 배합설계는 W/B 35.0 %, SS/B 60 %, Th/B 0.1 %, 규사 7호를 사용한 배합이다.

상부 직경과 하부 직경의 치수 오차율 차이가 눈에 띄게 큰 배합은 P1-6, P1-7, P2-4, P2-5로 나타났으며 규사 8호를 사용한 배합인 P1-6, P1-7에서는 W/B와 SS/B가 비교적 높았다. 또한, 규사 7호를 사용한 배합의 경우 W/B는 비교적 낮았으나 증점제의 사용량이 높았다. 이 같은 경향은 규사 8호를 사용한 배합의 경우 높은 W/B로 인해 유동성이 과도하게 높아지는 상태를 SS/B를 증가시켜 제어할 경우 겉보기 유동성은 제어할 수 있으나 점성 등 유변학적 특성이 소실되어 3D 프린터 출력 균질성이 떨어지기 때문인 것으로 판단된다. 규사 7호를 사용한 배합의 경우도 마찬가지로 과도한 증점제 사용으로 시멘트 복합체의 점성이 증가하여 노즐로부터 압출되는 필라멘트에 공극이 포함되는 등 출력 균질성이 저하되기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 다양한 혼화제를 사용한 배합의 치수 오차율이 저하된 것은 각 혼화제가 서로 다른 목적을 가지고 있는 한편 적은 사용량으로도 시멘트 복합체의 물성을 크게 바꾸면서 서로 영향을 줄 수 있기 때문이며 혼화제 사용 시 이를 고려하여 사용해야 한다.^{(Xie, D. et al, 2021)}

높이의 치수 오차율이 양수를 가진 배합은 P1-2, P1-3, P1-4 배합이었으며 나머지 배합은 음수의 치수 오차율로 측정되었다. 상기 치수 오차율이 양수인 배합은 규사 8호를 사용하였으며 모든 배합이 W/B 45 %, S/B 110 %로 동일하였으나 Th/B가 0.23~0.25까지 증가시킨 배합으로 비교적 많은량의 증점제를 첨가한 배합으로 나타났다. 이 같은 경향은 과도한 증점제를 사용할 점성의 증가로 경우 출력 연속성이 저하되어 일부 출력층에서 정상 출력량보다 많은 양이 출력되면서 증가된 적층량의 누적 때문에 발생한 것으로 판단된다.

치수 오차율을 평가한 결과 직경 및 높이에서 가장 우수한 출력 치수 정확성을 달성한 배합은 P0-1과 P2-6로 나타났으며 각 우수 배합의 배합요인을 분석한 결과 다른 배합과 비교하여 낮은 W/B를 가지고 있는 것으로 나타났다. 또한, P0-1의 경우 규사 8호를, P2-6의 경우 규사 7호를 사용하였는데 규사 8호의 경우 규사 7호에 비해 입경이 작고 미분 함유량이 많기 때문에 P0-1 배합의 경우 P2-6 배합에 비해 적은 증점제 사용량에도 양호한 출력품질을 달성하기에 충분한 점성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 반면 규사 7호는 8호에 비해 입경이 크고 미분 함유량이 적기 때문에 P2-6 배합이 양호한 출력품질을 달성하기 위한 소요의 점성을 만족하기 위해서는 P0-1 배합에 비해 증점제의 사용량이 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 5 Results of dimensional error rate

4.3 역학적 특성 평가결과

건설용 ME 방식 3D 프린터로 출력한 시멘트 복합체의 압축강도 및 휨강도를 평가하였으며 Fig. 6에 나타냈다.

우수한 출력 외관과 낮은 치수 오차율로 출력이 가능한 배합인 P0-1과 P2-6의 7일 압축강도를 측정한 결과 각각 평균 27.52 MPa, 20.97 MPa, 28일 압축강도를 측정한 결과 각각 평균 31.87 MPa, 26.42 MP로 나타났으며 비교를 위한 배합인 P2-3의 7일, 28일 압축강도는 각각 15.43 MPa, 19.23 MPa로 나타났다. P0-1과 P2-6의 28일 휨강도를 측정한 결과 각각 평균 4.91MPa, 2.73 MPa로 나타났으며 비교를 위한 배합인 P2-3의 28일 휨강도는 1.82 MPa로 나타났다.

P0-1 배합의 출력 외관 평가결과는 Level-3으로 나타났으며 P2-6 배합의 평가결과는 Level-4로 나타났다. 출력 외관 평가에 따른 압축강도 특성을 비교하기 위해 Level-2 배합인 P2-3와 압축강도 및 휨강도를 비교한 결과 출력 외관이 양호할 수록 압축강도 또한 비례하는 결과를 나타냈다. 이 같은 결과는 출력 외관과 치수 오차율과 같은 특성들이 시멘트 복합체 배합요인 중 W/B, SS/B 기인하여 성능을 발현하는 한편 압축강도 발현도 동일한 배합요인에 의해 좌우되기 때문이다. 그러나 3D 프린터로 출력이 가능한 정도의 유동성을 확보했으나 낮은 W/B 인해 출력 외관이 건전하지 못하더라도 3D 프린터 출력 압축강도가 높게 측정될 수 있기 때문에 출력 외관과 치수 오차율을 선 검토 한 후 압축강도 및 휨강도와 같은 역학적 특성에 대해 평가해야 할 것으로 판단된다.

Fig. 6 Strength tests of specimens made by 3D printer