2.1 사용재료 및 배합설계

3D 프린팅용 시멘트계 복합재료를 제조하기 위한 결합재는 1종 보통포트랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC)와 2종 플라이애시(fly ash, FA) 및 실리카흄(silica fume, SF)이 사용되었다. OPC의 비중과 비표면적은 3.13 g/m³과 3,150 cm²/g이며, FA의 밀도와 비표면적은 2.25 g/m³과 3,370 cm²/g이다. SF의 밀도는 2.20 g/m³이며, 비표면적은 19.3 m²/g이었다. 잔골재는 입도 0.35~0.1 mm의 국내산 규사 7호사를 사용하였다. 시멘트계 복합재료의 유동성 확보를 위하여 혼화제는 폴리카르복실계 고성능감수제(high water reduction agent, HWRA)를 혼입하였으며, 적층성능 향상을 위하여 셀룰로오스계 증점제(viscosity agent)를 사용했다. 3D 프린팅용 시멘트계 복합재료의 배합설계는 Table 1에 나타내었으며, 설계강도는 61 MPa로 설정하였다. 물-결합재비(water-binder ratio, W/B)는 24%이었으며, 결합재 3종은 중량비로 OPC: FA: SF = 7:2:1의 비율로 혼합하였다. 셀룰로오스계 증점제는 단위수량 대비 0.4%를 혼입하였으며, 고성능감수제는 결합재 대비 2%를 혼입하였다.

2.2 사용 장비

적층시험체의 제작에 사용한 3D 프린터는 길이 1 m, 폭 1 m, 높이 3 m의 갠트리형 장비를 이용하였다(Fig. 1). 3D 프린팅용 시멘트계 복합재료의 이송과 출력을 위하여 모노펌프(Mono-Pump)를 사용하였으며, 재료 이송관은 직경 38 mm의 고압 고무호스를 사용하였다. 압출 노즐은 내경 25 mm의 스테인리스 재질의 원형관을 사용하였다. 3D 프린팅용 시멘트계 복합재료의 배합은 팬 타입의 믹서를 사용하였다.

Fig. 1 3D printing process

2.3 적층성능 평가방법

3D 프린팅 복합재료의 적층성능 평가를 위하여 Fig. 2와 같이 다수의 곡선부와 직선부로 구성된 크기 0.84 m×0.64 m의 부재를 설계하였다. 적층성능 평가 변수는 레이어의 높이이며, 단일 레이어 높이는 10 mm, 20 mm, 30 mm로 설정하여 각 10개 레이어를 적층하였다. 적층성능은 3D 프린팅 복합재료가 경화된 후 직선부와 곡선부에서 레이어의 높이를 측정하였다(Fig. 2). 레이어의 높이는 Fig. 2의 곡선부와, 직선부 중앙을 중심으로 10 mm 간격으로 3개의 지점에서 측정하여 평균값을 사용하였으며, 설계된 레이어 높이와 비교하였다.

Fig. 2 buildability test for laminated specimens

2.4 원주형 적층시험체 제작 방법

적층시험체 제작방식에 따른 강도 특성평가를 위한 적층시험체는 Fig. 3과 같이 직육면체 형태로 동일한 출력패턴을 20개의 층을 쌓아서 적층물을 출력하고 적층물이 경화되기 전에 바닥면이 뚫린 샘플링 관(∅100×200 mm)을 출력물에 Z방향과 X방향으로 삽입하여 제작하였다^{(KCI-CT115, 2021)}. 적층물의 크기는 900×400×200 mm로 총 2개의 적층물을 출력하여 압축강도와 쪼갬인장강도 측정용 원주형 적층시험체를 제작하였다.

적층물 출력 시 노즐이 1회 이동을 통해 출력할 수 있는 단위 레이어의 폭과 높이는 50 mm와 10 mm로 설정하였다. 원주형 적층시험체 제작시 노즐 1회 이동시 출력하는 레이어 높이를 10 mm로 설정한 것은 2.3 적층성능평가 결과 20, 30 mm와 비교하여 실제 출력된 레이어의 처짐과 솟음으로 인한 레이어 높이가 설계 높이와 가장 근접하게 나타나 치수안정성을 확보할 수 있는 것으로 판단했다. 원주형 적층시험체 제작을 위하여 적층 부재에 삽입되는 샘플링 관은 플라스틱 일회용 몰드의 바닥면을 절단하여 사용하였다. 적층시험체 제작은 출력부재가 굳은 상태에서 코어링을 할 경우, 적층시험체 계면의 균열 발생으로 시험체의 강도 저감문제가 발생할 수 있기 때문에 출력물이 굳지 않은 상태에서 제작하였다. 출력물의 높이와 코어링한 원주형 적층시험체 높이는 동일하게 나타나 적층시험체 코어링 과정에서 몰드 관입으로 인한 치수 변화는 없는 것으로 판단된다. 또한 적층시험체와의 성능평가를 위하여 압출기에서 압출된 재료를 몰드(∅100×200 mm)에 타설하여 시험체를 제작하였다. 모든 시험체는 타설 1시간 후에 항온항습실로 이동하여 온도 20±2℃, 상대습도 60RH%의 조건으로 동일하게 양생하였다.

Fig. 3 Process of making specimens

2.5 압축강도와 쪼갬인장강도 측정방법

시험체 제작방식에 따른 압축강도와 쪼갬인장강도를 비교하기 위하여 ∅100×200 mm 크기의 원주형 시험체를 제작하였으며, 재령 당 시험체를 각각 3개씩 1, 7, 28일에 측정하였다. 압축강도 측정용 적층시험체는 적층 부재에 대하여 Z 방향과 X 방향으로 2가지 방법으로 제작하였다. 몰드 제작 시험체는 적층시험체와의 비교 평가를 위하여 3D 프린팅 장비의 노즐에서 압출된 재료로 제작하였다. 또한 적층시험체의 쪼갬인장강도는 Fig. 4와 같이 2종의 적층시험체에 대하여 레이어의 방향을 측정변수로 하여 수평방향(Printing-Z-H, Printing-X-H)과 수직방향(Printing-Z-V, Printing-X-V)으로 구분하여 측정하였다. 몰드 제작 시험체와 적층시험체의 공극량과 강도특성의 비교를 위하여 X-ray CT 분석을 이용하여 적층시험체의 적층계면의 공극분포와 일체화 거동 여부 및 몰드 제작 시험체와의 공극량을 비교 분석하였다.

Fig. 4 Measurement method of splitting tensile strength specimens

3.1 레이어 높이에 따른 적층성능평가

3D 프린팅용 시멘트계 복합재료의 출력되는 레이어 높이에 따른 적층 성능 평가를 위하여 레이어 높이 10, 20, 30 mm로 설정하여 각각 10개의 레이어를 적층하였다. 실험변수에 따른 레이어 높이는 Fig. 2와 같이 곡선부와 직선부에서 3점을 측정하여 평균값을 사용하였다(Fig. 5). 출력된 부재의 직선부에서 10개 레이어 높이의 평균값은 10.96 mm와 20.38 mm 및 30.40 mm로 설계높이와 1 mm 이내의 오차가 발생하여 설계높이를 충족하는 것으로 나타났다. 1번에서 10번 레이어로 갈수록 출력된 단일 레이어 높이는 점차 증가했으며 설계 레이어 높이 10, 20, 30 mm의 최대 높이와 최소높이의 차이는 직선부에서 각각 3.70 mm, 11.37 mm, 8.07 mm이었으며 곡선부에서 각각 3.91 mm, 9.22 mm, 9.48 mm로 산출되었다.

결과적으로 설계 레이어 높이 10 mm에서 설계 레이어 높이와 실제 레이어의 높이차가 가장 작은 것으로 나타났다. 다만 레이어 높이가 30 mm인 곡선부에서는 5번째 레이어 높이가 33 mm로 나타났는데 이는 레이어 출력과정에서 배관내부의 공기가 함께 압출되면서 순간적인 압력변화로 일시적인 높이 변화가 발생한 것으로 판단된다.

1번 레이어에서 10번 레이어로 갈수록 단일 레이어 높이가 증가된 원인은 프린팅베드와 맞닿은 1번 레이어의 경화 전 적층저항력(항복응력)보다 높은 상부레이어의 자중과 레이어 적층 시 발생되는 노즐에서의 압출압력으로 인해 처짐이 발생했기 때문으로 해석된다. Fig. 6에는 출력 부재의 직선부와 곡선부에서 각 30개 지점의 높이 측정 결과를 그래프로 표현하였다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이 일부의 경우를 제외하고 설계 레이어 높이와 유사하게 평균값과 중앙값이 산출된 것을 확인할 수 있다. 또한 레이어의 총 높이는 출력 시 설계한 레이어 높이와 비교하여 일정부분 증가된 것으로 나타나는데 이는 기존연구^{(Lee et al., 2020; Lee et al., 2021)}와 동일하게 확인할 수 있었으며, 레이어 출력 중 노즐부 재료 압출 시 발생된 재료 출력 압력이 노즐 주변부로 전파되며 재료 높이를 증가시키는 영향을 발생시켰기 때문으로 보인다. 이 연구에서는 적층시험체 제작 시 출력물의 형상을 가장 안정적으로 출력할 수 있는 레이어 높이를 선정하기 위해 레이어의 높이를 변화시켜 출력성능을 검토했다. 실험결과 실제 출력물이 설계한 적층디자인대로 안정적으로 출력 가능한 치수는 단일 레이어 높이 10 mm로 판단되어 시험체 제작을 위한 출력물의 레이어는 10 mm 로 설정하였다.

Fig. 5 Layer height of laminated specimens

Fig. 6 Average layer height for each part

3.2 압축강도

3D 프린팅용 시멘트계 복합재료의 시험체 제작방식에 따른 압축강도 특성평가를 위하여 몰드제작 시험체와 적층 부재에서 샘플링관을 Z축 방향과 X축 방향으로 삽입하여 제작한 원주형 적층시험체들을 재령 1, 7, 28일에 압축강도를 측정하여 Fig. 7에 나타내었다. 몰드에 타설하여 제작한 시험체의 재령 1일 압축강도는 31.70 MPa로 일반적인 모르타르와 비교하여 상대적으로 높은 초기강도를 나타내었다. 3D 프린팅용 시멘트계 복합재료의 초기강도가 높은 이유는 출력된 레이어가 후속으로 출력되는 레이어를 지지하고 형태를 유지하기 위하여 초기강도 확보가 필수적이기 때문이다. Z방향으로 제작한 적층시험체(Printing-Z)의 재령 1일 압축강도는 30.10 MPa로 몰드 제작 시험체와 동등한 압축강도를 나타내었다. X방향으로 제작한 적층시험체(Printing-X)의 경우, 재령 1일 압축강도가 26.81 MPa로 나타나 몰드 제작 시험체와 Printing-Z 시험체와 비교하여 평균 13%가 낮게 나타났다. 재령 7일의 압축강도는 59.86~64.12 MPa의 범위로 나타났으며, 재령 1일과 동일한 경향으로 Printing-X 시험체의 압축강도가 가장 낮았다. 재령 7일에서 몰드 제작 시험체와 적층시험체의 압축강도 차이는 평균 6%로 재령 1일과 비교하여 몰드 제작 시험체와 적층시험체의 압축강도 차이가 줄어들었다.

몰드 타설 시험체의 재령 28일 압축강도는 78.99 MPa이며, Printing-Z 시험체는 77.07 MPa로 측정되어 몰드 제작 시험체와 거의 동일한 압축강도 성능을 확보하였다.

반면, Printing-X 시험체는 71.72 MPa로 가장 낮은 압축강도가 측정되었으며, 몰드 제작 시험체와 Printing-Z시험체 대비 각각 9%와 7% 낮은 압축강도를 나타내었다. Printing-X 시험체의 압축강도가 Printing-Z 시험체와 비교하여 낮은 강도를 나타낸 것은 높이 10 mm로 적층된 적층물의 측면에서 적층시험체를 제작함에 따라 시험체 수직방향으로 다수의 계면이 존재하여 압축하중의 적용 시 각각의 계면 부착력이 압축강도에 영향을 준 것으로 판단된다. 반면, Printing-Z 시험체는 상대적으로 많은 계면이 시험체의 수평방향으로 존재하기 때문에 압축하중 적용에 따라 레이어 계면의 부착력에 대한 영향을 상대적으로 적게 받기 때문에 몰드 제작 시험체와 유사한 압축강도 성능을 나타낸 것으로 판단된다. 모든 시험체의 평균 압축강도는 75.93 MPa로 높은 압축강도를 나타내었으며, 전 재령에서 적층시험체의 압축강도는 몰드 제작 시험체와 유사한 강도를 확보하였다. 또한 시험체 제작 방법과 관계없이 모든 시험체의 평균 표준편차는 2.31로 나타나 시험체간의 압축강도 편차가 낮게 나타났으며, 이를 통하여 적층시험체가 몰드 제작 시험체와 비교하여 동등이상의 품질을 확보할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 7 Compressive strength of specimens

3.3 쪼갬인장강도

적층시험체의 제작 방법과 하중 가력 방향에 대한 레이어 계면의 방향에 따른 쪼갬인장강도를 측정하였다. 동일한 방향으로 추출한 시험체는 출력계면이 하중이 가력되는 방향과 직교하는 방향(H direction), 하중방향과 동일한 방향(V direction)으로 구분하여 그 결과를 표현하였다. 실험 변수에 따라 몰드 제작 시험체와 적층시험체의 쪼갬인장강도를 재령 1, 7, 28일에 측정하여 Fig. 8에 나타내었다. 몰드 제작 시험체의 재령 1일에서 쪼갬인장강도는 2.50 MPa이었으며, Printing- Z-H와 Printing-X-H 시험체는 2.24 MPa와 2.20 MPa로 몰드 제작 시험체 대비 약 11% 낮게 나타났다.

Printing-Z-V와 Printing-X-V 시험체의 재령 1일 쪼갬인장강도는 1.67 MPa와 1.72 MPa로 측정되어 몰드 제작 시험체의 약 68% 수준이었으며, 레이어 방향이 수평인 적층시험체의 약 76% 수준으로 측정되었다. 적층시험체의 재령 1일 쪼갬인장강도는 몰드 제작 시험체 대비 10~33%의 범위로 낮은 강도를 나타내었다. 특히, 레이어 방향을 수직방향으로 측정한 적층시험체의 쪼갬인장강도가 낮게 측정되었는데 이는 레이어 방향과 시험체 파단방향이 일치함에 따라 계면에서의 부착력의 확보 여부가 쪼갬인장강도에 가장 큰 영향을 미치기 때문으로 판단된다.

재령 7일의 몰드 제작 시험체의 쪼갬인장강도는 3.25 MPa이며, 적층시험체의 쪼갬인장강도는 Printing-X-V 시험체를 제외하고 3.17~3.20 MPa의 범위로 나타나 몰드 제작 시험체와 유사한 성능을 나타내었다. 반면, Printing-X-V 시험체의 재령 7일 쪼갬인장강도는 2.66 MPa로 몰드 제작 시험체 대비 18% 낮게 나타났다.

재령 28일의 몰드 제작 시험체의 쪼갬인장강도는 5.06 MPa이며, Printing-Z-H와 Printing-X-H 시험체는 평균 4.46 MPa로 몰드 제작 시험체 대비 약 12% 낮았다. Printing-Z-V와 Printing-X-V 시험체의 재령 28일 쪼갬인장강도는 3.20 MPa와 2.66 MPa로 몰드 제작 시험체 대비 약 24% 낮았다. 적층시험체의 쪼갬인장강도는 레이어 방향을 수직으로 측정할 경우 성능저하가 더 높게 나타났다. 동일한 레이어 방향에서는 레이어 개수가 더 많을수록 강도가 저하되었으며, 초기 재령에서 더 큰 강도 저감 현상이 나타났다. 수직방향의 쪼갬인장강도가 수평 방향과 비교하여 낮게 나타난 이유는 재료의 압출과정에서 생성된 모르타르 내부의 공극이 출력방향에 따라 방향성을 갖게 됐기 때문으로 유추된다. 계면을 중심으로 직접 가력된 시험체의 쪼갬인장강도가 낮았으며, 계면이 아닌 부위에 하중이 가해진 경우에도 내부 공극에 의한 일련의 방향으로 인해 내부 결속력 약화로 인한 것으로 판단된다.

결과적으로 3D 프린팅기술로 제작된 적층시험체는 몰드 제작 시험체와 유사한 성능을 나타낼 수 있으나, 하중 가력방향에 대한 레이어의 방향과 시험체 내 레이어의 개수에 따라 10% 이상의 성능 변동이 나타날 수 있다. 이러한 적층시험체의 쪼갬인장강도 저하의 대표적인 원인은 레이어 출력 시에 재료의 갈라짐 또는 장비의 열에 의한 재료의 탈수현상 등에 의하여 재료의 출력 품질의 저하이며, 레이어 계면에 다수의 공극이 분포되어 부착성능이 낮아질 수 있기 때문이다. 따라서 적층시험체가 몰드 제작 시험체와의 동등한 성능을 확보하기 위해서는 출력 시의 레이어의 출력 품질과 굳지 않은 상태에서의 지지력 등의 성능이 필수적으로 확보되어야 한다.

Fig. 8 Splitting tensile strength of specimens

3.4 공극분석

하중 가력방향과 레이어 방향에 따른 적층시험체의 강도저하 원인을 분석하기 위하여 쪼갬인장강도 측정 후에 몰드 제작 시험체, Printing-Z-V, Printing-Z-H 시험체의 내부공극 형태를 X-ray CT를 통해 분석하였다. 각 시험체는 Fig. 9와 같이 파단면에서 2 mm 간격으로 5개 이미지를 분석하였다. 각 시험체의 동일한 위치에서 이미지 분석 프로그램을 이용하여 각 시험체의 공극분석을 하였다. 분석 구간에서 몰드 제작 시험체의 평균 공극률은 0.34%이며, Printing-Z-H 시험체의 공극률은 0.38%로 몰드 제작 시험체와 유사한 공극률을 나타내었다. 하지만 Printing-Z-V 시험체의 공극률은 0.68%로 몰드 제작 시험체 대비 약 2배 높은 공극률을 나타내었다.

공극분포의 분석결과, 적층시험체는 출력 레이어에 따라 공극이 발생하여 레이어와 레이어간의 계면을 시각적으로 구분할 수 있다. Printing-Z-V 시험체는 레이어의 방향이 일관되게 방향성을 갖고 있으며 공극의 크기가 일관성이 있게 생성되어 있다. Printing-Z-V 시험체의 레이어 계면에서는 공극이 발생되어 일련의 방향성이 생성됨에 따라 내부 결속력 약화로 쪼갬인장강도가 상대적으로 낮게 나타난 것으로 판단된다. Printing-Z-H 시험체는 각 이미지의 단면에서는 계면이 다수 발생하는 것으로 나타났지만, Printing-Z-V 시험체와 비교하여 상대적으로 계면의 방향성이 뚜렷하게 나타나지 않았다. 또한 계면사이에서 상대적으로 큰 공극이 분포하는 것을 확인하였다. 이는 출력과정에서 각 레이어가 측면으로 만나는 경우 압출된 재료의 계면 사이의 채움 성능 부족하여 공극이 발생하는 것으로 판단된다. 하지만 이 분석에서 측정된 적층시험체 내부 공극의 크기가 쪼갬인장강도에 큰 영향을 미치는 것은 아닌 것으로 판단된다. 기존연구에서 계면의 위치, 계면의 공극량과 인장강도의 영향이 크지 않음을 분석한 결과와 유사하게 나타났다^{(Lee et al., 2019)}.

Fig. 9 Porosity evaluation through x-ray CT analysis