KR102643336B1 - 3ｄ 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3D 프린팅 건설로봇을 이용하여 철근 결합 구조물을 시공하는 방법으로서, 시공할 철근 결합 구조물의 내부에 매립되기 위한 철근구조물을 수직되게 설치한 상태에서 철근구조물을 사이에 두고, 3D 프린팅 건설로봇에 의해 내부적층체와 외부적층체를 다단으로 적층 형성하되, 상기 철근구조물에 연결되는 수평철근의 양단이 상기 내부적층체 각각의 사이와 상기 외부적층체 각각의 사이에 매립되도록 하는, 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 건설용 3D 프린터를 사용하여 철근과 함께 시공이 가능하도록 함으로써, 인장력이나 열팽창력에 견고하면서 시공 품질이 우수한 건축 구조물의 건설을 가능하도록 하고, 이러한 건축 구조물에 대한 안전성의 확보를 통해 건설 자동화에 대한 기술 개발에 도움을 줄 수 있으며, 스마트 건설분야를 발전시키도록 하는 효과를 가진다.
본 발명에 따르면, 건설용 3D 프린터를 사용하여 철근과 함께 시공이 가능하도록 함으로써, 인장력이나 열팽창력에 견고하면서 시공 품질이 우수한 건축 구조물의 건설을 가능하도록 하고, 이러한 건축 구조물에 대한 안전성의 확보를 통해 건설 자동화에 대한 기술 개발에 도움을 줄 수 있으며, 스마트 건설분야를 발전시키도록 하는 효과를 가진다.
Description
본 발명은 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건설용 3D 프린터를 사용하여 철근과 함께 시공이 가능하도록 함으로써, 인장력이나 열팽창력에 견고하면서 시공 품질이 우수한 건축 구조물의 건설을 가능하도록 하는 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에 관한 것이다.
최근 건설 분야에서도 3D 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법이 도입되고 있다. 건설용 3D 프린터는 대상 구조물을 2차원의 평면 형태로 한 층씩 적층하는 방법을 반복 적용하여 3차원 구조물을 형성한다. 한편, 이러한 건설용 3D 프린터는 그 원료로 내구성 및 내열성이 우수하여 임의의 형상을 지닌 구조물도 용이하게 시공할 수 있도록 시멘트 혼합물을 사용한다.
종래 건설용 3D 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법과 관련되는 기술로서, 한국등록특허 제10-2102730호의 "타워형 3d 프린터 및 이를 이용한 구조물의 건설 방법"이 제시된 바 있는데, 이는 하면에 구동유닛이 배치되는 베이스플레이트; 상기 베이스플레이트의 상면 중앙에 결합되며, 높이가 조절되는 높이조절부; 상기 높이조절부의 상측 공간에 위치하며, 전후 방향으로 길이가 조절되는 슬라이드부; 상기 높이조절부와 상기 슬라이드부 사이에 결합되며, 상기 슬라이드부를 상기 높이 방향을 축으로 회동시키는 로테이터부; 상기 슬라이드부의 전단에 배치되며 시멘트 혼합물을 분사시키는 노즐부; 및 구조물의 형상에 따라 상기 구동유닛, 상기 높이조절부, 상기 슬라이드부, 상기 로테이터부 및 상기 노즐부를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부와 별도로 타워형 3d 프린터의 이동 경로를 설정하는 경로제어부;를 더 포함하며, 높이조절부는 내부에 삽입된 회전스크류의 회동에 의해 축이 상기 높이 방향으로 왕복 이동하는 실린더부; 및 내부에 상기 실린더부가 수용되도록 내부가 빈 공간으로 중공되는 기둥프레임;을 포함하며, 상기 회전스크류가 회동하면 축 말단은 상기 기둥프레임의 상단 개구를 통해 인입출되고, 상기 구동유닛은 레일 위에서 구름 운동하는 바퀴; 일단이 상기 베이스플레이트에 결합되며, 상기 바퀴의 구동축 양단이 거치되는 바퀴프레임; 및 상기 구동유닛이 상기 레일에서 이탈되지 않도록 상기 바퀴의 일 측면에 상기 바퀴와 동심축을 갖도록 형성되는 가이드서클판과 상기 바퀴프레임의 단부 내측면에 말단으로 갈수록 그 두께가 감소하는 형상으로 형성되는 가이드경사부로 이루어지는 이탈방지부;를 포함한다.
이와 같이, 건설용 3D 프린터의 사용은 국내 및 해외에서 늘어가고 있는 추세인데, 현재 철근과 함께 시공하는 방법에 대한 연구가 미진하고, 수평철근의 설치가 되지 않아 시공 구조물의 인장력 및 열팽창력 등이 취약하며, 소비자 측면에서 안전성에 대한 우려로 인해, 건설 자동화에 대한 기술개발의 저해 요인이 되고 있다.
이러한 문제에 대한 해결이 선행되지 않으면, 장기간 안정성에 대한 논란이 지속되어, 스마트 건설분야의 발전에 장애가 될 수 있다. 특히, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 3D 프린팅 건설로봇에 의해 미리 내부공간을 가지도록 벽체를 형성한 다음, 이러한 벽체의 내측에 철근구조물을 삽입시, 삽입하는 과정에서 벽체가 손상될 뿐만 아니라, 벽체 내측에 철근구조물을 삽입하더라도 철근구조물과 벽체와의 어떠한 결합 관계를 가지지 못함으로써, 벽체 내측에 철근구조물이 매립되도록 레미콘을 타설할 경우, 레미콘의 자중이나 타설 압력 등에 의해 벽체가 터지게 되는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 건설용 3D 프린터를 사용하여 철근과 함께 시공이 가능하도록 함으로써, 인장력이나 열팽창력에 견고하면서 시공 품질이 우수한 건축 구조물의 건설을 가능하도록 하고, 이러한 건축 구조물에 대한 안전성의 확보를 통해 건설 자동화에 대한 기술 개발에 도움을 주며, 스마트 건설분야를 발전시키도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 3D 프린팅 건설로봇을 이용하여 철근 결합 구조물을 시공하는 방법으로서, 시공할 철근 결합 구조물의 내부에 매립되기 위한 철근구조물을 수직되게 설치한 상태에서 철근구조물을 사이에 두고, 3D 프린팅 건설로봇에 의해 내부적층체와 외부적층체를 다단으로 적층 형성하되, 상기 철근구조물에 연결되는 수평철근의 양단이 상기 내부적층체 각각의 사이와 상기 외부적층체 각각의 사이에 매립되도록 하는, 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법이 제공된다.
상기 철근구조물을 수직되게 설치하는 단계; 상기 철근구조물을 사이에 두고 내측과 외측에 상기 3D 프린팅 건설로봇에 의해 상기 철근구조물보다 낮은 높이의 내부적층체와 외부적층체를 각각 형성하는 단계; 상기 철근구조물에 수평되게 연결되는 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계; 및 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 상기 3D 프린팅 건설로봇에 의해 후속 내부적층체와 후속 외부적층체를 각각 연결시키도록 형성시킴으로써 내부적층체 각각의 사이와 외부적층체 각각의 사이에 상기 수평철근의 끝단이 각각 매립되어 상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체에 고정되도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 수평철근의 끝단이 매립되도록 함으로써, 상기 내부적층체 각각의 적층에 의해 형성되는 부분내부벽체와 상기 외부적층체 각각의 적층에 의해 형성되는 부분외부벽체 사이의 상기 철근구조물 상단에 후속 철근구조물을 수직되게 연결시키는 단계, 상기 후속 철근구조물을 사이에 두고 내측과 외측에 상기 3D 프린팅 건설로봇에 의해 상기 철근구조물보다 낮은 높이의 내부적층체와 외부적층체를 각각 형성하는 단계, 상기 후속 철근구조물에 수평되게 연결되는 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계, 그리고, 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 상기 3D 프린팅 건설로봇에 의해 후속 내부적층체와 후속 외부적층체를 각각 연결시키도록 형성시킴으로써 내부적층체 각각의 사이와 외부적층체 각각의 사이에 상기 수평철근의 끝단이 매립되어 상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체에 고정되도록 하는 단계를 적어도 1회 이상 반복해서 실시할 수 있다.
상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계와, 상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체에 고정되도록 하는 단계를 다수로 반복되게 수행할 수 있다.
상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계는, 상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체의 상단을 따라 간격을 두고서 다수로 위치하도록 하고, 상기 내부적층체와 상기 외부적층체를 각각 형성하는 단계는, 상기 수평철근이 외부로 노출되지 않도록 상기 내부적층체와 상기 외부적층체가 피복 역할을 수행하도록 형성되도록 하되, 상기 3D 프린팅 건설로봇에서 프린팅 재료를 분사하는 노즐이 상기 내부적층체 및 상기 외부적층체 각각을 불연속적으로 형성하도록 하거나, 상기 철근 결합 구조물의 통로를 통해서 이동함으로써 상기 내부적층체와 상기 외부적층체를 연속적으로 형성하도록 할 수 있다.
상기 3D 프린팅 건설로봇에서 프린팅 재료를 분사하는 노즐이 하단에 설치되어 Z방향으로 승강하는 Z방향이동체의 폭이 90~110mm로 이루어져서, 상기 노즐이 상기 철근구조물과의 내측과 외측에 상기 내부적층체와 상기 외부적층체를 형성시 상기 철근구조물과의 간섭을 회피하기 위한 간격을 유지할 수 있다.
상기 3D 프린팅 건설로봇은, 1차프린팅재료펌핑기로부터 1차로 펌핑 공급되는 프린팅 재료를 X방향으로 이동하는 X방향이동체에 마련되는 2차프린팅재료펌핑기에 의해 2차로 펌핑하여 콘트롤러의 제어에 의해 프린팅 재료를 분사하는 노즐에 공급되도록 하거나, 상기 1차프린팅재료펌핑기로부터 1차로 펌핑 공급되는 프린팅 재료를 Z방향으로 승강하는 Z방향이동체에 마련되는 고압호스를 통해서 콘트롤러의 제어에 의해 상기 노즐에 공급하도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에 의하면, 건설용 3D 프린터를 사용하여 철근과 함께 시공이 가능하도록 함으로써, 인장력이나 열팽창력에 견고하면서 시공 품질이 우수한 건축 구조물의 건설을 가능하도록 하고, 이러한 건축 구조물에 대한 안전성의 확보를 통해 건설 자동화에 대한 기술 개발에 도움을 줄 수 있으며, 스마트 건설분야를 발전시키도록 하는 효과를 가진다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법을 순차적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에서 노즐 및 시공 구조물에 대한 규격을 설명하기 위한 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에 의한 노즐의 이동 경로 일례를 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에 의한 노즐의 이동 경로 다른 예를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에서 3D 프린팅 건설로봇의 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에서 노즐 및 시공 구조물에 대한 규격을 설명하기 위한 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에 의한 노즐의 이동 경로 일례를 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에 의한 노즐의 이동 경로 다른 예를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에서 3D 프린팅 건설로봇의 다른 예를 도시한 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법을 순차적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법은 시공할 철근 결합 구조물(10)의 내부에 매립되기 위한 철근구조물(11)을 수직되게 설치한 상태에서 철근구조물(11)을 사이에 두고, 3D 프린팅 건설로봇(100)에 의해 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)를 다단으로 적층 형성하되, 철근구조물(11)에 연결되는 수평철근(14)의 양단이 내부적층체(12a) 각각의 사이와 외부적층체(13a) 각각의 사이에 매립되도록 하며, 이를 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 1을 참조하면, 상기의 철근구조물(11)을 미리 수직되게 설치한다. 여기서 철근구조물(11)은 예컨대 제 1 및 제 2 철근(11a,11b)을 서로 교차하도록 연결시킴으로써 형성될 수 있는데, 구조 설계에 따라 적절한 철근 직경과 개수 그리고, 배근 등이 정해질 수 있다. 또는 철근구조물(11)은 시공면이나 작업면 등에 자체 구조 또는 별도의 조치에 의해 자립될 수 있도록 하고, 예컨대 높이가 1.0 ~ 1.5 m일 수 있는데, 그 높이를 이에 한정할 필요가 없으며, 하나의 단으로 이루어지거나, 상하방향으로 겹침 이음에 의해 연결됨으로써 다단으로 구성될 수 있다
철근구조물(11)의 수직 설치를 마치면, 이러한 철근구조물(11)을 사이에 두고 내측과 외측에 3D 프린팅 건설로봇(100)에 의해 철근구조물(11)보다 낮은 높이의 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)를 각각 형성하도록 할 수 있다. 여기서, 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)의 높이는 안정적인 형성을 가능하도록 하는 높이일 수 있고, 예컨대 철근구조물(11) 높이의 1/5~1/2일 수 있으며, 이에 반드시 한하지 않고 다양하게 정해질 수 있음은 물론이다.
3D 프린팅 건설로봇(100)은 건설용 3D 프린터로서, 예컨대, 다수의 Y방향레일(111)이 상방으로 개방되도록 마련되는 프레임구조체(110)와, Y방향레일(111)에 교차하여 Y방향레일(111)을 따라 이동하도록 설치되는 X방향레일(120)과, X방향레일(120)이 Y방향레일(111)을 따라 이동하도록 구동력을 제공하는 Y방향구동부(130)와, X방향레일(120)을 따라 이동하도록 설치되는 X방향이동체(140)와, X방향이동체(140)가 X방향레일(120)을 따라 이동하도록 구동력을 제공하는 X방향구동부(150)와, X방향이동체(140)에 Z방향을 따라 이동하도록 설치되는 Z방향이동체(160)와, Z방향이동체(160)가 X방향이동체(140)에 Z방향을 따라 이동하도록 구동력을 제공하는 Z방향구동부(170)와, Z방향이동체(160)의 하단에 시멘트계 프린팅 재료를 분사하도록 설치되는 노즐(180)과, 노즐(180)에 시멘트계 프린팅 재료를 1차 및 2차 펌핑 구조에 의해 교반 및 압출 분사하기 위해 마련되는 1차 및 2차프린팅재료펌핑(190,210)를 포함할 수 있다.
프레임구조체(110)는 상단에 한 쌍의 Y방향레일(111)이 연결프레임(112)에 서로 연결된 상태에서 수직프레임(113)과 수평프레임(114)의 교차 연결에 의해 Y방향레일(111)이 지면으로부터 이격되게 설치되도록 할 수 있다. X방향레일(120), X방향이동체(140) 및 Z방향이동체(160) 각각은 Y방향레일(111), X방향레일(120) 및 X방향이동체(140)에 이동 가능하게 설치되기 위하여, 리니어 모션 가이드, 슬라이딩 결합부 또는 가이드축 등의 이송 가이드 부재 내지 장치를 사용할 수 있다. 또한 Y방향구동부(130), X방향구동부(150), Z방향구동부(170)는 이송에 필요한 구동력을 제공하기 위하여, 회전모터의 회전력을 랙 및 피니언이나 리드스크류 및 볼스크류 등의 직선운동 전환부재 등을 사용하여 전달하거나, 리니어모터를 사용하거나, 유압 등을 사용하는 실린더 등을 사용할 수 있다.
1차 및 2차프린팅재료펌핑기(190,210)는 예컨대, 모터에 의해 회전하는 이송스크류나 이송날개 또는 압축이송수단 등을 비롯하여 다양한 방식을 사용하여 프린팅 재료를 교반하여, 노즐(180) 측으로 압축 공급하도록 할 수 있는데, 예컨대, 본 실시례에서처럼 1차 및 2차 펌핑 구조를 가짐으로써, 외부의 1차프린팅재료펌핑기(190)로부터 고압호스(191)를 통해서 1차로 펌핑 공급되는 프린팅 재료를 X방향으로 이동하는 X방향이동체(140)에 마련되는 2차프린팅재료펌핑기(210)에 의해 2차로 펌핑하여 콘트롤러의 제어에 의해 Z방향이동체(160) 내부에 마련되는 고압호스(미도시)를 통해 노즐(180)에 공급되도록 할 수 있다.
내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)의 형성을 마치면, 철근구조물(11)에 수평되게 연결되는 수평철근(14)이 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a) 각각의 상단에 위치하도록 한다. 이때, 수평철근(14)은 철근구조물(11)에 수평되게 와이어나 결속클립 등의 다양한 결속 부재를 사용하여 고정되도록 할 수 있다.
수평철근(14)의 설치를 마치면, 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a) 각각의 상단에 3D 프린팅 건설로봇(100)에 의해 후속 내부적층체(12a)와 후속 외부적층체(13a)를 각각 연결시키도록 형성시킴으로써 내부적층체(12a) 각각의 사이와 외부적층체(13a) 각각의 사이에 수평철근(14)의 끝단이 각각 매립되어 수평철근(14)이 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)에 고정되도록 한다. 수평철근(14)은 일단이 내부적층체(12a) 각각의 사이에 매립되어 고정되고, 타단이 외부적층체(13a) 각각의 사이에 매립되어 고정되며, 이로 인해 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a) 사이의 간격 유지가 뛰어나도록 할 뿐만 아니라, 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a) 사이에 콘크리트를 타설하여 철근구조물(11)을 매립시, 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)가 내구성이 뛰어난 견고한 일체형 거푸집으로서, 터짐을 방지하도록 할 수 있다.
도 2에서와 같이, 수평철근(14)은 내측의 내부적층체(12a)가 다수로 적층되는 부분내부벽체(12b)와 외측의 외부적층체(13a)가 다수로 적층되는 부분외부벽체(13b)의 의해 자신의 주위로 콘트리트 타설에 의해 매립되기 위한 공간이 확보되도록 하는데, 부분내부벽체(12b)와 부분외부벽체(13b)라고 칭하는 것은 본 실시례에서처럼 철근구조물(11)이 다단으로 구성됨으로써 내부벽체(12)와 외부벽체(13)의 일부를 이루기 때문이다. 즉, 내부벽체(12)는 부분내부벽체(12b)의 다단 적층으로 이루어질 수 있고, 외부벽체(13)는 부분외부벽체(13b)의 다단 적층으로 이루어질 수 있다. 따라서, 철근구조물(11)이 1단으로 구성될 경우, 부분내부벽체(12b)와 부분외부벽체(13b) 각각을 내부벽체(12)와 외부벽체(13)라고 칭할 수 있다.
본 발명에서, 철근구조물(11)은 1단으로 구성될 수도 있으나, 본 실시례에서처럼 겹침 이음 등에 의해 다단으로 구성될 수 있음은 물론이다. 이를 위해, 도 3에서와 같이, 수평철근(14)의 끝단이 매립되도록 함으로써, 내부적층체(12a) 각각의 적층에 의해 형성되는 부분내부벽체(12b)와 외부적층체(13a) 각각의 적층에 의해 형성되는 부분외부벽체(13b) 사이의 철근구조물(11) 상단에 후속 철근구조물(11)을 수직되게 연결시키는 단계, 후속 철근구조물(11)을 사이에 두고 내측과 외측에 3D 프린팅 건설로봇(100)에 의해 철근구조물(11)보다 낮은 높이의 내부적층체(12a; 도 1 참조)와 외부적층체(13a; 도 1 참조)를 각각 형성하는 단계, 후속 철근구조물(11)에 수평되게 연결되는 수평철근(14)이 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a) 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계, 그리고, 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a) 각각의 상단에 3D 프린팅 건설로봇(100)에 의해 후속 내부적층체(12a)와 후속 외부적층체(13a)를 각각 연결시키도록 형성시킴으로써 내부적층체(12a) 각각의 사이와 외부적층체(13a) 각각의 사이에 수평철근(14)의 끝단이 매립되어 수평철근(14)이 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)에 고정되도록 하는 단계를 적어도 1회 이상 반복해서 실시하여, 내부적층체(12a)의 다수 적층에 의해 내부벽체(12)가 형성되도록 할 수 있고, 외부적층체(13a)의 다수 적층에 의해 외부벽체(13)가 형성되도록 할 수 있다. 이때, 내부적층체(12a) 각각의 적층 경계와 외부적층체(13a) 각각의 적층 경계에는 수평철근(14)의 양단이 각각 매립되게 된다.
한편, 철근구조물(11) 각각에 대해서, 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)가 적어도 3단 이상 적층되도록 하기 위하여, 앞서 기술한 단계 외에도, 수평철근(14)이 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a) 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계와, 수평철근(14)이 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)에 고정되도록 하는 단계를 다수로 반복되게 수행할 수 있다.
수평철근(14)이 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a) 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계는 본 실시례에서처럼, 수평철근(14)이 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)의 상단을 따라 간격을 두고서 다수로 위치하도록 할 수 있고, 이로 인해 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)가 전방위적으로 형성된 공간을 유지하기 위한 보강부재 및 스페이서로서의 역할을 극대화시킬 수 있도록 한다.
내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)를 각각 형성하는 단계는 수평철근(11)이 외부로 노출되지 않도록 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)가 피복 역할을 수행하도록 형성되도록 할 수 있고, 이로 인해 수평철근(11)의 산화를 방지하여 철근 결합 구조물(10)의 내구성을 높이도록 하되, 일례로 3D 프린팅 건설로봇(100)에서 프린팅 재료를 분사하는 노즐(180)이 도 6에서와 같이, 내부적층체(12a) 및 외부적층체(13a) 각각을 형성하기 위하여 예컨대 A 경로와 B 경로 각각을 가짐으로써 불연속적으로 형성하도록 할 수 있고, 이로 인해 통로를 가지지 않는 구조물이 해당 층에 대한 안정적인 적층 시공이 이루어지도록 할 수 있다. 또한 도 7에서와 같이, 다른 예로서, 철근구조물(11)과 내부적층체(12a')와 외부적층체(13a')의 개방 구조에 의해 통로(15')를 가지는 철근 결합 구조물(10')의 경우, 노즐(180)이 이러한 통로(15')를 통해서 이동함으로써 내부적층체(12a')와 외부적층체(13a')를 연속적으로 형성하도록 할 수 있고, 내부적층체(12a')와 외부적층체(13a')의 형성 작업이 신속하게 이루어지도록 할 수 있으며, 이로 인해 생산성 향상에 기여할 수 있다.
3D 프린팅 건설로봇(100)에서 프린팅 재료를 분사하는 노즐(180)이 하단에 설치되어 Z방향으로 승강하는 Z방향이동체(160)의 폭이 90~110mm로 이루어져서, 노즐(180)이 철근구조물(11)과의 내측과 외측에 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)를 형성시 철근구조물(11)과의 간섭을 회피하기 위한 간격을 유지할 수 있도록 한다.
도 5를 참조하면, 벽체 전체 두께(D)가 250mm인 경우, 예컨대 노즐(180)의 두께(d1)는 40mm이고, 철근구조물(11)과 내부적층체(12a) 또는 외부적층체(13a)와의 간격(d2)은 35mm이고, 내부적층체(12a) 또는 외부적층체(13a)의 두께(d3)가 50mm임을 감안하면, 철근구조물(11)과 Z방향이동체(160)의 간격(d4)이 3D 프린팅 건설로봇(100)에 의한 실제 동작 범위를 고려하여, 35mm 내외를 유지하는 것이 최선이므로, Z방향이동체(160)의 폭(d5)은 90~110mm일 수 있으며, 일례로 100mm일 수 있는데, 이로 인해 벽체 전체 두께(D)가 300mm인 경우에도 철근구조물(11)과 Z방향이동체(160)의 간격(d4)이 60mm를 확보할 수 있으며, 이러한 Z방향이동체(160)의 폭(d5)으로 인해, 철근 결합 구조물(10)의 시공에서 대부분 요구되는 벽체 전체 두께(D)를 만족시키면서, 노즐(180)이 철근구조물(11)과의 간섭이나 충돌 우려 없이 안정적으로 이동하면서 내부적층체(12a)와 외부적층체(13a)의 형성을 가능하도록 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시례에 따른 3D 프린팅 건설로봇은 이전의 실시례에서 1차 및 2차로 프린팅 재료를 펌핑 공급하는 구조와 달리, 1차로 재료를 펌핑 공급하도록 하는데, 이를 위해 1차프린팅재료펌핑기(390)로부터 1차로 펌핑 공급되는 프린팅 재료를 고압호스(391)를 통해서 X방향이동체(340)로부터 Z방향으로 승강하는 Z방향이동체(360) 내부에 마련되는 고압호스를 통해서 콘트롤러의 제어에 의해 노즐(380)에 공급하도록 할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법에 따르면, 건설용 3D 프린터를 사용하여 철근과 함께 시공이 가능하도록 함으로써, 인장력이나 열팽창력에 견고하면서 시공 품질이 우수한 건축 구조물의 건설을 가능하도록 한다.
또한 본 발명에 따르면, 이러한 건축 구조물에 대한 안전성의 확보를 통해 건설 자동화에 대한 기술 개발에 도움을 줄 수 있으며, 스마트 건설분야를 발전시키도록 할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
11,11' : 철근구조물 11a : 제 1 철근
11b : 제 2 철근 12 : 내부벽체
12a,12a' : 내부적층체 12b : 부분내부벽체
13 : 외부벽체 13a,13a' : 외부적층체
13b : 부분외부벽체 14 : 수평철근
15' : 통로 110 : 프레임구조체
111 : Y방향레일 112 : 연결프레임
113 : 수직프레임 114 : 수평프레임
120 : X방향레일 130 : Y방향구동부
140,340 : X방향이동체 150 : X방향구동부
160,360 : Z방향이동체 170 : Z방향구동부
180,380 : 노즐 190,390 : 1차프린팅재료펌핑기
191,391 : 공급라인 210 : 2차프린팅재료펌핑
11b : 제 2 철근 12 : 내부벽체
12a,12a' : 내부적층체 12b : 부분내부벽체
13 : 외부벽체 13a,13a' : 외부적층체
13b : 부분외부벽체 14 : 수평철근
15' : 통로 110 : 프레임구조체
111 : Y방향레일 112 : 연결프레임
113 : 수직프레임 114 : 수평프레임
120 : X방향레일 130 : Y방향구동부
140,340 : X방향이동체 150 : X방향구동부
160,360 : Z방향이동체 170 : Z방향구동부
180,380 : 노즐 190,390 : 1차프린팅재료펌핑기
191,391 : 공급라인 210 : 2차프린팅재료펌핑
Claims (7)
- 3D 프린팅 건설로봇을 이용하여 철근 결합 구조물을 시공하는 방법으로서,
시공할 철근 결합 구조물의 내부에 매립되기 위한 철근구조물을 수직되게 설치한 상태에서 철근구조물을 사이에 두고, 3D 프린팅 건설로봇에 의해 내부적층체와 외부적층체를 다단으로 적층 형성하되, 상기 철근구조물에 연결되는 수평철근의 양단이 상기 내부적층체 각각의 사이와 상기 외부적층체 각각의 사이에 매립되도록 하고,
상기 철근구조물을 사이에 두고 내측과 외측에 상기 3D 프린팅 건설로봇에 의해 상기 철근구조물보다 낮은 높이의 내부적층체와 외부적층체를 각각 형성하는 단계;
상기 철근구조물에 수평되게 연결되는 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계; 및
상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 상기 3D 프린팅 건설로봇에 의해 후속 내부적층체와 후속 외부적층체를 각각 연결시키도록 형성시킴으로써 내부적층체 각각의 사이와 외부적층체 각각의 사이에 상기 수평철근의 끝단이 각각 매립되어 상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체에 고정되도록 하는 단계;
를 포함하고,
상기 3D 프린팅 건설로봇에서 프린팅 재료를 분사하는 노즐이 하단에 설치되어 Z방향으로 승강하는 Z방향이동체의 폭이 90~110mm로 이루어져서, 상기 노즐이 상기 철근구조물과의 내측과 외측에 상기 내부적층체와 상기 외부적층체를 형성시 상기 철근구조물과의 간섭을 회피하기 위한 간격을 유지할 수 있도록 하고,
상기 3D 프린팅 건설로봇은,
1차프린팅재료펌핑기로부터 1차로 펌핑 공급되는 프린팅 재료를 X방향으로 이동하는 X방향이동체에 마련되는 2차프린팅재료펌핑기에 의해 2차로 펌핑하여 콘트롤러의 제어에 의해 프린팅 재료를 분사하는 노즐에 공급되도록 하거나, 상기 1차프린팅재료펌핑기로부터 1차로 펌핑 공급되는 프린팅 재료를 Z방향으로 승강하는 Z방향이동체에 마련되는 고압호스를 통해서 콘트롤러의 제어에 의해 상기 노즐에 공급하도록 하는, 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 수평철근의 끝단이 매립되도록 함으로써, 상기 내부적층체 각각의 적층에 의해 형성되는 부분내부벽체와 상기 외부적층체 각각의 적층에 의해 형성되는 부분외부벽체 사이의 상기 철근구조물 상단에 후속 철근구조물을 수직되게 연결시키는 단계, 상기 후속 철근구조물을 사이에 두고 내측과 외측에 상기 3D 프린팅 건설로봇에 의해 상기 철근구조물보다 낮은 높이의 내부적층체와 외부적층체를 각각 형성하는 단계, 상기 후속 철근구조물에 수평되게 연결되는 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계, 그리고, 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 상기 3D 프린팅 건설로봇에 의해 후속 내부적층체와 후속 외부적층체를 각각 연결시키도록 형성시킴으로써 내부적층체 각각의 사이와 외부적층체 각각의 사이에 상기 수평철근의 끝단이 매립되어 상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체에 고정되도록 하는 단계를 적어도 1회 이상 반복해서 실시하는, 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법. - 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계와, 상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체에 고정되도록 하는 단계를 다수로 반복되게 수행하는, 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체 각각의 상단에 위치하도록 하는 단계는,
상기 수평철근이 상기 내부적층체와 상기 외부적층체의 상단을 따라 간격을 두고서 다수로 위치하도록 하고,
상기 내부적층체와 상기 외부적층체를 각각 형성하는 단계는,
상기 수평철근이 외부로 노출되지 않도록 상기 내부적층체와 상기 외부적층체가 피복 역할을 수행하도록 형성되도록 하되, 상기 3D 프린팅 건설로봇에서 프린팅 재료를 분사하는 노즐이 상기 내부적층체 및 상기 외부적층체 각각을 불연속적으로 형성하도록 하거나, 상기 철근 결합 구조물의 통로를 통해서 이동함으로써 상기 내부적층체와 상기 외부적층체를 연속적으로 형성하도록 하는, 3D 프린팅 건설로봇을 이용한 철근 결합 구조물 시공방법. - 삭제
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| KR101911404B1 (ko) * | 2017-01-19 | 2018-12-19 | 연세대학교 산학협력단 | 3d 프린팅 시스템을 위한 콘크리트 압출 장치 |
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|---|---|---|---|---|
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