KR101720467B1 - 3d 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 섬유 보강 복합재료 구조물에 관한 것으로, 구조물이 형성될 공간에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 섬유 보강재 구조물을 형성하고, 상기 구조물이 형성될 나머지 공간에 매트릭스를 형성하여 양생하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 본 발명은, 제조공정을 단순화하고 공정시간을 단축시킬 수 있는 간단한 섬유 보강 복합재료 제조방법을 제공하고, 보강 섬유의 분산성을 향상시키고 다양한 모양, 배열, 크기 등을 자유롭게 제어하여 다양한 특성의 섬유 보강 복합재료 구조물을 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

Description

3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 구조물{MANUFACTURING METHOD OF STRUCTURE WITH REINFORCE FIBER COMPOSITE USING 3D PRINTER}
본 발명은 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 높은 인장 강도, 굽힘 강도, 내충격성, 인성 등의 특성을 갖는 양질의 섬유 보강 구조물을 용이하고 빠르게 제조할 수 있는 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 구조물에 관한 것이다.
구조물의 재료로 널리 사용되는 콘크리트를 포함하는 시멘트계 복합재료의 주성분은 모래, 자갈, 시멘트 및 물 등의 재료이다. 시멘트계 복합재료(Composite)는 시멘트와, 물과, 적어도 하나의 굵은 혹은 잔 골재(aggregate)를 포함하며, 물은 시멘트와 반응하여 시멘트 페이스트(cement paste)를 형성하고, 형성된 시멘트 페이스트는 잔골재 혹은 굵은골재들을 함께 결속한다.
시멘트 및 물과 골재 및 다른 고형 성분이 결속되도록 시멘트 및 물을 양생하면[즉, 수화(hydrate)시키면], 최종 시멘트계 복합재료는 매우 높은 압축 강도 및 굽힘 탄성률(flexural modulus)을 가질 수 있게 되지만, 이의 압축 강도에 비해 상대적으로 낮은 인장 강도와, 낮은 인성(toughness)을 갖는 취성 재료이다. 그럼에도, 철근(rebar) 또는 대형 골조(massive structure)와 같은 보강 부재를 부가함으로써, 시멘트계 보합재료는 도로와, 구조물 바닥과, 일반적으로 큰 대형 구조물에 이용된다.
콘크리트를 포함하는 시멘트계 보합재료는 수화될 수 있는 시멘트 결합제, 잔골재(예: 모래) 및 굵은 골재(예: 작은 돌, 자갈)를 사용하여 제조된다. 모르타르는 시멘트와 잔골재를 사용하여 제조된다. 따라서, 모르타르는 깨지기 쉬운 물질이다. 모르타르와 같은 시멘트계 복합재료 또는 콘크리트 구조체가 그의 최대 인장강도를 초과하는 응력을 받게 되면, 이들 구조체 내에서 균열이 개시되어 전파될 수 있다. 시멘트 구조체가 균열 개시 및 균열 전파에 저항하는 능력은 물질의 "강도" 및 "파괴 인성"을 참조하여 알 수 있다.
"강도"는 시멘트 또는 콘크리트 구조체가 균열 개시에 저항하는 능력에 관한 것이다. 달리 말해, 강도는 균열 되지 않으면서 구조체가 지탱할 수 있는 최대 하중에 비례하며, 이 구조체에서 균열을 개시시키는데 필요한 최소 하중 또는 응력의 척도(예컨대, "임계 응력 세기 계수")이다.
한편, "파괴 인성"은 시멘트 또는 콘크리트 구조체의 특정 "파괴 에너지"에 관한 것이다. 이 개념은 구조체가 그 안에 존재하는 균열의 전파(또는 확장)에 저항하는 능력을 일컫는다. 이 인성은 균열을 전파 또는 확장하는데 필요한 에너지에 비례한다. 이 특성은 개시된 균열에서 섬유-보강된 시멘트계 복합재료 빔 시편을 변형 또는 "편향"시키는데 필요한 하중과 편향 정도 또는 세기를 동시에 측정함으로써 결정될 수 있다. 따라서, 파괴 인성은 하중 편향 곡선(FRC 시편의 편향에 대한 하중을 플롯팅하여 작성됨) 아래의 면적을 그의 단면적으로 나눔으로써 결정된다.
시멘트 및 콘크리트 분야에서, 섬유는 보강 물질의 강도 및 파괴 인성을 증가시키기 위해 설계되어 왔다. 강(steel), 중합체(예: 폴리올레핀), 탄소, 나일론, 아라미드 및 유리 같은 다수의 섬유 물질을 이러한 목적에 사용해왔다. 콘크리트 구조체를 보강하기 위해 강 섬유를 사용하는 것은 금속의 고유 강도로 인해 꾸준히 각광받고 있다.
그러나, 보강 섬유 제품 설계에서의 관심사중 하나는 섬유 "삐져나옴(pull out)" 저항성을 증가시키거나 적정하게 유지하는 것인데, 이는 이 저항성이 균열 전파를 방지하는 섬유의 능력을 증가시키기 때문이다. 이와 관련하여, 마스덴(Marsden)의 미국 특허 제 3,953,953 호는 콘크리트로부터 삐져나오는데 저항하기 위해 "J"형 말단을 갖는 섬유를 개시하였다. 그러나, 물리적으로 변형된 뻣뻣한 섬유는 취급하기 어려우며, 섬유가 습윤 콘크리트 혼합물 내에서 균일하게 분산되기 어려운 엉킴 문제를 야기할 수 있다. "구불구불"하게 된 중합체 섬유 또는 "물결모양" 중합체 섬유를 사용함을 포함하는 더욱 최근의 설계도 사용되는 섬유 물질의 뻣뻣함에 따라 유사한 문제를 나타낼 수 있다.
폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 같은 폴리올레핀 물질이 시멘트계 복합재료를 보강하는데 사용되어 왔으며, 비교적 저렴한 비용 때문에 경제적인 이점을 제공한다. 그러나, 소수성 또는 치순성인 이들 폴리 계통의 물질은 습윤 콘크리트의 수성 환경에 저항하기도 한다. 뿐만 아니라, 강 섬유-보강된 시멘트계 복합재료의 강도 및 파괴 인성에 근접하기 위해 콘크리트에 필요한 더욱 다량의 폴리올레핀 섬유는 종종 섬유가 덩어리지게 하거나 또는 "둥글게 뭉치게" 하고 작업장에서의 혼합 시간을 증가시킨다.
둥글게 뭉친 섬유(fiber ball)를 형성하는 이러한 경향은 섬유가 목적하는 바대로 투여되지 않음을 의미한다. (둥글게 뭉쳐진 섬유 덩어리가 콘크리트 표면에 보일 때) 매끈하게 마무리된 콘크리트 표면을 만들 의도로 작업자가 둥글게 뭉쳐진 섬유를 제거하기 때문에 종종 섬유의 정확한 농도가 얻어지지 않는다. 때때로 시멘트 구조체 내의 여러 위치에 보강 섬유가 전혀 존재하지 않는 경우도 있다. 따라서, 목적하는 균질한 섬유 분산이 이루어지지 않는다.
콘크리트 내에 섬유를 용이하게 분산시키는 방법은 공지되어 있다. 예를 들어, 스미스(Smith) 등의 미국 특허제 4,961,790 호에는 습윤 혼합물 내에 다수의 섬유를 도입하기 위해 수용성 자루를 사용하는 방법이 개시되어 있다. 밸르(Valle) 등의 미국 특허 제 5,224,774 호에는 혼합할 때 기계적으로 분해되어 섬유가 콘크리트 혼합물 내에서 덩어리지지 않고 균일하게 분산되도록 하는 비-수용성 포장을 사용함이 개시되어 있다.
또한, 보다 소량의 개별 섬유들을 포장으로 만듦으로써 보강 섬유를 분산시킬 수 있다. 예를 들어, 샌더스(Sanders)의 미국 특허 제 5,807,458 호에는 주위를 둘러싸는 랩을 사용하여 다발로 만든 섬유가 개시되어있다. 이 특허에 따르면, 습윤 콘크리트 혼합물 내에서 교반함으로써 주위의 연속적인 랩을 파열시키고 섬유를
혼합물 내에 방출 및 분산시킬 수 있다.
한편, 레온(Leon)의 국제 특허 공개 제 WO 00/49211 호(2000년 8월 24일 공개)에는 함께 "묶여" 있지만 콘크리트에 혼합될 때 분리될 수 있는 섬유가 개시되어 있다. 예컨대, 테이프를 섬유의 절단 말단에 접착시켜 다수의 섬유를 분리가능하게 함께 묶음으로써 "묶음(packet)"을 만들었다. 습윤 시멘트 혼합물 내에서, 묶음을 풀고/풀거나 따로따로 해체시켜 개별적인 섬유를 혼합물 내에 분리 및 분산시킬 수 있었다.
또 다른 새로운 해결책이 기계적으로 납작해진 섬유를 개시한 리더(Rieder) 등의 미국 특허 제 6,197,423 호에 개시되어 있다. 콘크리트 내의 고정을 개선시키기 위해, 가변적인 폭 및/또는 두께 치수, 및 현미경을 통해 개별 섬유 표면 상에서의 중합체의 불연속적이고 불규칙하고 무작위적인 치환으로서 인식되는 응력 균열(stressfracture)을 얻기 위하여 대향하는 롤러 사이에서 섬유를 납작하게 만들었다. 이러한 현미경으로 보이는 응력 파괴는 시멘트와 섬유 사이의 결합을 개선시키고, 응력 균열이 사실상 불연속적이기 때문에 섬유-대-섬유 엉킴(따라서 섬유가 둥글게 뭉침)이 최소화되거나 없어지는 정도까지 섬유가 유연해지는 것으로 생각되었다. 리더 등의 기계적으로 납작하게 만드는 방법은 본드란(Vondran)의 미국 특허 제 5,298,071 호에 개시된 방법(여기에서는 섬유를 시멘트 클링커(clinker)와 함께 분쇄하였고, 그에 따라 섬유가 시멘트 입자 표면 내에 매설되어 보유되었다)과는 상이하였다.
이처럼, 종래의 섬유보강 복합재료(fiber composite)는 콘크리트를 포함하는 매트릭스(Matrix)와 섬유 보강재로 이루어진 구조재로서, 섬유 보강재의 매트릭스 내의 배열 방향과 밀도는 복합재료의 특성을 결정하고, 건축재료로서의 성능을 좌우하는 큰 요소로 작용한다. 그러나, 상술한 바와 같이 매트릭스 내에 섬유 보강재를 균일하게 분산시켜 교반하기가 용이하지 않고, 섬유 보강재의 형상, 배열 및 밀도 등을 자유롭게 제어하는 것이 어려워 다양한 특성과 우수한 성능을 갖는 구조물 재료를 제조하는데 한계가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-0854894호(등록일자: 2008년08월21일) 대한민국 등록특허공보 제10-1211906호(등록일자: 2012년12월06일)
본 발명에 따른 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 구조물은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 본 발명은 제조공정을 단순화하고 공정 시간을 단축시킬 수 있는 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법을 제공하고자 함이고, 보강 섬유의 분산성을 향상시키고 다양한 모양, 배열, 크기 등을 자유롭게 제어하여 다양한 특성의 섬유 보강 복합재료 구조물을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 함이다.
둘째, 본 발명은 양생 시간을 단축시키고, 보다 높은 인장 강도, 굽힘 강도, 내충격성, 인성 등을 특성을 갖는 양질의 섬유 복강 복합재료 구조물 제조방법 및 그 구조물을 제공하고자 함이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 특징은, 구조물이 형성될 공간에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 섬유 보강재 구조물을 형성하고, 상기 구조물이 형성될 나머지 공간에 매트릭스를 형성하여 양생하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법이다.
여기서, 상술한 제조방법은, (a1) 섬유 보강 복합재료 구조물 공간을 형성하는 거푸집 내부에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 섬유 보강재 구조물을 형성하는 단계; (a2) 상기 거푸집 내부에 매트릭스 투입하고 양생하는 단계; 및 (a3) 양생된 섬유 보강 복합재료 구조물에서 상기 거푸집을 이탈시키는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 매트릭스는 모르타르(Mortar)를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 섬유 보강재는, 금속 또는 합성섬유를 원료로 하는 단섬유를 재질로 하는 것이 바람직하며, 상기 단섬유는, 강 섬유, 유리 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, a) 3D 프린터로 미리 지정된 섬유 보강 복합재료 구조물 공간에 매트릭스를 도포하여 베이스층을 형성하는 단계; b) 상기 베이스층 상부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 섬유 보강재를 적층하여 섬유 보강층을 형성하는 단계; c) 3D 프린터로 상기 섬유 보강층 상부에 상기 매트릭스를 다시 도포하여 도포층을 형성하는 단계; 및 d) 3D 프린터로 상기 도포층 상부에 섬유 보강재를 적층하여 섬유 보강층을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 c) 단계 및 d) 단계를 반복하는 것이 바람직하고, 상기 (c) 단계 이후에, 상기 3D 프린터를 통하여 상기 섬유 보강재의 크기, 배열 및 형상 중 적어도 어느 하나를 제어하여 다르게 설정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 섬유 보강재는, 금속 또는 합성섬유를 원료로 하는 단섬유를 재질로 하는 것이 바람직하고, 상기 단섬유는, 강 섬유, 유리 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 섬유 보강재는 수상기를 갖는 친수성 합성섬유 또는 단부 훅크를 갖는 강섬유인 것이 바람직하며, 상기 매트릭스는, 시멘트계 매트릭스인 것이 바람직하다.
더하여, 상술한 제조방법은, a) 3D 프린터로 미리 지정된 섬유 보강 복합재료 구조물 공간에 매트릭스를 도포하여 베이스층을 형성하는 단계; b) 상기 베이스층 상부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 섬유 보강재를 적층하여 섬유 보강층을 형성하는 단계; c) 상기 베이스층을 경화하는 단계; d) 3D 프린터로 상기 보강층 상부에 상기 매트릭스를 다시 도포하여 도포층을 형성하는 단계; e) 상기 도포층을 경화하는 단계; 및 f) 3D 프린터로 상기 경화된 도포층 상부에 상기 섬유 보강층을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 d) 단계 내지 f) 단계를 반복하는 것이 바람직하고, 상기 (c) 단계 이후에, 상기 3D 프린터를 통하여 상기 섬유 보강재의 크기, 배열 및 형상 중 적어도 어느 하나를 제어하여 다르게 설정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 섬유 보강재는, 금속 또는 합성섬유를 원료로 하는 단섬유를 재질로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 단섬유는, 강 섬유, 유리 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하고, 상기 매트릭스는, 시멘트계 매트릭스인 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제2 특징은, 상술한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물이다.
본 발명에 따른 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 섬유 보강 복합재료 구조물은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 공정을 단순화하고 공정시간을 단축시킬 수 있는 간단한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법을 제공한다.
둘째, 본 발명은 보강섬유 교반 과정을 거치지 않고, 보강 섬유의 분산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 다양한 모양, 배열, 크기 등을 자유롭게 제어하여 다양한 특성의 섬유 보강 복합재료 구조물을 제조할 수 있는 방법을 제공한다
셋째, 본 발명은 콘크리트 구조물의 양생 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 섬유 보강층을 안정적으로 형성할 수 있게 되어, 보다 높은 인장 강도, 굽힘 강도, 내충격성, 인성 등을 특성을 갖는 양질의 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법 및 그 섬유 보강 복합재료 구조물을 제공한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 구조물 제조공정의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명이 실시예에 따른 섬유 보강 복합재료 구조물을 제조하는 3D 프린터의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 구조물 제조공정의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 구조물 제조공정의 모식도를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법은, 섬유 보강 복합재료 구조물이 형성될 공간에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 섬유 보강재 구조물을 형성하고, 상기 섬유 보강 복합재료 구조물이 형성될 나머지 공간에 매트릭스를 형성하여 양생하는 것을 특징으로 한다.
이처럼 본 발명의 실시예는 섬유 보강 복합재료 구조물의 내부에 포함되는 섬유 보강재 구조물을 3D 프린터를 이용하여 정밀하고 세밀하게 형성함으로써, 종래의 섬유 보강재 구조물 형성의 어려움을 개선하고, 섬유 보강재가 구조물 전체에 균일하게 분산되는 섬유 보강 복합재료 구조물 형상을 빠르고 용이하게 형성할 수 있게 되어, 제조공정을 단순화하고 공정시간을 단축시킬 수 있는 간단한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법을 제공할 뿐만 아니라, 다양한 모양, 배열, 크기 등을 자유롭게 제어하여 다양한 특성의 섬유 보강 복합재료 구조물을 제조할 수 있는 새로운 공법의 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법을 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 섬유 보강 복합재료 구조물 제조공정의 모식도를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 구조물 제조방법은, (a1) 구조물 공간을 형성하는 형틀 내부에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 섬유 보강재 구조물을 형성하는 단계; (a2) 상기 형틀 내부에 매트릭스를 투입하고 양생하는 단계; 및 (a3) 양생된 섬유 보강 복합재료 구조물에서 상기 형틀을 이탈시키는 단계를 포함하여 구성된다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예는 설계도에 따라 섬유 보강 복합재료 구조물이 형성될 공간에 형틀을 형성하고, 형틀 내부에 3D 프린터를 이용하여 3차원 적인 섬유 보강재 구조물을 레이어 단위로 적층하여 형성한다. 그리고, 상기 형틀 내부에 상기 섬유 보강재 구조물 이외의 공간에 매트릭스를 투입시켜 양생함으로써, 섬유 보강 복합재료 구조물을 빠르고 용이하게 제조할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예는 종래의 섬유 보강재를 형틀에 무작위로 투입한 후, 매트릭스를 투입하는 방법과 달리, 섬유 보강재가 섬유 보강 복합재료 구조물 공간에 균일하게 분산되어 분포되고, 미리 설정된 위치와 모양으로 정확하게 형성할 수 있도록 3D 프린터를 이용하여 레이어 단위의 적층 섬유 보강재 구조물을 형성하며, 섬유 보강재의 밀도, 배열, 방향, 형상 등을 왜곡 없이 정밀하고 정확하게 형성할 수 있다는 점에서, 보다 높은 인장 강도, 굽힘 강도, 내충격성, 인성 등의 특성을 갖는 양질의 섬유 보강 복합재료 구조물의 제조방법 및 그 구조물을 제공한다.
여기서 상기 매트릭스는 모르타르(Mortar)를 포함하는 것이 바람직하다. 모르타르는 시멘트와 물을 섞은 규토질의 물질로, 혼합비율은 흙손으로 다룰 수 있으면서 흘러내리듯 얇게 발라도 벽돌의 무게를 견딜 수 있는 충분한 형성력이 있기 때문에, 거푸집 내부에 구조물을 형성하기 위한 바탕 재료를 형성하면서, 섬유 보강재 구조물이 섬유 보강 복합재료 구조물 내부에서 충분히 그 형태 및 형상을 유지하여 구조물의 강도를 높일 수 있기 때문이다.
그리고, 모르타르의 구성물 중 첨가물질로 소석회, 착색제 등을 첨가하는 것도 가능하고, 특히 시멘트는 견고함과 방수효과를 유지하는 데 반드시 필요한 요소이다. 또한 모르타르는 굳어지면 마치 돌덩이와 같이 단단하고, 적당히 사용하면 결합된 표면을 따라 구조물의 하중을 고르게 분산시켜줄 뿐만 아니라 비바람을 막아주는 역할도 가능하기 때문에, 섬유 보강 복합재료 구조물의 특성에 따라 모르타르의 배합비율을 달리하여 적용할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 구조물 제조공정의 모식도를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명이 실시예에 따른 섬유 보강 구조물을 제조하는 3D 프린터의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법은, a) 3D 프린터로 매트릭스를 도포하여 베이스층을 형성하는 단계(S100); b) 상기 베이스층 상부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 섬유 보강재를 적층하여 섬유 보강층을 형성하는 단계(S110); c) 3D 프린터로 상기 섬유 보강층 상부에 상기 매트릭스를 다시 도포하여 도포층을 형성하는 단계(S120); 및 d) 3D 프린터로 상기 도포층 상부에 섬유 보강재를 적층하여 섬유 보강층을 형성하는 단계(S130)를 포함하여 구성된다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법은, 종래의 전통적인 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법과 같이, 거푸집을 형성하고, 내부에 철근 골조를 형성한 후, 콘크리트 복합체를 부어 양생하는 방식이 아니라, 3D 프린터를 이용하여 매트릭스 층과 미리 설정된 크기, 형상 및 배열 등을 가지는 섬유 보강층을 적층하는 방식으로 섬유 보강 복합재료 구조물을 제조함으로써, 제조 공정을 단순화하고 공정시간을 단축시킬 수 있는 간단한 구조물 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 실시예는, 종래의 섬유 보강재의 경우 시멘트계 메트릭스에 교반기나 믹서를 통해 혼합하여 섬유보강콘크리트 복합체를 형성하여 사용하던 방법에서 섬유 보강재가 균일하게 분산되지 않는 문제와 함께, 다양한 특성과 성능을 형성할 수 있도록 섬유 보강재의 배열, 형상, 크기 등을 정확하게 형성할 수 있고, 필요에 따라 공정 과정에서 제어할 수 없는 문제점을 개선하기 위해, 3D 프린터를 이용하여 매트릭스 층에 3D 프린터에서 미리 설정된 배열, 형상 및 크기를 갖는 섬유 보강층을 적층하는 방법으로 반복하여 구조물을 제조하는 방법을 제공한다.
그리고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 구조물 제조방법에 사용되는 3D 프린터는, 일반적인 프린터와 같이, 프린팅 재료를 주사하는 노즐과, 노즐의 위치를 3차원 방향으로 이송시키는 이송장치와, 이를 통합 제어하는 통합제어부로 구성된다.
여기서, 노즐은 구조물 프린팅 재료인 매트릭스를 주사하는 매트릭스 노즐과 섬유 보강재를 주사하는 섬유 보강층 노즐로 구성되며, 이송장치는 크레인과 유사한 구성으로 형성되고, 상기 노즐과 이송장치를 제어하는 통합제어부로서 컴퓨터 장치가 포함되어 구성된다. 즉, 통합제어부인 컴퓨팅 장치는 매트릭스나 섬유 보강재를 적층하기 위한 곳에 위치시키기 위해 구동을 제어하고, 적층량 또는 두께 및 크기를 제어하기 위해 노즐을 제어하게 된다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 구조물 제조방법에 사용되는 3D 프린터는 상기 노즐과 연결되어 프린팅 재료를 수용하고 저장하는 구조물 재료 저장장치를 더 구비하는 것이 바람직하고, 이 저장장치는 상기 매트릭스를 저장하는 저장장치와 섬유 보강재를 저장하는 저장장치가 분리되어 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 3D 프린터를 이용하여 적층방식으로 구조물을 제조하게 되면, 구조물 시공이 매우 용이할 뿐만 아니라, 시공기간이 훨씬 단축되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 섬유 보강층과 매트릭스 층으로 적층되어 형성되는 섬유 보강 복합재료 구조물은 강성이 높아지고, 균열 저항성이 높아질 뿐만 아니라, 섬유 보강 복합재료 구조물의 인장 강도, 굽힘 강도, 내충격성, 인성 등의 대폭적으로 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서 각 단계별 프로세스를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, (a) 단계(S100)는, 3D 프린터로 매트릭스를 도포하여 베이스층을 형성하는 단계이다. 여기서 매트릭스는 건축재료 복합체의 주성분을 말하는 것으로, 즉, 건축재료로서 다양한 첨가 성분에 대한 모체가 되는 부분을 말한다. 일반적으로 매트릭스는 시멘트계 매트릭스를 말하고, 시멘트계 매트릭스는 건축,토목 등에 사용되는 접합제로서 석회석에 여러물질을 섞어서 만든 가루를 재질로 한다.
시멘트계 매트릭스는 섞는 물질, 강도 등에 따라서 종류가 여러 가지가 있는데, 알루미나 시멘트, 고로슬래그시멘트. 포졸란시멘트 등 첨가재료 및 강도 등의 차이에 따라 달라진다. 일반적으로 건축재료로서 콘크리트에 사용되는 시멘트계 매트릭스는 보통 포틀랜드 시멘트로서 재령 28일의 압축강도를 가지는 시멘트계 매트릭스를 많이 사용한다.
즉, (a) 단계는 3D 프린터를 통해 설계도면에 의해 지정된 위치에 노즐을 위치시켜 이동하면서 상기 시멘트계 매트릭스를 도포하여 베이스 층을 형성하는 단계이다.
(b) 단계(S110)는, 상기 베이스층 상부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 섬유 보강재를 적층하여 섬유 보강층을 형성하는 단계이다. 즉, 베이스 층 상부에 섬유 보강재를 적층하는 단계로서, 상기 섬유 보강층 노즐에 의해 3D 프린터의 통합제어부에 의해 미리 설정된 크기, 배열 및 형상에 알맞도록 분사하여 적층하는 단계이다.
여기서, 섬유 보강재는 금속 또는 합성섬유를 원료로 하는 단섬유를 재질로 하는 것이 바람직하고, 상기 단섬유는, 강 섬유, 유리 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한, 섬유 보강재는 수상기를 갖는 친수성 합성섬유 또는 단부 훅크를 갖는 강섬유의 형태를 사용하는 것일 수도 있다.
종래에는 콘크리트가 인장 및 휨강도가 작을 뿐만 아니라 변형능력도 작기 때문에 공용기간 중 자기내구성이나 안전성에 유해한 균열이 발생하기 쉬운 결점을 가지고 있으며, 최대응력에 도달한 이후에 변형의 증가 없이 응력이 급격히 저하되는 취성적인 성질을 가지고 있다는 문제점을 개선하기 위하여 섬유보강 시멘트 복합재료 또는 섬유강화콘크리트 복합재료를 사용하는 것이 일반적이다.
여기서, 섬유강화콘크리트 복합재료(Fiber Reinforced Concrete)는 금속 또는 합성 수지를 원료로 한 단섬유 재료를 혼입하여 인장 강도, 굽힘 강도, 내충격성, 인성 등의 대폭적인 개선을 꾀한 콘크리트로서, 주요한 섬유 재료로서는 강 섬유, 유리 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 등이 있다.
즉, 탄소섬유, 아라미드 섬유 비닐섬유 등을 이용하여 콘크리트를 보강하는 것이 가능하고, 종래에는 이들을 단섬유로서 콘크리트에 분산하여 혼입하는 방법뿐 아니라 연속섬유로서 단면의 소정에 위치함으로써 높은 보강 효과를 구현하고 있다는 점에서 섬유 보강재의 재질로 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 종래에는 콘크리트 혼화용 폴리프로필렌 섬유를 보강한 PFRC가 개발되어 보급되고 있고, 이것은 콘크리트의 균열억제, 충격, 마모, 투수, 부식, 동해 등 여러 요인에 대한 저항력을 현저히 증대시키는 성질을 가지고 있다는 점에서 섬유 보강재의 재질로 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 섬유 보강재는 수상기를 갖는 친수성 합성섬유 또는 단부 훅크를 갖는 강섬유인 것이 바람직한데, 이는 친수성 합성섬유는 매트릭스 층인 시멘트와의 수화작용과 부착성을 높일 수 있고, 강섬유로서 단부 훅크를 갖는 강섬유는 후크가 고리로 작용하여 저항력을 증대시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
그러나, 이러한 종래의 섬유강화콘크리트 복합재료는 혼입하는 섬유량이 많아지면 섞어 반죽하기 곤란하고, 섬유 보강재가 균일하게 분산시키기가 어려울 뿐만 아니라, 워커빌리티도 나빠지는 문제점이 있다.
또한 종래의 섬유보강 콘크리트의 경우 많은 장점이 있지만, 섬유의 종류, 형태 및 혼입률에 따라 콘크리트의 공기량, 슬럼프, 분산성, 균열저감 및 강도 증진 효가에 큰 차이가 있으므로, 그 용도에 따라 소재의 장점은 살리고 단점은 보완하여 고기능성 복합재료로 사용할 수 있도록, 섬유 보강재의 종류, 크기, 배열 및 모양 등을 선택적으로 제어할 수 있고 정확하게 혼입 설정할 수 있는 기술은 여전히 미비한 실정이다.
이에 본 발명의 실시예에서는 균일한 두께를 갖는 시멘트계 매트릭스 층에 균일한 두께의 섬유 보강층을 형성하되, 섬유 보강층은 3D 프린터의 통합제어부에서 미리 설정된 섬유의 크기, 배열, 형상에 따라 적층하여 구조물을 형성하는 방법을 제안함으로써, 혼입하고 교반하는 과정을 거치지 않고, 섬유를 일정한 간격으로 위치시켜 분산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 다양한 모양, 배열, 크기 등을 자유롭게 제어하여 다양한 특성의 섬유 보강 복합재료 구조물을 제조할 수 있는 방법을 제공한다는 큰 장점이 있다.
(c) 단계(S120)는, 3D 프린터로 상기 섬유 보강층 상부에 상기 매트릭스를 다시 도포하여 도포층을 형성하는 단계이고, d) 단계(S130)는, 3D 프린터로 상기 도포층 상부에 섬유 보강재를 적층하여 섬유 보강층을 형성하는 단계이다. 즉, c) 단계와 d) 단계는 상기 매트릭스 층과 섬유 보강층을 적측하는 a) 단계 및 b) 단계를 반복하는 단계이다.
즉, 본 발명의 실시예는 매트릭스 층과 섬유 보강층을 반복적으로 적층하여 섬유 보강 복합재료 구조물을 형성기 때문에, 2차원 적인 단 섬유의 배열에 따라 평면상에서 균일하게 분포되어 분산성을 높이고, 3차원적으로 높이 또는 깊이 방향으로 적층에 의해 균일하게 섬유 보강층이 분포되어 분산성이 향상되는 효과를 얻을 수 있기 때문에, 종래의 섬유강화콘크리트 복합재료(Fiber Reinforced Concrete) 보다 콘크리트 구조물의 인장 강도, 굽힘 강도, 내충격성, 인성 등을 크게 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 구조물 제조공정의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법은, a) 3D 프린터로 매트릭스를 도포하여 베이스층을 형성하는 단계(S200); b) 상기 베이스층 상부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 섬유 보강재를 적층하여 섬유 보강층을 형성하는 단계(S210); c) 상기 베이스층을 경화하는 단계(S220); d) 3D 프린터로 상기 보강층 상부에 상기 매트릭스를 다시 도포하여 도포층을 형성하는 단계(S230); e) 상기 도포층을 경화하는 단계(S240); 및 f) 3D 프린터로 상기 경화된 도포층 상부에 상기 섬유 보강층을 형성하는 단계(S250)를 포함한다.
도 6 및 도 7에 나타낸 실시예는 도 3 및 도 4의 실시예와는 달리, 시멘트계 매트릭스 층을 형성한 후 경화하는 단계를 포함하는 실시예로서, 시멘트계 매트릭스 층 상부에 섬유 보강층을 형성하고, 가열 등으로 시멘트 메트릭스를 일정 부분 경화시킴으로써, 적층의 기반이 되는 층의 강성을 확보하고, 섬유 보강층을 부착 성능을 높여 균일하고 안정적으로 섬유 보강층을 형성하기 위함이다.
여기서 경화는 콘크리트의 양생과 다소 차이가 있는 것으로, 양생은 콘크리트를 수화작용과 경화를 시간을 두고 자연발생적으로 수행하는 작업이지만, 본 발명의 실시예에서 적용하는 경화는 완전히 수분이 증발되어 굳어지는 완전 경화가 아닌 미리 설정되고 시뮬레이션 된 경도를 형성하기 위해, 수분, 시간, 온도를 조절하여 시멘트 메트릭스 층을 경화하는 단계를 말한다.
즉, 본 발명의 실시에에서는 매트릭스 층을 형성한 후 약하게 경화하고, 메트릭스 층 및 섬유 보강층을 형성하여 다시 약하게 경화하는 방식으로 적층하여 섬유 보강 복합재료 구조물을 형성하게 되면, 이후의 콘크리트 구조물의 양생시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 섬유 보강층을 안정적으로 형성할 수 있게 되어, 보다 높은 인장 강도, 굽힘 강도, 내충격성, 인성 등을 특성을 갖는 양질의 섬유 보강 복합재료 구조물을 제조할 수 있게 된다.
여기서 매트릭스 층의 경화는 경화 시간, 온도, 습도 등을 미리 설정하여 동일하게 적용하는 것도 가능하고, 적층되는 높이에 따라 다르게 설정하여 수행하는 것도 가능하다. 이는 적층되는 높이에 따라 중력에 의해 받는 응력이 달라져 매트릭스 각 층이 요구되는 적정한 강도가 다르기 때문이다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 구조물이 형성될 공간에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 섬유 보강재 구조물을 형성하고,
    상기 구조물이 형성될 나머지 공간에 모르타르(Mortar)를 포함하는 매트릭스를 형성하여 양생하되,
    (a1) 섬유 보강 복합재료 구조물 공간을 형성하는 거푸집 내부에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 섬유 보강재 구조물을 형성하는 단계; (a2) 상기 거푸집 내부에 매트릭스 투입하고 양생하는 단계; 및 (a3) 양생된 섬유 보강 복합재료 구조물에서 상기 거푸집을 이탈시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유 보강재는,
    금속 또는 합성섬유를 원료로 하는 단섬유를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 단섬유는,
    강 섬유, 유리 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법.
  6. 청구항 1의 섬유 보강 복합재료 구조물 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 섬유 보강 복합재료 구조물.






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