KR20200017603A - 3d 프린팅을 이용한 철근 및 골재 콘크리트 적층 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

3D 프린팅을 이용한 철근 및 골재 콘크리트 적층 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법은, 3D 프린팅을 위한 콘크리트 골재 압출을 위해 트럭믹서(truck　mixer), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기로부터 콘크리트가 진공 상태의 펌프(can pump)로 유입되는 단계; 및 상기 펌프로부터 연결 호스에 의해 3D 프린팅용 콘크리트의 압출을 위한 노즐부까지 연결되어, 압력 측정 장치 또는 기압(air pressure) 진공펌프의 압력 조절에 따라 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

3D 프린팅을 이용한 철근 및 골재 콘크리트 적층 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR LAMINATING REINFORCED AND AGGREGATE CONCRETE USING 3D PRINTING}
아래의 실시예들은 3D 프린팅을 이용한 철근 및 골재 콘크리트 적층 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 3D 프린팅을 이용하여 기계적인 방법으로 철근 콘크리트(reinforced concrete) 및 골재 콘크리트(aggregate concrete)를 적층시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
국내외적으로 건설산업에서 3D 프린팅(3D printing)을 활용한 철근 콘크리트 주택 및 교량, 터널에 대한 관심이 집중되고 있다. 일반적인 고합성 수지, 플라스틱 3D 프린터와 달리 철근 콘크리트 건설용 3D 프린터는 주택 등과 같은 대상 구조물의 실제 크기에 따라 대용량의 콘크리트 모르타르를 배합할 수 있는 믹서(재료 공급부)에서 펌프로 연결호스로 주입하여, 노즐부에서 콘크리트 모르타르를 압출, 타설, 적층 프린트하면서, 콘크리트 모르타르의 형상을 유지할 수 있는 조기 경화를 촉진하기 위해 급결제 같은 다양한 화학적 시멘트 혼화재료를 사용하고 있다.
그러나, 3D 프린팅 콘크리트 모르타르 적층시 양생, 경화 시간 조절 실패로 콘크리트 모르타르가 유동성이 상실(균열, 갈라짐)되거나, 밑에 층이 경화 부족으로 위층 타설시 붕괴되는 현상이 발생하기도 한다.
한편, 콘크리트 시멘트 모르타르는 시멘트와 물, 모래, 자갈의 혼합재료로서, 배합 단계에서 시멘트와 물이 화학반응으로 수화발열하면서 수화반응으로 에트링 자이트나 C-S-H와 같은 수화생성물이 생성되어 응결과정을 거쳐 장시간 28일 표준양생기간을 넘어 경화하여 혼합된 골재를 바인딩 하면서 압축강도를 발현하고, 콘크리트의 부족한 인장력을 보강하기 위해 철근을 사용하고 있다..
그러나 국내외 대부분 3D 프린팅 콘크리트의 경우 프린터 노즐의 민감도 및 기계적 마모 등으로 실제 공사용 자갈(시방서 일반 골재 25mm, 댐콘크리트 골재 100mm, 레미콘 경우 19mm 골재)이 없는 시멘트 풀 상태의 시멘트 페이스트 모르타르를 적용하여 실제 구조물의 콘크리트 압축 및 인장강도 발현에 큰 장애가 되고 있다.
다시 말하면, 대부분의 건설용 3D 프린터는 미세한 기계적 장치로, 일반 모래나 골재가 없는 시멘트, 물 페이스트 상태에서 응집력 보강을 위해 복합섬유나 집섬(gypsum) 등을 사용하거나, 고분자 계열의 특수 시멘트를 사용하여 일반 골재와 철근이 복합된 일반 철근 콘크리트 구조물에는 3D 프린팅의 시공상 한계점을 드러내고 있다.
또한, 철근 콘크리트 구조물의 철근을 조립하는 방법으로 철선을 프린터로 용융압출 프린팅하거나, 프린터로 콘크리트 외벽 단면을 적층한 후 철근을 삽입하는 방법을 사용하지만 경제성과 철근의 역학적 위치에 따른 인장력 정착 실패로 대부분 철근이 없는 시멘트 모르타르의 3D 프린팅에 한정되고 있다.
한국공개특허 10-2016-0043509호는 이러한 3D 프린팅을 이용한 철근콘크리트 구조물 제조방법에 관한 것으로, 3D 프린팅으로 3차원 형상의 콘크리트블록을 성형한 후 콘크리트블록 내부에 철근주물을 주입시켜 보강철근을 일체로 성형하는 장치에 관한 기술을 기재하고 있다.
한국공개특허 10-2016-0043509호
실시예들은 3D 프린팅을 이용한 철근 및 골재 콘크리트 적층 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 3D 프린팅을 이용하여 기계적인 방법으로 철근 콘크리트(reinforced concrete) 및 골재 콘크리트(aggregate concrete)를 적층시키는 기술을 제공한다.
실시예들은 3D 프린팅을 이용하여 철근 콘크리트 구조물의 철근 조립 방법과, 철근 조립 후 3D 프린팅을 위한 복합 노즐 방법 그리고 골재 사용에 따른 콘크리트 프린팅 적층, 구조단면의 단락, 부등건조 수축, 역학적 시공성을 개선하기 위한 3D 프린팅을 이용한 철근 및 골재 콘크리트 적층 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법은, 3D 프린팅을 위한 콘크리트 골재 압출을 위해 트럭믹서(truck　mixer), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기로부터 콘크리트가 진공 상태의 펌프(pump)로 유입되는 단계; 및 상기 펌프로부터 연결 호스에 의해 3D 프린팅용 콘크리트의 압출을 위한 노즐부까지 연결되어, 압력 측정 장치 또는 기압(air pressure) 진공펌프의 압력 조절에 따라 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 용기와 진공 상태의 상기 펌프의 상기 연결 호스가 연결된 상기 노즐부에 콘크리트 압출 개폐식 밸브가 하나의 유닛으로 구성되어, 상기 압출 개폐식 밸브를 이용하여 상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르의 압출을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 면에 전극판을 압착하여 경화를 촉진시키는 단계를 더 포함하고, 상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 면에 전극판을 압착하여 경화를 촉진시키는 단계는, 상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르 압출하여 적층시키는 면에 소정 크기의 상기 전극판을 소정 시간 압착하는 단계; 상기 전극판을 통해 전기 저항치가 높은 골재 및 시멘트와 저항치가 낮은 물로 형성된 콘크리트에 교류전류를 흘려, 상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 면에 전극판을 압착하여 경화를 촉진시키는 단계는, 3D 프린팅 콘크리트 골재용 경화제를 분무 살수하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시킴에 따라 형성된 외곽 벽체를 거푸집 대용으로 사용하여 철근을 조립 또는 삽입하고, 폼 타이(form tie)로 고정시킨 후 콘크리트를 충진하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일정 높이 이하로 철근을 조립한 후, 소정 각도 기울어진 형태의 경사 노즐이나 복수의 노즐로 구성된 상기 노즐부를 이용하여 상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시킴에 따라 형성된 구조체 단면의 외곽 벽체를 타설하면서 내부를 충진하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법은, 트럭믹서(truck　mixer), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기로부터 시멘트 모르타르를 3D 프린터와 연결시키기 위한 호퍼 장비와 회전자 나선편입 로터(Rotor) 및 타원형 2중 나선형의 고정자(Stator)를 포함하는 모노 펌프를 이용하여 시멘트 모르타르를 압출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3D 프린터의 연결 호스와 노즐부에 구성된 솔레노이드 밸브를 이용하여 상기 시멘트 모르타르의 압출을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 3D 프린터의 연결 호스와 노즐부에 구성된 솔레노이드 밸브를 이용하여 상기 시멘트 모르타르의 압출을 조절하는 단계는, 상기 3D 프린터의 상기 노즐부에 구성된 가이드판을 이용하여 상기 시멘트 모르타르의 타설 및 적층시키며, 상기 시멘트 모르타르의 타설 각도 방향에 따라 상기 가이드판의 각도가 자동 조절되어 상기 시멘트 모르타르의 타설 방향을 안내할 수 있다.
3D 프린팅 콘크리트 적층시, 전기 저항과 인장력 특성을 갖는 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 중 적어도 어느 하나 이상의 철근 부재를 릴 형태로 상기 3D 프린터에 부착하고 별도의 모터로 송출시켜, 콘크리트 타설과 동시에 상기 콘크리트 속에 삽입된 후 긴장 및 정착되어 상기 콘크리트의 인장력을 보강하는 단계를 더 포함할 수 있다.
3D 프린팅 콘크리트 삽입용 상기 철근 부재의 철선의 직선이나 단면이 변하는 경우, 상기 철선을 자동절단하고 상기 철선을 기계적으로 긴장한 후 정착하여 상기 철선에 인장력을 도입하거나, 대상 구조물의 콘크리트 인장 부위에 팽창제를 혼합한 시멘트를 프린팅하여 인장력을 도입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
3D 프린팅 콘크리트 적층시, 상기 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 중 적어도 어느 하나 이상의 철근 부재에 전류를 흐르게 하여, 콘크리트의 시멘트 수화반응을 촉진시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
삽입된 상기 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 중 적어도 어느 하나 이상의 철근 부재에 전기 조절 장치를 연결하고, 구조물의 전자파 또는 방사선을 차폐시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
3D 프린팅 콘크리트로 구조물 벽체 또는 슬래브 단면의 거푸집 모양 외곽을 타설한 후, 수밀 콘크리트 또는 방수액을 도포한 3D 프린팅 핵방호 시설에 중수 또는 파동 항산화물로 방사능을 차폐하거나, 핵방호용 철판 또는 알루미늄판을 3D 프린팅하거나 삽입 밀봉하는 3D 프린팅 핵방호 시설을 마련하는 단계를 더 포함할 수 있다.
3D 프린팅 철근 콘크리트 건축물을 3D 프린팅 가능 수직 단면으로 모듈화하여 타설하고, 기 설치된 연결구에 볼트 및 너트와 같은 강결 장치로 구조물 전체를 형성하여 시공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
3D 프린팅 종방향, 횡방향 철근 콘크리트 연속 건축물을 시공하기 위하여 상기 3D 프린터에 수평 방향 레일이나 캐타필라식 바퀴를 설치하고, 수직 방향 타워 크레인에 고정식 3D 프린팅 노즐을 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면 3D 프린팅을 이용하여 철근 콘크리트 구조물의 철근 조립 방법과, 철근 조립 후 3D 프린팅을 위한 복합 노즐 방법 그리고 골재 사용에 따른 콘크리트 프린팅 적층, 구조단면의 단락, 부등건조 수축, 역학적 시공성을 개선하기 위한 3D 프린팅을 이용한 철근 및 골재 콘크리트 적층 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 3D 프린팅 건설산업의 장애인 철근과 골재가 있는 일반 건축물의 상용화를 위한 실제 시공성 향상 방법을 제공함으로써, 4차 산업혁명 시대 신개념의 무인 자율 로봇 개념의 철근 콘크리트 건설 산업을 창출할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치의 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치의 다른 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치의 또 다른 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 일 실시예에 따른 3D 프린터의 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 3D 프린팅을 이용하여 철근 콘크리트 구조물의 철근 조립 방법과, 철근 조립 후 3D 프린팅을 위한 복합 노즐 방법 그리고 골재 사용에 따른 콘크리트 프린팅 적층, 구조단면의 단락, 부등건조 수축, 역학적 시공성을 개선하기 위한 기계적인 방법 및 장치에 대한 것이다.
아래에서는 일반 골재와 시멘트, 물의 혼합에 따른 초기 혼합 및 3D 프린팅 콘크리트 적층시 슬러리 상태의 초기 콘크리트의 최적 적층 양생 강도와 부드러운 이송과 압출을 위해 진공식 펌핑 유닛, 진공 연결부 압력 측정 장치, 스크루 타입 또는 모노 펌프 방식의 개폐식 노즐부가 기계 시스템적으로 연결되어 프린팅 작업성을 증진시킬 수 있다. 또한, 3D 프린팅 콘크리트 구조물의 수직 적층을 위해 실시간 경화촉진 전기 가열판을 갖는 3D 프린팅 콘크리트 기초판과 위치 조절용 프린팅 가이드 및 실린더 노즐부가 설치될 수 있다.
그리고 철근 콘크리트 구조물을 위해 단면에 따라 외곽을 3D 프린팅한 후, 거푸집 개념에서 철근을 외부 조립 삽입, 콘크리트 충진하거나, 철근 조립 후 복수의 콘크리트 노즐로 철근을 피해 프린팅하는 방법, 전기 가열 또는 인장 철선을 콘크리트 내부에 삽입, 긴장하는 방법으로 3D 프린팅 철근 콘크리트 구조물의 적층 내구성 및 인장력을 증진시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 골재 문제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 골재 콘크리트 적층 방법 및 장치를 제공할 수 있다. 여기서, 골재는 모르타르 또는 콘크리트의 뼈대가 되는 재료로, 견고하고 화학적으로 안정된 것이어야　하며 주로 모래와 자갈을 사용할 수 있다.
일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치는 3D 프린팅을 위해 콘크리트의 적층시 페이스트 상태의 초기 골재 콘크리트의 쉬운 이송과 압출을 위해 기계적 마모가 적은 진공식 펌핑 유닛, 진공 연결부 압력 측정 장치, 실제 대상 구조물의 형태에 따라 스크루 타입 또는 모노 펌프식의 개폐식 노즐 장치가 기계 시스템적으로 연결될 수 있다. 그리고, 3D 프린팅 골재 콘크리트 구조물의 여러 층의 적층을 위해 실시간 경화촉진 전기 가열판을 갖는 3D 프린팅 콘크리트 기초판과 사이드 가이드 패널 및 실린더 노즐부, 또는 노즐부에서 실시간 혼화제 및 열, 파장을 분사할 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법은, 3D 프린팅을 위한 콘크리트 골재 압출을 위해 트럭믹서(truck　mixer), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기(또는 탱크)로부터 콘크리트가 진공 상태의 펌프(pump)로 유입되는 단계(110) 및 펌프로부터 연결 호스에 의해 3D 프린팅용 콘크리트의 압출을 위한 노즐부까지 연결되어, 압력 측정 장치 또는 기압(air pressure) 진공펌프의 압력 조절에 따라 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 단계(120)를 포함할 수 있다. 예컨대, 펌프는 캔 펌프(can pump)가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
용기와 진공 상태의 펌프의 연결 호스가 연결된 노즐부에 콘크리트 압출 개폐식 밸브가 하나의 유닛으로 구성되어, 압출 개폐식 밸브를 이용하여 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르의 압출을 제어하는 단계(130)를 더 포함할 수 있다.
한편, 3D 프린팅에 사용되는 프린팅 원료는 구조물 건설에 필요한 콘크리트 혼합물이 될 수 있으며, 콘크리트 혼합물은 시멘트와 물 및 모래나 자갈 또는 자갈분 등의 골재가 혼합되어 이루어질 수 있다. 그리고 프린팅 원료는 열가소성 콘크리트뿐 아니라 비가소성 콘크리트를 사용할 수 있다. 여기에서 프린팅 원료는 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르라 언급하였다.
일 예로 프린팅 원료에는 유동화제, 증점제, 감수제, 급결제 중 적어도 둘 이상의 혼화재료 배합에 의한 3D 프린팅 용매를 포함할 수 있다. 다른 예로, 프린팅 원료는 신속한 경화를 위해 수소 생성수과 수소 에멀전 중 적어도 하나 이상의 조합으로 이루어진 3D 프린팅 용매를 포함할 수 있다. 또 다른 예로, 프린팅 원료는 신속한 경화를 위해 조강 시멘트 또는 폴리머 시멘트로 이루어진 콘크리트를 포함할 수 있다. 또한, 앞에서 설명한 3D 프린팅 용매들이 조합될 수도 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법을 하나의 예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 여기서, 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법은 앞에서 설명한 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치에 의해 수행될 수 있으며, 간단히 3D 프린터로 언급할 수 있다.
단계(110)에서, 3D 프린터는 3D 프린팅을 위한 콘크리트 골재 압출을 위해 트럭믹서(truck　mixer)(즉, 레미콘 차량), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기로부터 콘크리트가 진공 상태의 펌프(pump)로 유입될 수 있다.
이 때, 펌프는 내부에 스크루나 로테이터가 없는 진공 상태로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 스크루가 있는 경우 골재가 스크루에 걸려 골재의 압출이 어려우므로, 스크루가 없는 진공 상태의 펌프를 이용하여 골재 압출을 수행할 수 있다.
단계(120)에서, 3D 프린터는 펌프로부터 연결 호스에 의해 3D 프린팅용 콘크리트의 압출을 위한 노즐부까지 연결되어, 압력 측정 장치 또는 기압(air pressure) 진공펌프의 압력 조절에 따라 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시킬 수 있다. 여기서, 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르는 3D 프린팅을 위해 사용되는 모래 및 자갈을 포함하는 콘크리트를 포함할 수 있다.
단계(130)에서, 3D 프린터는 용기와 진공 상태의 펌프의 연결 호스가 연결된 노즐부에 콘크리트 압출 개폐식 밸브가 하나의 유닛으로 구성되어, 압출 개폐식 밸브를 이용하여 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르의 압출을 제어할 수 있다. 즉, 노즐부에 압출 개폐식 밸브를 구성하여 사용되는 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르의 압출을 제어할 수 있다.
단계(140)에서, 3D 프린터는 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 면에 전극판을 압착하여 경화를 촉진시킬 수 있다.
이러한 3D 프린터는 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르 압출하여 적층시키는 면에 소정 크기의 전극판을 소정 시간 압착하고, 전극판을 통해 전기 저항치가 높은 골재 및 시멘트와 저항치가 낮은 물로 형성된 콘크리트에 교류전류를 흘려, 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 가열할 수 있다. 이후, 3D 프린팅 콘크리트 골재용 경화제를 분무 살수할 수 있다.
다시 말하면, 일정 크기의 전극판을 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르 압출, 적층면에 일정시간 압착하고 전기 저항치가 높은 골재 및 시멘트와 저항치가 낮은 물로 형성된 콘크리트에 교류전류를 흘려, 3D 프린팅 콘크리트를 가열하거나 노즐부에 프린팅을 안내하는 가이드판을 부착하고, 3D 프린팅 콘크리트 골재용 경화제를 분무 살수하여 시공성(buildability)을 개선할 수 있다. 즉, 전극판을 이용하여 전기를 흘려서 콘크리트를 가열함으로써 콘크리트의 경화를 촉진시킬 수 있다.
단계(150)에서, 3D 프린터는 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시킴에 따라 형성된 외곽 벽체를 거푸집 대용으로 사용하여 철근을 조립 또는 삽입하고, 폼 타이(form tie)로 고정시킨 후 콘크리트를 충진할 수 있다.
또한, 단계(160)에서, 3D 프린터는 일정 높이 이하로 철근을 조립한 후, 소정 각도 기울어진 형태의 경사 노즐이나 복수의 노즐로 구성된 노즐부를 이용하여 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시킴에 따라 형성된 구조체 단면의 외곽 벽체를 타설하면서 내부를 충진할 수 있다.
여기서, 단계(150) 및 단계(160)은 둘 중 하나만 수행될 수 있으나, 실시예에 따라 둘 다 수행되는 것도 가능하다.
도 2는 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 철근 문제를 해결하기 위한 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 철근 콘크리트 적층 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치는 콘크리트 압출과 동시에 탄소강 또는 고강도 복합재료 와이어 선을 콘크리트 내부에 삽입, 긴장, 정착하는 방법으로 3D 프린팅 철근 콘크리트 구조물의 역학적 인장력을 증진하거나, 타설된 외곽 벽체를 거푸집 대용으로 철근 조립, 삽입과 폼 타이로 고정한 후 콘크리트를 충진할 수 있다. 또한, 일정 높이 이하로 철근을 기조립한 후, 경사 노즐이나 복수의 노즐로 구조체 단면의 외곽 벽체를 타설하면서 내부를 충진할 수 있다.
한편, 도 6 내지 도 8은 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법은, 트럭믹서(truck　mixer), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기로부터 시멘트 모르타르를 3D 프린터와 연결시키기 위한 호퍼 장비와 회전자 나선편입 로터(Rotor) 및 타원형 2중 나선형의 고정자(Stator)를 포함하는 모노 펌프를 이용하여 시멘트 모르타르를 압출하는 단계(210)를 포함할 수 있다. 그리고 3D 프린터의 연결 호스와 노즐부에 구성된 솔레노이드 밸브를 이용하여 시멘트 모르타르의 압출을 조절하는 단계(220)를 더 포함할 수 있다.
이후, 3D 프린팅 콘크리트 적층시, 전기 저항과 인장력 특성을 갖는 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 중 적어도 어느 하나 이상의 철근 부재를 릴 형태로 3D 프린터에 부착하고 별도의 모터로 송출시켜, 콘크리트 타설과 동시에 콘크리트 속에 삽입된 후 긴장 및 정착되어 콘크리트의 인장력을 보강하는 단계(230)를 더 포함할 수 있다.
아래에서 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법을 하나의 예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 여기서, 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법은 앞에서 설명한 다른 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치에 의해 수행될 수 있으며, 간단히 3D 프린터로 언급할 수 있다.
단계(210)에서, 3D 프린터는 트럭믹서(truck　mixer), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기로부터 시멘트 모르타르를 3D 프린터와 연결시키기 위한 호퍼 장비와 회전자 나선편입 로터(Rotor) 및 타원형 2중 나선형의 고정자(Stator)를 포함하는 모노 펌프를 이용하여 시멘트 모르타르를 압출할 수 있다.
단계(220)에서, 3D 프린터는 3D 프린터의 연결 호스와 노즐부에 구성된 솔레노이드 밸브를 이용하여 시멘트 모르타르의 압출을 조절할 수 있다.
여기서, 3D 프린터의 연결 호스와 노즐부에 구성된 솔레노이드 밸브를 이용하여 시멘트 모르타르의 압출을 조절하는 단계는, 3D 프린터의 노즐부에 구성된 가이드판을 이용하여 시멘트 모르타르의 타설 및 적층시키며, 시멘트 모르타르의 타설 각도 방향에 따라 가이드판의 각도가 자동 조절되어 시멘트 모르타르의 타설 방향을 안내할 수 있다.
이후, 단계(230)에서, 3D 프린터는 3D 프린팅 콘크리트 적층시, 전기 저항과 인장력 특성을 갖는 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 중 적어도 어느 하나 이상의 철근 부재를 릴 형태로 3D 프린터에 부착하고 별도의 모터로 송출시켜, 콘크리트 타설과 동시에 콘크리트 속에 삽입된 후 긴장 및 정착되어 콘크리트의 인장력을 보강할 수 있다.
단계(240)에서, 3D 프린터는 3D 프린팅 콘크리트 삽입용 철근 부재의 철선의 직선이나 단면이 변하는 경우, 철선을 여유 있게 자동절단하고 철선을 기계적으로 긴장한 후 정착하여 철선에 인장력을 도입하거나, 대상 구조물의 콘크리트 인장 부위에 팽창제를 혼합한 시멘트를 프린팅하여 인장력을 도입할 수 있다.
단계(250)에서, 3D 프린터는 3D 프린팅 콘크리트 적층시, 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 중 적어도 어느 하나 이상의 철근 부재에 전류를 흐르게 하여, 콘크리트의 시멘트 수화반응을 촉진시킬 수 있다.
이와 같이 강철선이나 탄소 섬유선에 전류를 흐르게 하여 콘크리트의 시멘트 수화반응을 촉진시킴으로써 건설용 3D 프린터의 시공성 적층성을 향상시킬 수 있다. 이는 전기 저항 방식으로 3D 프린팅 콘크리트를 발열시키는 것이다.
단계(260)에서, 3D 프린터는 삽입된 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 등의 철근 부재에 전기 조절 장치를 연결하고, 구조물의 전자파 또는 방사선을 차폐시킬 수 있다. 즉, 탄소계열 섬유에 전기 조절 장치를 연결하고, 실제 구조물의 전자파 또는 방사선을 차폐시킬 수 있다.
다른 예로, 3D 프린터는 3D 프린팅 콘크리트로 구조물 벽체 또는 슬래브 단면의 거푸집 모양 외곽을 타설한 후, 수밀 콘크리트 또는 방수액을 도포한 3D 프린팅 핵방호 시설에 중수 또는 파동 항산화물로 방사능을 차폐하거나, 핵방호용 철판 또는 알루미늄판을 3D 프린팅하거나 삽입 밀봉하는 3D 프린팅 핵방호 시설을 마련할 수 있다.
또한, 3D 프린터는 3D 프린팅 철근 콘크리트 건축물을 3D 프린팅 가능 수직 단면으로 모듈화하여 타설하고, 기 설치된 연결구에 볼트 및 너트와 같은 강결 장치로 구조물 전체를 형성하여 시공할 수 있다.
그리고, 3D 프린터는 고층 건물이나 옹벽, 라멘, 박스, 도로, 터널 등과 같은 3D 프린팅 종방향, 횡방향 철근 콘크리트 연속 건축물을 시공하기 위하여 3D 프린터에 수평 방향 레일이나 캐타필라식 바퀴를 설치하고, 수직 방향 타워 크레인에 고정식 3D 프린팅 노즐을 설치할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치의 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치는 용기(탱크)(310), 모노 펌프(320), 레귤레이터(330), 밸브(340) 및 노즐부(350)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 밸브(340)는 솔레노이드 밸브가 사용될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치의 다른 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치는 펌프(410), 밸브(420) 및 노즐부(430)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 밸브(420)는 솔레노이드 밸브가 사용될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치의 또 다른 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치는 펌프(510) 및 모노 펌프 방식의 노즐부(520)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 모노 펌프 방식의 노즐부(520)는 압출 개폐식 밸브로, 시멘트 모르타르(3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르)의 압출을 제어할 수 있다.
도 3 내지 도 5의 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치는 도 1 및 도 2에서 설명한 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 장치이거나 포함될 수 있다. 각 구성의 특징은 앞에서 설명하였으므로 생략하기로 한다.
도 9를 일 실시예에 따른 3D 프린터의 예를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송릴을 통해 공급하고, 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 x, y, z의 세 방향으로 위치 조절되는 3차원 이송기구에 장착된 노즐에서 배출함으로써, 2차원 평면형태를 만들면서 이를 작업대 상에 한 층씩 적층하여 3차원으로 성형하는 용융 수지 압출 조형 방법(FDM)이 사용될 수 있다.
한편, 대상 구조물의 철근 콘크리트 배치 특성에 따른 건설용 3D 프린팅 로봇 형식은 3, 6 자유도 직각, 극좌표 고정식, 레일식, 캐타필러식, 타워크레인식, 갠트리 타입(type), 로봇암 타입, 스윙 로프 타입, 슬립폼 타입 등 다양하게 적용할 수 있다.
또한, 대상 구조물의 크기 및 하루 작업속도 특성에 따른 콘크리트 배송 형식은 레미콘, 현장 믹서 배합 압송 펌프 용량 및 형식(일반 펌프, 모노 펌프, 캔 펌프, 유압 펌프)과 콘크리트 압송 호스(직경, 강화, 길이, 연결구, 지지유무)에 따라 달라질 수 있다.
또한, 대상 구조물의 크기 및 철근, 배관 특성에 따른 콘크리트 프린팅 형식은 원형, 사각 노즐(직경, 형상, 길이 등), 노즐 실린더부(스크루 방식, 깔때기 방식, 길이, 압력 변화 등), 철근, 배관 유무 복수 노즐(One, Two, Three 등)에 따라 달라질 수 있다.
실시예들은 3D 프린팅 건설산업의 장애인 철근과 골재가 있는 일반 건축물의 상용화를 위한 실제 시공성 향상 방법 및 장치로서, 4차 산업혁명 시대 신개념의 무인 자율 로봇 개념의 철근 콘크리트 건설 산업을 창출하게 될 것이다.
이상과 같이, 실시예들에 따르면 급변하는 건설환경에서 특화된 3D 프린팅 재료 및 4차 산업혁명 핵심 기술 중 하나인 로봇 기반의 건설 프린터를 개발하여 실제 환경에서 다양한 크기의 실제건설 구조물(주택, 아파트, 교량, 터널, 암거, 옹벽 등)을 제조할 수 있는 3D 프린터를 제공할 수 있다.
이러한 상술한 기술은 실제 철근 및 골재 콘크리트 구조물 시공을 위한 건설용 3D 프린터의 적층, 양생, 철근 장치에 적용될 수 있으며, 실제 철근 콘크리트 구조물 시공을 위한 건설용 3D 프린터에 적용될 수 있다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 3D 프린팅을 위한 콘크리트 골재 압출을 위해 트럭믹서(truck　mixer), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기로부터 콘크리트가 진공 상태의 펌프(pump)로 유입되는 단계; 및
    상기 펌프로부터 연결 호스에 의해 3D 프린팅용 콘크리트의 압출을 위한 노즐부까지 연결되어, 압력 측정 장치 또는 기압(air pressure) 진공펌프의 압력 조절에 따라 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 단계
    를 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용기와 진공 상태의 상기 펌프의 상기 연결 호스가 연결된 상기 노즐부에 콘크리트 압출 개폐식 밸브가 하나의 유닛으로 구성되어, 상기 압출 개폐식 밸브를 이용하여 상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르의 압출을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 면에 전극판을 압착하여 경화를 촉진시키는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 면에 전극판을 압착하여 경화를 촉진시키는 단계는,
    상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르 압출하여 적층시키는 면에 소정 크기의 상기 전극판을 소정 시간 압착하는 단계;
    상기 전극판을 통해 전기 저항치가 높은 골재 및 시멘트와 저항치가 낮은 물로 형성된 콘크리트에 교류전류를 흘려, 상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 가열하는 단계
    를 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시키는 면에 전극판을 압착하여 경화를 촉진시키는 단계는,
    3D 프린팅 콘크리트 골재용 경화제를 분무 살수하는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시킴에 따라 형성된 외곽 벽체를 거푸집 대용으로 사용하여 철근을 조립 또는 삽입하고, 폼 타이(form tie)로 고정시킨 후 콘크리트를 충진하는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    일정 높이 이하로 철근을 조립한 후, 소정 각도 기울어진 형태의 경사 노즐이나 복수의 노즐로 구성된 상기 노즐부를 이용하여 상기 3D 프린팅 콘크리트 골재 모르타르를 압출하여 적층시킴에 따라 형성된 구조체 단면의 외곽 벽체를 타설하면서 내부를 충진하는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  7. 트럭믹서(truck　mixer), 믹서 및 배합용기 중 적어도 어느 하나 이상의 용기로부터 시멘트 모르타르를 3D 프린터와 연결시키기 위한 호퍼 장비와 회전자 나선편입 로터(Rotor) 및 타원형 2중 나선형의 고정자(Stator)를 포함하는 모노 펌프를 이용하여 시멘트 모르타르를 압출하는 단계
    를 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 3D 프린터의 연결 호스와 노즐부에 구성된 솔레노이드 밸브를 이용하여 상기 시멘트 모르타르의 압출을 조절하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 3D 프린터의 연결 호스와 노즐부에 구성된 솔레노이드 밸브를 이용하여 상기 시멘트 모르타르의 압출을 조절하는 단계는,
    상기 3D 프린터의 상기 노즐부에 구성된 가이드판을 이용하여 상기 시멘트 모르타르의 타설 및 적층시키며, 상기 시멘트 모르타르의 타설 각도 방향에 따라 상기 가이드판의 각도가 자동 조절되어 상기 시멘트 모르타르의 타설 방향을 안내하는 것
    을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    3D 프린팅 콘크리트 적층시, 전기 저항과 인장력 특성을 갖는 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 중 적어도 어느 하나 이상의 철근 부재를 릴 형태로 상기 3D 프린터에 부착하고 별도의 모터로 송출시켜, 콘크리트 타설과 동시에 상기 콘크리트 속에 삽입된 후 긴장 및 정착되어 상기 콘크리트의 인장력을 보강하는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    3D 프린팅 콘크리트 삽입용 상기 철근 부재의 철선의 직선이나 단면이 변하는 경우, 상기 철선을 자동절단하고 상기 철선을 기계적으로 긴장한 후 정착하여 상기 철선에 인장력을 도입하거나, 대상 구조물의 콘크리트 인장 부위에 팽창제를 혼합한 시멘트를 프린팅하여 인장력을 도입하는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    3D 프린팅 콘크리트 적층시, 상기 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 중 적어도 어느 하나 이상의 철근 부재에 전류를 흐르게 하여, 콘크리트의 시멘트 수화반응을 촉진시키는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    삽입된 상기 강철선, 탄소섬유선, 흑연 및 고강도 복합재료선 중 적어도 어느 하나 이상의 철근 부재에 전기 조절 장치를 연결하고, 구조물의 전자파 또는 방사선을 차폐시키는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    3D 프린팅 콘크리트로 구조물 벽체 또는 슬래브 단면의 거푸집 모양 외곽을 타설한 후, 수밀 콘크리트 또는 방수액을 도포한 3D 프린팅 핵방호 시설에 중수 또는 파동 항산화물로 방사능을 차폐하거나, 핵방호용 철판 또는 알루미늄판을 3D 프린팅하거나 삽입 밀봉하는 3D 프린팅 핵방호 시설을 마련하는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    3D 프린팅 철근 콘크리트 건축물을 3D 프린팅 가능 수직 단면으로 모듈화하여 타설하고, 기 설치된 연결구에 볼트 및 너트와 같은 강결 장치로 구조물 전체를 형성하여 시공하는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
  15. 제7항에 있어서,
    3D 프린팅 종방향, 횡방향 철근 콘크리트 연속 건축물을 시공하기 위하여 상기 3D 프린터에 수평 방향 레일이나 캐타필라식 바퀴를 설치하고, 수직 방향 타워 크레인에 고정식 3D 프린팅 노즐을 설치하는 단계
    를 더 포함하는, 3D 프린팅을 이용한 콘크리트 적층 방법.
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