KR101738246B1 - 3d 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 철근 콘크리트 구조물에 관한 것으로, 구조물이 형성될 공간에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 철근 구조물을 형성하고, 상기 구조물이 형성될 나머지 공간에 매트릭스를 형성하여 양생하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 본 발명은, 제조공정을 단순화하고 공정 시간을 단축시킬 수 있는 철근 콘크리트 구조물 제조방법을 제공하고, 철근 구조물의 정밀성 및 안정성을 향상시키고 다양한 모양, 배열, 크기 등을 자유롭게 제어하여 다양한 특성의 철근 콘크리트 구조물을 제조할 수 있는 방법 및 그 방법으로 제조된 철근 콘크리트 구조물을 제공한다.

Description

3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 구조물{MANUFACTURING METHOD OF STRUCTURE WITH REINFORCED CONCRETE CONSTRUCTION USING 3D PRINTER}

본 발명은 철근 콘크리트 구조물 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 높은 내진, 내화, 내구성을 갖고, 보다 쉽게 자유로운 형상으로 디자인 가능한 양질의 철근 콘크리트 구조물을 용이하고 빠르게 제조할 수 있는 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 구조물에 관한 것이다.

건축구조는 주체구조의 재료에 따라 목구조, 벽돌구조, 시멘트 블록 구조, 돌구조, 철근콘크리트구조, 철골구조, 철골 철근콘크리트구조 등으로 나뉘어지는데, 이 중 고층건물의 시공에는 주로 철근콘크리트구조와 철골구조, 철근콘크리트구조가 이용된다.

특히, 상기 철근콘크리트구조는 콘크리트의 인장응력의 약점을 철근으로 보완해 준 구조로서, 내구성과 내화성의 면에서는 유리하나, 자중이 크고, 시공이 복잡하며, 공기가 긴 단점이 있다. 반면에, 상기 철골구조는 구조상 중요한 뼈대부분에 형강ㆍ강판ㆍ강관 등의 강재를 사용하여 조립한 구조로서, 건물의 중량을 줄일 수 있고, 시공성이 좋아 공기를 단축할 수 있는 장점이 있으나, 내화성이 낮아 값비싼 내화 피복을 사용하여야 한다는 단점이 있다.

그리고, 상기의 철골철근콘크리트구조는 철근콘크리트와 철골구조의 중간적인 구조로서, 앞서 언급한 철근콘크리트 구조와 철골구조의 결점을 보완한 구조이다.

한편, 건축구조물을 구조시스템으로 분류하면 단일구조, 혼합구조, 복합구조로 나뉘어진다. 즉, 단일구조는 기둥, 보등의 주요부재가 같은 종류의 단일부재로 구성된 구조이고, 혼합구조는 서로 다른 단일구조를 동일한 건물에 혼용한 구조이며, 복합구조는 주요 부재인 기둥과 보가 각각 다른 단일부재로 구성된 구조이다. 그 가운데 혼합구조는 하부와 상부가 각각 철근콘크리트구조와 철골구조로 이루어지는 예도 있고, 철골구조 건물에서 코어(Core)부분은 철근콘크리트구조로, 주변부분은 철골구조로 되어 있는 예도 있다. 이러한 구조들 중에 어떠한 구조시스템을 선택할 것인지는, 구조역학상의 요인에 따라 그 외력을 어떤 방법으로 지지 구조물에 무리없이 전달시킬 것인가에 의존한다.

그런데, 현재 설계 및 시공 중인 구조물에서 보면 단일구조로 설계된 것은 거의 없고, 구조물의 용도나 규모로 볼 때 시공성이나 경제성 측면에서 대부분 혼합구조나 복합구조로 설계되고 있는 추세이다.

따라서, 건축구조물을 설계하고 시공을 하는데 있어, 어떠한 재료를 사용하 고, 어떠한 구조시스템으로 설계하며 시공을 할 것인지는 건축구조물의 용도, 경제성, 시공성 등 여러가지 면을 고려하여 결정하여야 한다.

더불어 이와 같은 종래의 철근콘크리트구조는 철근 구조 또는 철근망 구조를 형성하고, 거푸집을 형성한 후 콘크리트 타설 후 양생과정을 거쳐 최종 형성하게 되는데, 이 철근 또는 철근망 구조를 인력으로 형성하기 때문에, 현장에서 많은 오차가 발생하는 문제점이 있고, 인력에 의해 철근의 변형 및 조합에 한계가 있기 때문에 다양한 모양, 형상 및 구조로 자유롭게 건축물 또는 구조물을 설계 및 시공하기 어려운 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-0854894호(등록일자: 2008년08월21일) 대한민국 등록특허공보 제10-1211906호(등록일자: 2012년12월06일)

본 발명에 따른 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 구조물은 다음과 같은 해결과제를 가진다.

첫째, 본 발명은 제조공정을 단순화하고 공정 시간을 단축시킬 수 있는 철근 콘크리트 구조물 제조방법을 제공하고자 함이고, 철근 구조물의 정밀성 및 안정성을 향상시키고 다양한 모양, 배열, 크기 등을 자유롭게 제어하여 다양한 특성의 철근 콘크리트 구조물을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 함이다.

둘째, 본 발명은 양생 시간을 단축시키고, 보다 높은 내진, 내화, 내구성을 갖는 양질의 철근 콘크리트 구조물 제조방법 및 그 철근 콘크리트 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 철근 구조물을 형성하고, 상기 구조물이 형성될 나머지 공간에 매트릭스를 형성하여 양생하는 것이다.

여기서, 상기 철근 콘크리트 구조물 제조방법은, (a1) 구조물이 형성될 공간을 형성하는 거푸집 내부에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 철근 구조물을 형성하는 단계; (a2) 상기 철근 구조물이 형성된 거푸집 내부에 매트릭스 투입하고 양생하는 단계; 및 (a3) 양생된 구조물에서 상기 거푸집을 이탈시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 철근 콘크리트 구조물 제조방법은, b1) 구조물이 공간을 형성하는 거푸집 내부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 제1 철근 보강 구조층을 형성하는 단계; b2) 상기 제 1 철근 보강 구조층의 공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계; b3) 상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층 상부로 적층 되도록 제2 철근 보강 구조층을 형성하는 단계; 및 b4) 상기 제2 철근 보강 구조층의 공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 거푸집 내부에 상기 철근 보강 구조층과 매트릭스가 채워질 때까지 상기 a) 단계 내지 d) 단계를 반복하는 것이 바람직하고, 상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층과 제2 철근 보강 구조층의 크기, 배열 및 형상 중 적어도 어느 하나를 다르게 설정하는 것이 바람직하다.

더하여, 바람직하게는, 상기 매트릭스는, 시멘트계 매트릭스인 것일 수 있고, 상기 철근 콘크리트 구조물 제조방법은, c1) 구조물이 공간을 형성하는 거푸집 내부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 제1 철근 보강 구조층을 형성하는 단계; c2) 상기 제 1 철근 보강 구조층의 공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계; c3) 상기 제1 철근 구조무층의 공간에 도포된 콘크리트 매트릭스를 경화하는 단계; c4) 상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층 상부로 적층 되도록 제2 철근 보강 구조층을 형성하는 단계; c5) 상기 제2 철근 보강 구조층 공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계; 및 c6) 상기 제2 철근 보강 구조층 공간에 도포된 상기 콘크리트 매트릭스를 경화를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 거푸집 내부에 상기 철근 보강 구조층과 매트릭스가 채워질 때까지 상기 a) 단계 내지 f) 단계를 반복하는 것이 바람직하고, 상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층과 제2 철근 보강 구조층의 크기, 배열 및 형상 중 적어도 어느 하나를 다르게 설정하는 것이 바람직하며, 상기 매트릭스는, 시멘트계 매트릭스인 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 제2 특징은 상술한 철근 콘크리트 구조물 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법 및 그 방법으로 제조된 철근 콘크리트 구조물은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 본 발명은 공정을 단순화하고 공정시간을 단축시킬 수 있는 간단한 철근 콘크리트 구조물 제조방법을 제공한다.

둘째, 본 발명은 정확하고 정밀하게 철근 구조물을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 모양, 배열, 크기 등을 자유롭게 제어하여 다양한 특성의 철근 콘크리트 구조물을 제조할 수 있는 방법을 제공한다

셋째, 본 발명은 철근 콘크리트 구조물의 양생 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 철근 구조물을 정밀하고 안정적으로 형성할 수 있게 되어, 보다 높은 내진, 내화, 내구성을 갖는 양질의 철근 콘크리트 구조물 제조방법 및 그 철근 콘크리트 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 철근 콘크리트 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 철근 콘크리트 구조물 제조공정에서 3D 프린터에 의한 철근 구조를 형성하는 공정의 모식도이다.
도 3은 철근 구조물 공간에 매트릭스를 도포하는 공정의 모식도이고, 도 4는 양생 후 거푸집을 이탈시키는 공정의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 시시예에 따라 철근 콘크리트 구조물의 양생 후 거푸집을 이탈시키는 공정의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철근 콘크리트 구조물 제조공정의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명이 실시예에 따른 철근 콘크리트 구조물을 제조하는 3D 프린터의 사용 모식도를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법의 흐름을 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 철근 콘크리트 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법은, 철근 콘크리트 구조물이 형성될 공간에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 철근 구조물을 형성하고, 상기 철근 콘크리트 구조물이 형성될 나머지 공간에 매트릭스를 형성하여 양생하는 것을 특징으로 한다.

이처럼 본 발명의 실시예는 철근 콘크리트 구조물의 내부에 포함되는 철근 구조물을 3D 프린터를 이용하여 정밀하고 세밀하게 형성함으로써, 종래의 철근 구조물 형성의 어려움 및 한정된 구조의 한계를 개선하고, 구조적 안정성과 설계도와의 일치도가 높은 철근 콘크리트 구조물 형상을 빠르고 용이하게 형성할 수 있게 된다. 그리고, 제조공정을 단순화하고 공정시간을 단축시킬 수 있는 간단한 철근 콘크리트 구조물 제조방법을 제공할 뿐만 아니라, 다양한 모양, 배열, 크기 등을 자유롭게 제어하여 다양한 특성의 철근 콘크리트 구조물을 제조할 수 있는 새로운 공법의 철근 콘크리트 구조물 제조방법을 제공한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 철근 콘크리트 구조물 제조공정에서 3D 프린터에 의한 철근 구조를 형성하는 공정의 모식도이고, 도 3은 철근 구조물 공간에 매트릭스를 도포하는 공정의 모식도이고, 도 4는 양생 후 거푸집을 이탈시키는 공정의 모식도이다.

도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철근 콘크리트 구조물 제조방법은, (a1) 구조물 공간을 형성하는 거푸집 또는 형틀 내부에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 철근 구조물(105)을 형성하는 단계(도 2 참조); (a2) 상기 거푸집(10) 내부에 매트릭스(100)를 투입하고 양생하는 단계(도 3 참조); 및 (a3) 양생된 철근 콘크리트 구조물(150)에서 상기 거푸집(10)을 이탈시키는 단계(도 4 참조)를 포함하여 구성된다.

즉, 도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예는 설계도에 따라 철근 콘크리트 구조물(150)이 형성될 공간에 거푸집(10)을 형성하고, 거푸집(10) 내부에 3D 프린터를 이용하여 3차원 적인 철근 구조물(105)을 레이어 단위로 적층하여 형성한다. 그리고, 상기 형틀 내부에 상기 철근 구조물(105) 이외의 공간에 매트릭스를 투입시켜 양생함으로써, 철근 콘크리트 구조물(150)을 빠르고 용이하게 제조할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예는 종래의 철근 구조물(105)을 인력에 의해 형성한 후, 매트릭스를 투입하는 방법과 달리, 철근 구조물(105)이 철근 콘크리트 구조물 공간에 안정적으로 형성하고, 미리 설정된 위치와 모양으로 정확하게 형성할 수 있도록 3D 프린터를 이용하여 레이어 단위의 적층 철근 구조물(105)을 형성하며, 철근 구조물(105)의 배열, 방향, 모양 및 형상 등을 왜곡 없이 정밀하고 정확하게 형성할 수 있다는 점에서, 보다 높은 내진, 내화, 내구성 등의 특성을 갖는 양질의 철근 콘크리트 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(10) 내부에 구조물을 형성하기 위한 바탕 재료를 형성하면서, 철근 구조물(105)이 철근 콘크리트 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, 철근 콘크리트 구조물의 특성에 따라 모르타르의 배합비율을 달리하여 적용할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철근 콘크리트 구조물 제조공정의 모식도를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명이 실시예에 따른 철근 콘크리트 구조물을 제조하는 3D 프린터의 사용 모식도를 나타낸 도면이다.

도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철근 콘크리트 구조물 제조방법은, b1) 구조물이 공간을 형성하는 거푸집(10) 내부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 제1 철근 보강 구조층(110)을 형성하는 단계(S100); b2) 상기 제 1 철근 보강 구조층의 공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계(S110); b3) 상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층(110) 상부로 적층 되도록 제2 철근 보강 구조층을 형성하는 단계(S120); 및 b4) 상기 제2 철근 보강 구조층의 공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계(S130)를 포함하여 구성된다.

이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 철근 콘크리트 구조물 제조방법은, 종래의 전통적인 철근 콘크리트 구조물 제조방법으로서, 거푸집(10)을 형성하고, 내부에 철근 골조를 형성한 후, 콘크리트 복합체를 부어 양생하는 방식이 아니라, 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 형상 및 배열 등을 가지는 철근 보강 구조층을 형성하고, 철근 보강 구조층의 공간에 매트릭스를 도포하는 공정을 반복하여 적층하는 방식으로 철근 콘크리트 구조물을 제조함으로써, 제조 공정을 단순화하고 공정시간을 단축시킬 수 있는 간단한 구조물 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명의 실시예는, 종래의 철근 구조물을 형성하는 방법의 경우 인력으로 형성하기 때문에, 현장에서 많은 오차가 발생하는 문제점이 있고, 인력에 의해 철근의 변형 및 조합에 한계가 있기 때문에 다양한 모양, 형상 및 구조로 건축물 또는 구조물을 설계 및 시공하기 어려운 문제점이 있었지만, 본 발명의 실시예에에서는 3D 프린터를 이용하여, 다양한 특성과 성능을 형성할 수 있도록 철근 구조물의 배열, 형상, 크기 등을 정확하게 형성할 수 있고, 이에 따라 다양한 디자인의 철근 콘크리트 구조물을 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

그리고, 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철근 콘크리트 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 철근 재료를 주사하는 철근재료 노즐로 구성되며, 이송장치는 크레인과 유사한 구성으로 형성되고, 상기 노즐과 이송장치를 제어하는 통합제어부로서 컴퓨터 장치가 포함되어 구성된다. 즉, 통합제어부인 컴퓨팅 장치는 매트릭스나 철근재료를 적층하기 위한 곳에 위치시키기 위해 구동을 제어하고, 적층량 또는 두께 및 크기를 제어하기 위해 노즐을 제어하게 된다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 철근 콘크리트 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 철근재료를 저장하는 저장장치가 분리되어 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 3D 프린터를 이용하여 적층방식으로 철근 구조물을 제조하게 되면, 구조물 시공이 매우 용이할 뿐만 아니라, 시공기간이 훨씬 단축되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 철근 구조물과 여기에 도포되는 매트릭스로 구성되는 레이어 단위의 철근 콘크리트 구조물층이 적층되는 방식으로 형성함으로써, 철근 콘크리트 구조물은 강성이 높아지고, 균열 저항성이 높아질 뿐만 아니라, 철근 콘크리트 구조물의 내진, 내화, 내구성 등의 특성 등의 대폭적으로 개선되는 효과를 얻을 수 있다.

이하에서 각 단계별 프로세스를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, (a) 단계(S100)는, 3D 프린터로 철근 보강 구조층을 형성하는 단계이다. 종래에는 철근 구조물 또는 철근망 구조물을 인력으로 사람이 직접 철근 구조물을 설치하기 위해, 철근의 변형 및 조합의 공정이 까다롭고 시간이 많이 소요되는 문제점과 함께, 실제 현장에서 설계도에서 디자인된 것과 다르거나 치수 오차들이 많이 발생하는 문제점을 개선하기 위해 본 발명의 실시예에서는 철근 구조물을 3D 프린터를 이용하여 정밀하고 철근 구조물을 레이어 단위로 구조물층 형성하고 이를 적층하는 방법을 제안하는 것이다.

즉, (a) 단계는 3D 프린터를 통해 설계도면에 의해 지정된 위치에 노즐을 위치시켜 이동하면서 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 철근 보강 구조층을 형성하는 단계이다. 이와 같이 3D 프린터를 이용하게 되면, 설계도면과의 오차를 최소화할 수 있을 정도로 정밀할 뿐만 아니라, 다양한 모양, 형상 등으로 쉽고 자유롭게 디자인 할 수 있다는 점에서 건축 디자인 자유도를 높일 수 있는 장점이 있다.

(b) 단계는 3D 프린터에 의해 레이어 단위의 제1 철근 구조물의 공간에 메트릭스를 도포하는 단계를 말한다. 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.

상술한 바와 같이, 제1 철근 구조물의 공간에 메트릭스를 도포하면, 거푸집(10)과 철근 구조물 사이에서 형성되는 나머지 공간에 메트릭스로 채워지게 되고, 이 메트릭스가 양생되거나 경화되면서 레이어 단위의 제1 철근 콘크리트 구조물층을 형성하게 된다.

(c) 단계(S120)는, 다시 3D 프린터를 이용하여 상기 제1 철근 보강 구조층(110) 상부로 연장 되도록 제2 철근 보강 구조층(120)을 형성하고, d) 단계는 제2 철근 보강 구조층(120)에 메트릭스를 도포하여 제2 철근 콘크리트 구조물층을 적층하는 단계이다.

이처럼 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법은 3D 프린터를 이용하여 레이어 단위로 철근 보강 구조층을 형성하고, 이 철근 보강 구조층 빈공간에 메트릭스를 도포하여 레이어 단위의 철근 콘크리트 구조물층을 형성하고, 이 과정을 반복하면서 철근 콘크리트 구조층을 적층하여 전체 철근 콘크리트 구조물을 형성하는 방법을 제안한다.

즉, 본 발명의 실시예는 철근 구조물을 3D 프린터를 이용하여 보다 정밀하고 빠르게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 설계도와의 치수 오차를 최소화하고 다양한 모양 및 형상의 철근 구조물을 쉽고 자유롭게 형성할 수 있고, 이를 바탕으로 철근 콘크리트 구조물을 레이어 단위로 적층하는 방식으로 형성함으로써, 보다 높은 내진, 내화, 내구성을 갖는 양질의 철근 콘크리트 구조물 제조방법 및 그 철근 콘크리트 구조물을 제공한다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철근 콘크리트 구조물 제조방법은, c1) 구조물이 공간을 형성하는 거푸집(10) 내부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 제1 철근 보강 구조층(110)을 형성하는 단계(S200); c2) 상기 제 1 철근 보강 구조층의 공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계(S210); c3) 상기 제1 철근 구조무층의 공간에 도포된 콘크리트 매트릭스를 경화하는 단계(S220); c4) 상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층(110) 상부로 적층 되도록 제2 철근 보강 구조층(120)을 형성하는 단계(S230); c5) 상기 제2 철근 보강 구조층(120) 공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계(S240); 및 c6) 상기 제2 철근 보강 구조층(120) 공간에 도포된 상기 콘크리트 매트릭스를 경화하는 단계(S250)를 포함하여 구성된다.

도 8에 나타낸 실시예는 도 5 및 도 6의 실시예와는 달리, 제1 및 제2 철근 보강 구조층(120)의 공간에 시멘트계 매트릭스 도포한 후 경화하는 단계를 포함하는 실시예로서, 제1 및 철근 보강 구조층 공간에 시멘트계 매트릭스를 도포하고, 가열 등으로 시멘트 메트릭스를 일정 부분 경화시킴으로써, 적층의 기반이 되는 철근 콘크리트 구조물층의 강성을 확보하고, 철근 구조물과의 접착 성능을 높여 균일하고 안정적으로 철근 콘크리트 구조물층을 형성하기 위함이다. 여기서, 철근 콘크리트 구조물층은 3D 프린터에 의해 형성된 레이어 단위의 철근 구조물과, 철근 구조물의 공간에 도포된 메트릭스에 의해 형성된 적층기반 구조물층을 의미한다.

그리고, 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 메트릭스를 경화하는 단계를 말한다.

즉, 본 발명의 실시에에서는 각각의 매트릭스를 순차적으로 약하게 경화하는 방식으로 적층하여 철근 콘크리트 구조물을 형성하게 되면, 이후의 전체 콘크리트 구조물의 양생시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 철근 구조물을 안정적으로 형성할 수 있게 되어, 보다 높은 내진, 내화, 내구성 등의 특성 갖는 양질의 철근 콘크리트 구조물을 제조할 수 있게 된다.

여기서 매트릭스의 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 (11)

1. 구조물이 형성될 공간에 3D 프린터를 이용하여 미리 설정된 크기, 배열 및 형상으로 철근 구조물을 형성하고,
   상기 구조물이 형성될 나머지 공간에 콘크리트용 매트릭스를 형성하여 양생하되,
   b1) 구조물이 공간을 형성하는 거푸집 내부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 제1 철근 보강 구조층을 형성하는 단계; b2) 상기 제 1 철근 보강 구조층의 빈공간에 콘크리트용 매트릭스를 도포하는 단계; 및 b3) 상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층 상부로 적층 되도록 제2 철근 보강 구조층을 형성하는 단계; 및 b4) 상기 제2 철근 보강 구조층의 빈공간에 콘크리트용 매트릭스를 도포하는 단계를 포함하고,
   상기 거푸집 내부에 상기 철근 보강 구조층과 매트릭스가 채워질 때까지 상기 b1) 단계 내지 b4) 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층과 제2 철근 보강 구조층의 크기, 배열 및 형상 중 적어도 어느 하나를 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 매트릭스는,
   시멘트계 매트릭스인 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 철근 콘크리트 구조물 제조방법은,
   c1) 구조물이 공간을 형성하는 거푸집 내부에 3D 프린터로 미리 설정된 크기, 배열, 형상으로 제1 철근 보강 구조층을 형성하는 단계;
   c2) 상기 제 1 철근 보강 구조층의 빈공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계;
   c3) 상기 제1 철근 구조무층의 빈공간에 도포된 콘크리트 매트릭스를 경화하는 단계;
   c4) 상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층 상부로 적층 되도록 제2 철근 보강 구조층을 형성하는 단계;
   c5) 상기 제2 철근 보강 구조층 빈공간에 콘크리트 매트릭스를 도포하는 단계; 및
   c6) 상기 제2 철근 보강 구조층 빈공간에 도포된 상기 콘크리트 매트릭스를 경화를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법.
8. 청구항 7 있어서,
   상기 거푸집 내부에 상기 철근 보강 구조층과 매트릭스가 채워질 때까지 상기 c1) 단계 내지 c6) 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 3D 프린터로 상기 제1 철근 보강 구조층과 제2 철근 보강 구조층의 크기, 배열 및 형상 중 적어도 어느 하나를 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법.
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 매트릭스는,
    시멘트계 매트릭스인 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물 제조방법.
11. 청구항 1 또는 청구항 7 중 어느 한 항의 철근 콘크리트 구조물 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 철근 콘크리트 구조물.

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