KR20240009247A - 건설용 모듈 블록과 이의 제조 및 시공 방법 - Google Patents
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Abstract
건설용 모듈 블록과 이의 제조 및 시공 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 재료를 사용하여 3D 프린팅을 통해 형성되는 건설용 모듈 블록은, 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 강도가 높은 제1 재료로 형성되는 제1 파트와 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 연성이 높은 제2 재료로 형성되는 제2 파트가 상기 3D 프린팅을 통해 미리 정해진 패턴을 이루며 형성되는 블록 바디 및 다른 상기 건설용 모듈 블록과 연통되도록, 상기 블록 바디의 내부에 형성되는 중공의 채널을 포함한다.
Description
본 발명은 건설용 모듈 블록과 이의 제조 및 시공 방법에 관한 것이다. 더 자세하게는, 다중 재료가 특정 패턴을 가지도록 형성되는 건설용 모듈 블록 및 이의 제조 방법과 각 건설용 모듈 블록을 적층한 후 유동성 경화제로 체결하는 건설용 모듈 블록의 시공 방법에 관한 것이다.
건설 산업에서는 복잡한 형태의 비정형 건축물, 건축 부재 등 수요자의 요구가 다양해지고 있다. 하지만 이로 인한 생산 비용 상승 및 고도화로 기술적인 한계에 이르고 있다. 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 3D 프린터를 이용한 건설 자동화에 관한 연구가 최근 활발하게 진행되나, 여러 한계점이 존재한다.
보통 3D 프린팅을 이용한 건설 방식은 특성상 구조별로 BIM(Building Information Modeling)과 같은 3D 모델링 과정이 필수적이다. 따라서 다양한 구조물을 출력해야 하는 경우 다양한 구조의 3D 모델링을 해야 하므로 시간과 비용의 경제성 확보가 어려운 점이 있다. 특히, 거대 건축 구조물을 제작할 경우, 초대형 3D 프린터가 필요하며, 해당 프린터의 제작 및 운송에도 상당한 비용이 요구되므로 기술적, 경제적 어려움이 있다. 예를 들면, 갠트리 방식의 건설용 3D 프린팅 기술은 출력하고자 하는 구조물보다 커야 하므로 3D 프린팅 기계 설비의 과도화를 초래하고 프린팅 장비의 해체 및 재설치가 어려우며, 로봇팔 방식의 건설 3D 프린팅 기술의 경우에는 복잡한 장치 구조가 요구되는데 출력 구조물의 형태에 따라 로봇의 지속적인 이동 및 제어가 요구되므로 비효율성을 초래한다.
또한, 건설 3D 프린팅 제로로는 주로 시멘트 모르타르 기반의 콘크리트 재료를 사용하여 대규모 구조물 건설에 필요한 강도 등의 재료적 특성 및 품질을 발현시키기에 어려움이 있으며, 철근이 사용되는 콘크리트 기반의 재료는 현재 건설 산업에서 필수적으로 요구되지만, 현재의 건설용 3D 프린팅 기술로는 한계가 있다.
또한, 적층 방식의 특성상 주재료인 콘크리트 적층 면에서 발생하는 콜드 조인트로 인한 구조적 성능 부족과 낮은 내구성은 여전히 문제가 되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 건축하고자 하는 건물의 규모와 형태에 상관없이 기존의 건설 기법에 비해 단기간에 건축이 가능한 건설용 모듈 블록과 이의 제조 및 시공 방법을 제공하고자 한다.
유동성 경화제를 이용한 모듈 블록 체결을 통해, 현장에서의 조립 및 체결의 효율성과 건설 구조물의 역학적 성능을 향상되게 하는 건설용 모듈 블록, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 시공 방법을 제공하고자 한다.
굽힘, 충격 하중 등에 높은 저항성을 가지도록 다중 재료의 조합과 특정 패턴으로 형성함으로써 기존 건설 3D 프린팅의 재료적 한계점에서 오는 구조적 성능 부족과 낮은 내구성을 개선할 수 있는 건설용 모듈 블록과 이의 제조 및 시공 방법을 제공하고자 한다.
인력의 개입이 어려운 극한 지역에서 건설 구조물을 효율적으로 제작할 수 있는 건설용 모듈 블록과 이의 제조 및 시공 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 해결 과제들은 이상에서 언급한 내용으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 재료를 사용하여 3D 프린팅을 통해 형성되는 건설용 모듈 블록은, 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 강도가 높은 제1 재료로 형성되는 제1 파트와 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 연성이 높은 제2 재료로 형성되는 제2 파트가 상기 3D 프린팅을 통해 미리 정해진 패턴을 이루며 형성되는 블록 바디; 및 다른 상기 건설용 모듈 블록과 연통되도록, 상기 블록 바디의 내부에 형성되는 중공의 채널;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 건설용 모듈 블록은 설치 시, 상기 채널이 인접하게 배치되는 상기 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 서로 연통되고, 각각의 상기 건설용 모듈 블록의 상기 채널에 유동성 경화제가 주입됨으로써 각각의 상기 건설용 모듈 블록이 서로 체결될 수 있다.
또한, 각각의 상기 건설용 모듈 블록 중 하나에는 상기 채널과 연통되는 경화제 주입구가 형성되고, 다른 하나에는 상기 채널과 연통되는 경화제 배출구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 채널은, 인접하게 설치되는 상기 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 반복적으로 교차되는 복수의 연결구를 가지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 채널은, 사인파(sine wave) 형태 및 스프링 형태 중 하나의 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 패턴은, 매트릭스 부분과 소판 부분을 포함하는 진주층 구조일 수 있다.
또한, 상기 제1 파트는, 상기 진주층 구조의 상기 매트릭스 부분에 대응되는 형상을 가질 수 있고, 상기 제2 파트는, 상기 진주층 구조의 상기 소판 부분에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 재료는 취성 재료이고, 상기 제2 재료는 연성 재료일 수 있다.
또한, 상기 3D 프린팅의 방식은, 용착 조형 공정(FDM; Fused deposition modeling) 방식으로 프린팅할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 재료를 사용하여 3D 프린팅을 통해 형성되는 건설용 모듈 블록의 제조 방법은, 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 강도가 높은 제1 재료로 형성되는 제1 파트와 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 연성이 높은 제2 재료로 형성되는 제2 파트를 상기 3D 프린팅을 통해 미리 정해진 패턴을 이루도록 형성하는 블록 바디 형성 단계; 및 다른 상기 건설용 모듈 블록과 연통되도록, 상기 블록 바디의 내부에 중공의 채널을 형성하는 채널 형성 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 건설용 모듈 블록은 설치 시, 상기 채널이 인접하게 배치되는 상기 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 서로 연통될 수 있고, 각각의 상기 건설용 모듈 블록의 상기 채널에 유동성 경화제가 주입됨으로써 각각의 상기 건설용 모듈 블록이 서로 체결될 수 있다.
또한, 각각의 상기 건설용 모듈 블록 중 하나에는 상기 채널과 연통되는 경화제 주입구를 형성하고, 다른 하나에는 상기 채널과 연통되는 경화제 배출구를 형성할 수 있다.
또한, 상기 채널 형성 단계는, 상기 채널이 인접하게 설치되는 상기 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 반복적으로 교차되는 복수의 연결구를 가지도록 형성할 수 있다.
또한, 상기 채널은, 사인파(sine wave) 형태 및 스프링 형태 중 하나의 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 패턴은, 매트릭스 부분과 소판 부분을 포함하는 진주층 구조일 수 있다.
또한, 상기 제1 파트는, 상기 진주층 구조의 상기 매트릭스 부분에 대응되는 형상을 가질 수 있고, 상기 제2 파트는, 상기 진주층 구조의 상기 소판 부분에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 재료를 사용하여 3D 프린팅을 통해 형성되는 건설용 모듈 블록의 시공 방법은, 현장에서, 상기 건설용 모듈 블록을 상기 3D 프린팅으로 제조하는 단계; 제조된 복수의 상기 건설용 모듈 블록 각각을 적층하여 배치하는 단계; 및 배치된 상기 복수의 건설용 모듈 블록 중 하나에 형성된 경화제 주입구를 통해 상기 복수의 건설용 모듈 블록을 각각 관통하여 연결되는 채널에 유동성 경화제를 주입함으로써 상기 복수의 건설용 모듈 블록을 서로 체결하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록과 이의 제조 및 시공 방법은, 건축하고자 하는 건물의 규모와 형태에 상관없이 기존의 건설 기법에 비해 단기간에 건축할 수 있다.
또한, 유동성 경화제를 이용한 모듈 블록 체결을 통해 현장에서의 조립 및 체결의 효율성과 건설 구조물의 역학적 성능을 향상되게 할 수 있다.
또한, 굽힘, 충격 하중 등에 높은 저항성을 가지도록 다중 재료의 조합과 특정 패턴으로 형성함으로써 기존 건설 3D 프린팅의 재료적 한계점에서 오는 구조적 성능 부족과 낮은 내구성을 개선할 수 있다.
인력의 개입이 어려운 극한 지역에서 건설 구조물을 효율적으로 제작할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 내용으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1(a)은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록을 나타낸 도면이고, 도 1(b)은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 통해 형성되는 건설용 모듈 블록을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디의 제1 파트 및 제2 파트가 형성하는 패턴을 설명하기 위한 3D 모델이다.
도 3(a)은 백색의 PLA(Polylactic Acid)와 적색의 TPU(Thermoplastic polyurethane)를 가지고 이중 사출 3D 프린터로 제작한 진주층 모사 패턴이 적용된 굽힘 시험용 시편이고, 도 3(b)은 백색의 PLA와 적색의 TPU를 가지고 이중 사출 3D 프린터로 제작한 진주층 모사 패턴이 적용된 충격 시험용 시편이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디 내부의 채널이 사인파 형태로 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디 내부의 채널이 스프링 형태로 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록 제조 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록을 이용한 시공 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록을 이용한 건축 구조물을 시공하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층된 복수의 건설용 모듈 블록을 체결하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디의 제1 파트 및 제2 파트가 형성하는 패턴을 설명하기 위한 3D 모델이다.
도 3(a)은 백색의 PLA(Polylactic Acid)와 적색의 TPU(Thermoplastic polyurethane)를 가지고 이중 사출 3D 프린터로 제작한 진주층 모사 패턴이 적용된 굽힘 시험용 시편이고, 도 3(b)은 백색의 PLA와 적색의 TPU를 가지고 이중 사출 3D 프린터로 제작한 진주층 모사 패턴이 적용된 충격 시험용 시편이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디 내부의 채널이 사인파 형태로 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디 내부의 채널이 스프링 형태로 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록 제조 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록을 이용한 시공 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록을 이용한 건축 구조물을 시공하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층된 복수의 건설용 모듈 블록을 체결하는 것을 나타낸 개념도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예가 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명의 실시예를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략되었다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 기술되고, 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있다. 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리 범위에 포함된다.
또한, 이하의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 명확하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 1(a)은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록을 나타낸 도면이고, 도 1(b)은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 통해 형성되는 건설용 모듈 블록을 나타낸 도면이다.
도 1(a)을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록(100)은 다중 재료를 활용하여 3D 프린터를 통해 형성되는 모듈 블록으로서, 블록 바디(110) 및 블록 바디(110) 내부에 형성되는 중공의 채널(120)을 포함할 수 있다.
블록 바디(110)는 건설용 모듈 블록(100)의 몸체로서, 적어도 2개 이상의 다중 재료가 조합되어 형성될 수 있다. 블록 바디(110)는 제1 재료로 형성되는 제1 파트(111) 및 제2 재료로 형성되는 제2 파트(112)를 포함할 수 있다. 블록 바디(110)는 제1 파트(111) 및 제2 파트(112)가 미리 정해진 패턴을 이루며 형성될 수 있다.
제1 재료는 상기 다중 재료 중 하나로서, 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 강도가 높은 재료일 수 있다. 예컨대, 상기 제1 재료는 높은 강도를 가지는 취성 재료로서, 콘크리트, 시멘트 등일 수 있다. 제2 재료는 상기 다중 재료 중 다른 하나로서, 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 연성이 높은 재료일 수 있다. 예컨대, 상기 제2 재료는 연성 재료로서, 고무와 같은 합성수지일 수 있다.
채널(120)은 건설용 모듈 블록(100) 간의 체결을 위한 체결 물질을 삽입하기 위해 형성된 것으로서, 블록 바디(110)의 일면부터 타면까지 관통되도록 형성될 수 있다. 채널(120)은 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 서로 연통될 수 있다. 채널(120)에는 에폭시와 같은 유동성 경화제가 주입될 수 있고, 채널(120)에 주입된 유동성 경화제가 경화됨으로써 설치된 복수의 건설용 모듈 블록 간에 체결이 형성될 수 있다. 상기 유동성 경화제로서 에폭시를 사용하는 경우, 에폭시는 고열이 아니기 때문에 블록 바디(110)의 손상을 일으키지 않고 고열에 의해 블록 바디(110)의 강도가 약해지는 것을 방지할 수 있다.
도 1(b)을 참조하면, 블록 바디(110)는 3D 프린팅을 통해 형성될 수 있다. 예컨대, 블록 바디(110)는 용착 조형 공정(FDM; Fused deposition modeling) 방식으로 3D 프린터의 노즐(10)을 통해 각 재료가 출력되며, 이때, 제1 파트(111) 및 제2 파트(112)가 상기 미리 정해진 패턴을 이루도록 형성되면서, 그 내부에 중공인 채널(120)도 동시에 형성되도록 출력될 수 있다. 용착 조형 공정 방식은 건설용 모듈 블록의 대표적 취성 재료인 콘크리트를 사용할 수 있고, 다중 재료의 복합 구조를 한 번에 제작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디의 제1 파트 및 제2 파트가 형성하는 패턴을 설명하기 위한 3D 모델이다.
도 2에서 도시된 블록 바디의 일 실시예로서, 2개의 재료가 각각 제1 파트(111) 및 제2 파트(112)로 서로 독립적으로 형성될 수 있다. 여기서, 본 발명의 블록 바디(110)는 2개의 재료로 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라서, 3개 또는 4개 이상의 재료가 사용될 수 있다. 따라서, 이하에서는 설명의 편의를 위해 2개의 재료를 사용한 블록 바디(110)를 하나의 예시로서 설명하도록 한다.
구체적으로는 도 2(a)는 취성 재료인 제1 재료로 형성되는 제1 파트(111)인 소판(Platelet)의 3D 모델이고, 도 2(b)는 연성 재료인 제2 재료로 형성되는 제2 파트(112)인 매트릭스(Matrix)의 3D 모델이다. 도 2(c)는 제1 파트(111)인 소판과 제2 파트(112)인 매트릭스가 합쳐진 3D 모델이다. 도 2에서 도시된 블록 바디(110)의 제1 파트(111) 및 제2 파트(112)가 형성하는 미리 정해진 패턴은 전복의 껍데기 등에서 발견되는 진주층 구조를 모사한 것일 수 있다.
진주층은, 도 2(a)에 도시된 형태를 가지는 고강도 물질인 탄산칼슘(aragonite)의 소판과 도 2(b)에 도시된 형태를 가지는 강도가 낮고 연성이 상대적으로 높은 물질인 유기 인터라멜라 매트릭스(organic interlamellar matrix)로 구성되어 있다. 이러한 독특한 구조 덕분에, 진주층은 구성 요소의 재료적 특성에 비해, 높은 파괴 인성 및 충격 저항력을 가지고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디(110)는 상기 진주층 구조를 모사하여, 제1 파트(111)는 상기 진주층 구조의 소판 부분에 대응되는 형상을 가지며, 제2 파트(112)는 상기 진주층 구조의 매트릭스 부분에 대응되는 형상을 가질 수 있다. 이를 통해 블록 바디(110)는 수직 방향의 내충격성이 향상될 수 있고, 기존의 고강도 재료와 비교하여 휨이나 충격 하중 등의 외부 충격으로 인해 발생한 에너지의 흡수율이 증가할 수 있다.
다만, 제1 파트(111) 및 제2 파트(112)가 형성하는 상기 패턴은 상기 진주층 모사 패턴으로 한정되는 것은 아니며, 각각의 파트가 형성하는 패턴으로 인해 각각의 재료가 가지는 재료적 특성에 비해 높은 파괴 인성 및 충격 저항력을 가지면 가능하다.
도 3(a)은 백색의 PLA(Polylactic Acid)와 적색의 TPU(Thermoplastic polyurethane)를 가지고 이중 사출 3D 프린터로 제작한 진주층 모사 패턴이 적용된 굽힘 시험용 시편이고, 도 3(b)은 백색의 PLA와 적색의 TPU를 가지고 이중 사출 3D 프린터로 제작한 진주층 모사 패턴이 적용된 충격 시험용 시편이다.
도 3에 도시된 시편을 이용하여 다중 재료를 이용한 3D 프린터로 형성된 진주층 모사 패턴 구조체의 굽힘 및 충격을 테스트한 결과, 기존의 고강도 취성재료와 비교하여 강도는 1/2 정도로 감소하지만 연성은 3배 이상 증가하여 휨이나 충격 하중 등의 외부 충격으로 인해 발생한 에너지의 흡수율이 30% 이상 증가하는 것으로 나타났다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디 내부의 채널이 사인파 형태로 형성된 것을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록 바디 내부의 채널이 스프링 형태로 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록(100)의 채널(120)은 서로 인접하게 설치되는 복수의 건설용 모듈 블록의 채널이 서로 연결됨으로써 하나의 채널(120a, 120b, 120c)을 이룰 수 있다. 복수의 건설용 모듈 블록을 통해 형성되는 하나의 채널(120a, 120b, 120c)은 반복적으로 서로를 교차하며 연결하는 소정의 형상으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라서, 도 4에 도시된 것과 같이, 3개의 서로 인접한 건설용 모듈 블록(101, 102, 103)의 채널(121a, 122a, 123a)이 서로 연결되어 하나의 채널(120a)을 이루고, 사인파(Sine Wave) 형태를 가질 수 있다. 또는, 도 5에 도시된 것과 같이 2개의 서로 인접한 건설용 모듈 블록(104, 105)의 채널(124, 125)이 각각 연결되어 하나의 채널(120c)을 이루고, 스프링 형태를 가질 수 있다. 복수의 건설용 모듈 블록(101, 102, 103)을 통해 형성되는 채널(120a, 120b, 120c)이 반복적으로 인접한 건설용 모듈 블록(101, 102, 103)을 교차하며 연결하는 형상으로 형성됨에 따라, 각 건설용 모듈 블록에는 인접한 건설용 모듈 블록의 채널과 연결되는 연결구(130)가 복수개 형성될 수 있다. 인접한 건설용 모듈 블록과의 연결구가 복수개 형성됨에 따라 각 건설용 모듈 블록 간의 체결력을 더 향상되게 할 수 있다.
실시예에 따라, 도 4에 도시된 것과 같이, 복수의 건설용 모듈 블록(101, 102, 103)을 통해 형성되는 채널은 하나만 형성되는 것이 아니라 서로 독립적인 복수의 채널(120a, 120b)이 형성될 수 있다. 또한, 실시예에 따라 서로 독립적인 복수의 채널(120a, 120b)을 연결하는 연결 채널(미도시)도 생성될 수 있다. 채널의 형상은 건축 설계자의 필요에 따라 설계한 3D 모델에 따라 달라질 수 있다.
복수의 건설용 모듈 블록을 통해 형성되는 하나의 채널(120a, 120b, 120c)은 경화제 주입구(121)와 경화제 배출구(122)와 연결될 수 있다. 경화제 주입구(121) 및 경화제 배출구(122)는 블록 바디(110)에 형성되는 것으로서, 서로 인접하게 설치되어 채널이 연통되는 복수의 건설용 모듈 블록 중 하나에 각각 형성될 수 있다.
경화제 주입구(121) 및 경화제 배출구(122)는 본 발명의 설명을 위해 구분 지은 것으로, 경화제 주입구(121) 및 경화제 배출구(122) 구분 없이 유동성 경화제가 주입될 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 건설용 모듈 블록을 다량 체결하여 원하는 건설 구조물을 기존 건설 기법에 비해 단기간에 제작할 수 있다. 건설용 모듈 블록과 유동성 경화제를 이용한 체결 방법은 구조물의 역학적 성능을 높여주어 교량 등의 대형구조물의 건설에 사용될 수 있다.
이하, 건설용 모듈 블록의 제조 방법에 대해 설명한다. 건설용 모듈 블록에서 이미 설명했거나 중복되는 내용은 간략히 언급한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록 제조 방법의 흐름도이다.
도 1(b) 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록의 제조 방법은 블록 바디 형성 단계(S110) 및 채널 형성 단계(S120)를 포함할 수 있다.
블록 바디 형성 단계(S110)는 다중 재료 중 다른 재료보다 강도가 높은 제1 재료로 형성되는 제1 파트와 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 연성이 높은 제2 재료로 형성되는 제2 파트를 상기 3D 프린팅을 통해 미리 정해진 패턴을 이루도록 형성하는 단계일 수 있다.
블록 바디 형성 단계(S110)에서 상기 패턴은 매트릭스 부분과 소판 부분을 포함하는 진주층 구조일 수 있다. 본 실시예에서 제1 파트는 상기 진주층 구조의 상기 소판 부분에 대응되는 형상을 갖고, 제2 파트는, 상기 진주층 구조의 상기 매트릭스 부분에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
채널 형성 단계(S120)는 다른 상기 건설용 모듈 블록과 연통되도록, 상기 블록 바디의 내부에 중공의 채널을 형성하는 단계일 수 있다.
블록 바디 형성 단계(S110)는 3D 프린터를 통해 미리 설계된 3D 모델에 따라 블록 바디를 형성할 수 있다. 본 실시예에서는, 3D 프린팅 방식은 용착 조형 공정(FDM; Fused deposition modeling) 방식을 이용할 수 있다.
제1 파트(111), 제2 파트(112) 및 채널(120)은 3D 프린터의 노즐(10)을 통해 동시에 형성될 수 있다.
채널(120)은 건설용 모듈 블록(100)이 설치될 때, 인접하게 배치되는 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 서로 연통될 수 있도록 형성될 수 있다.
채널(120)은 인접하게 배치되는 복수의 건설용 모듈 블록이 연결될 때, 사인파 또는 스프링의 형태를 가지도록 형성될 수 있다.
인접하게 배치되는 각각의 건설용 모듈 블록 중 하나에는 채널(120)과 연통되는 경화제 주입구가 형성되고, 다른 하나에는 채널(120)과 연통되는 경화제 배출구를 형성될 수 있다. 이를 위해, 인접하게 설치되는 각각의 건설용 모듈 블록은 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 반복적으로 교차하는 복수의 연결구가 형성될 수 있다.
본 발명의 건설용 모듈 블록은 3D 프린팅 기술을 이용하여 제작되므로 블록 내부의 복잡한 형태의 채널이 존재하더라도 용이하게 제조될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같은 상기에서 언급한 건설용 모듈 블록을 이용한 시공 방법에 대해서도 제시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록을 이용한 시공 방법의 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설용 모듈 블록을 이용한 건축 구조물을 시공하는 것을 나타낸 개념도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층된 복수의 건설용 모듈 블록을 체결하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 건설용 모듈 블록을 이용한 시공 방법은 시공 현장에서 건설용 모듈 블록을 3D 프린팅으로 제조하는 단계(S210), 제조된 복수의 상기 건설용 모듈 블록 각각을 적층하여 배치하는 단계(S220) 및 배치된 상기 복수의 건설용 모듈 블록 중 하나에 형성된 경화제 주입구를 통해 상기 복수의 건설용 모듈 블록을 각각 관통하여 연결되는 채널에 유동성 경화제를 주입함으로써 상기 복수의 건설용 모듈 블록을 서로 체결하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 건축물을 시공하는 시공 현장에서 3D 프린터로 건설용 모듈 블록을 제조하는 단계(S210)를 가질 수 있다. 다음으로 크레인(20)을 이용하여 건설용 모듈 블록(100)을 하나씩 적층하는 단계(S220)를 가질 수 있다. 이때, 각 건설용 모듈 블록(100)은 각각의 채널이 서로 연통되도록 적층될 수 있다. 이후, 적층된 복수의 건설용 모듈 블록(100) 중 하나에 형성된 경화제 주입구를 통해 비어있는 채널(120)에 액체 상태인 유동성 경화제(200)를 주입할 수 있다. 투입된 유동성 경화제(200)는 각 건설용 모듈 블록(100)의 채널(120)을 따라 각각의 건설용 모듈 블록(100)에 삽입될 수 있고, 채널(120)의 내부에서 유동성 경화제(200)가 경화됨으로써 복수의 건설용 모듈 블록(100)이 서로 체결될 수 있다.
본 발명의 건설용 모듈 블록과 이의 제조 및 시공 방법은 작은 규모의 모듈 블록을 3D 프린팅으로 제작하고 이를 건설하고자 하는 구조물에 알맞게 적층하고 블록 내부에 형성되어 있는 채널 구조와 유동성 경화제를 이용하여 각각의 블록을 체결함으로써 건설 구조물을 효율적으로 건설할 수 있다.
또한, 타겟 구조물의 규모, 형상에 제약이 없으므로 기존 건설 3D 프린팅 기술의 한계점을 극복할 수 있다.
또한, 각 모듈 블록은 다중 재료 조합으로 특정 패턴이 적용되어 굽힘, 충격 하중 등에 높은 저항성을 가지게 되므로 기존 건설 3D 프린팅의 재료적 한계점에서 오는 구조적 성능 부족과 낮은 내구도 또한 개선할 수 있으므로, 기존 콘크리트 재료를 사용한 대규모 구조물 건설을 대체할 수 있다.
또한, 모듈 블록과 유동성 경화제를 이용한 체결 방법은 구조물의 역학적 성능을 높여주어 교량 등의 대형구조물의 건설뿐 아니라 항공, 철도, 선박 등 다양한 분야에 적용될 수 있고, 그 공정 기간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명을 활용한 자동화된 3D 프린팅 건설 공정은 건설에 드는 비용과 시간을 대폭 감소시킬 수 있으며, 이는 건설비용을 줄이는 효과가 있다. 또한 자연재해 및 사회 재난으로 인해 발생한 난민들에게 빠르고 안전한 주거 공간을 제공할 수 있다.
또한, 건설에 인력이 직접적으로 투입되지 않고, 기존 건설방식에 비해 거푸집이 필요 없으므로 인력의 개입이 어려운 지역(극지방, 해저, 우주 공간 등)에서 인명 피해와 재산 피해가 없이 건설 구조물을 효율적으로 시공할 수 있다.
한편, 3D 프린팅 건설 기법은 같은 형태의 구조물을 반복적으로 제작할 때 효율성이 극대화되므로 건물의 규모와 상관없이 적용할 수 있는 고성능 블록과 이를 현장에서 자동으로 쌓고 쉽게 체결할 수 있는 본 발명의 건설용 모듈 블록과 이의 제조 및 시공 방법은 향후 건설 분야의 3D 프린팅 산업에 핵심적인 역할을 할 것으로 예측된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 건설용 모듈 블록
110: 블록 바디
111: 제1 파트
112: 제2 파트
120: 채널
121: 경화제 주입구
122: 경화제 배출구
200: 유동성 경화제
110: 블록 바디
111: 제1 파트
112: 제2 파트
120: 채널
121: 경화제 주입구
122: 경화제 배출구
200: 유동성 경화제
Claims (17)
- 다중 재료를 사용하여 3D 프린팅을 통해 형성되는 건설용 모듈 블록으로서,
상기 다중 재료 중 다른 재료보다 강도가 높은 제1 재료로 형성되는 제1 파트와 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 연성이 높은 제2 재료로 형성되는 제2 파트가 상기 3D 프린팅을 통해 미리 정해진 패턴을 이루며 형성되는 블록 바디; 및
다른 상기 건설용 모듈 블록과 연통되도록, 상기 블록 바디의 내부에 형성되는 중공의 채널;을 포함하는 것인 건설용 모듈 블록. - 제1항에 있어서,
상기 건설용 모듈 블록은 설치 시, 상기 채널이 인접하게 배치되는 상기 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 서로 연통되고, 각각의 상기 건설용 모듈 블록의 상기 채널에 유동성 경화제가 주입됨으로써 각각의 상기 건설용 모듈 블록이 서로 체결되는 것인 건설용 모듈 블록. - 제2항에 있어서,
각각의 상기 건설용 모듈 블록 중 하나에는 상기 채널과 연통되는 경화제 주입구가 형성되고, 다른 하나에는 상기 채널과 연통되는 경화제 배출구가 형성되는 것인 건설용 모듈 블록. - 제1항에 있어서,
상기 채널은, 인접하게 설치되는 상기 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 반복적으로 교차되는 복수의 연결구를 가지도록 형성되는 것인 건설용 모듈 블록. - 제4항에 있어서,
상기 채널은, 사인파(sine wave) 형태 및 스프링 형태 중 하나의 형태로 형성되는 것인 건설용 모듈 블록. - 제1항에 있어서,
상기 패턴은, 매트릭스 부분과 소판 부분을 포함하는 진주층 구조인 것인 건설용 모듈 블록. - 제6항에 있어서,
상기 제1 파트는, 상기 진주층 구조의 상기 소판 부분에 대응되는 형상을 갖고,
상기 제2 파트는, 상기 진주층 구조의 상기 매트릭스 부분에 대응되는 형상을 갖는 것인 건설용 모듈 블록. - 제1항에 있어서,
상기 제1 재료는 취성 재료이고, 상기 제2 재료는 연성 재료인 것인 건설용 모듈 블록. - 제1항에 있어서,
상기 3D 프린팅의 방식은, 용착 조형 공정(FDM; Fused deposition modeling) 방식으로 프린팅하는 것인 건설용 모듈 블록. - 다중 재료를 사용하여 3D 프린팅을 통해 형성되는 건설용 모듈 블록의 제조 방법으로서,
상기 다중 재료 중 다른 재료보다 강도가 높은 제1 재료로 형성되는 제1 파트와 상기 다중 재료 중 다른 재료보다 연성이 높은 제2 재료로 형성되는 제2 파트를 상기 3D 프린팅을 통해 미리 정해진 패턴을 이루도록 형성하는 블록 바디 형성 단계; 및
다른 상기 건설용 모듈 블록과 연통되도록, 상기 블록 바디의 내부에 중공의 채널을 형성하는 채널 형성 단계;를 포함하는 것인 건설용 모듈 블록 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 건설용 모듈 블록은 설치 시, 상기 채널이 인접하게 배치되는 상기 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 서로 연통될 수 있고, 각각의 상기 건설용 모듈 블록의 상기 채널에 유동성 경화제가 주입됨으로써 각각의 상기 건설용 모듈 블록이 서로 체결되는 것인 건설용 모듈 블록 제조 방법. - 제11항에 있어서,
각각의 상기 건설용 모듈 블록 중 하나에는 상기 채널과 연통되는 경화제 주입구를 형성하고, 다른 하나에는 상기 채널과 연통되는 경화제 배출구를 형성하는 것인 건설용 모듈 블록 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 채널 형성 단계는, 상기 채널이 인접하게 설치되는 상기 다른 건설용 모듈 블록의 채널과 반복적으로 교차되는 복수의 연결구를 가지도록 형성하는 것인 건설용 모듈 블록 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 채널은, 사인파(sine wave) 형태 및 스프링 형태 중 하나의 형태로 형성되는 것인 건설용 모듈 블록 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 패턴은, 매트릭스 부분과 소판 부분을 포함하는 진주층 구조인 것인 건설용 모듈 블록 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 제1 파트는, 상기 진주층 구조의 상기 소판 부분에 대응되는 형상을 갖고,
상기 제2 파트는, 상기 진주층 구조의 상기 매트릭스 부분에 대응되는 형상을 갖는 것인 건설용 모듈 블록 제조 방법. - 다중 재료를 사용하여 3D 프린팅을 통해 형성되는 건설용 모듈 블록의 시공 방법으로서,
현장에서, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 건설용 모듈 블록을 상기 3D 프린팅으로 제조하는 단계;
제조된 복수의 상기 건설용 모듈 블록 각각을 적층하여 배치하는 단계; 및
배치된 상기 복수의 건설용 모듈 블록 중 하나에 형성된 경화제 주입구를 통해 상기 복수의 건설용 모듈 블록을 각각 관통하여 연결되는 채널에 유동성 경화제를 주입함으로써 상기 복수의 건설용 모듈 블록을 서로 체결하는 단계;를 포함하는 것인 건설용 모듈 블록의 시공 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR102107988B1 (ko) | 2018-01-10 | 2020-05-07 | 한밭대학교 산학협력단 | 3d프린터를 이용한 건축물 시공방법 및 이에 적용되는 골조부재 제조장치 |
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