▲ 출처=디원테크  © 특허뉴스

3D프린터로 집을 짓고 자동차도 만들 수 있는 세상이다. 옷, 음식, 주택, 인체 장기는 물론 우주기지 건설까지. 의식주를 넘어 우주시대로 진출하는 3D프린팅의 활약, 21세기 연금술이라 불릴만하다.

 

캐나다에서 방 4개짜리 콘크리트 주택 외형을 하루 만에 제작하는 주택건축용 3D프린터가 개발돼 관심을 끌었는데, 더욱 놀라운 것은 이 3D프린터는 통상 6개월 정도 걸리는 콘크리트 주택 건축 제작기간을 며칠 수준으로 획기적인 단축한 데다 비용도 기존 방식의 10% 밖에 들지 않아 민간업계 및 공공기관에서 주목하고 있다.

 

3D프린팅 건축분야는 중국과 러시아, 전세계에서도 경쟁하고 있다. 러시아에서는 3D프린터로 하루 만에 집짓기에 성공했다. 콘크리트 혼합물을 3D프린팅 한 다음 페인트칠과 지붕 얹기 등 집을 완성하기까지 1주일이 걸리지 않았다. 중국도 두바이에서 3D프린팅 부재로 지은 오피스 빌딩 ‘오피스 오브 더 퓨처’를 선보이기도 했다.

 

건설용 3D프린팅은 디지털 설계 데이터를 기반으로 재료를 적층하여 구조물을 만드는 첨단 제조 기술이다. 콘크리트, 금속, 복합 재료 등을 활용해 집, 다리, 공공시설 등 다양한 건축물을 제작할 수 있는 이 기술은 건설 산업의 패러다임을 바꾸는 핵심 요소로 떠오르고 있다. 도시화와 인구 증가로 인해 건설 수요가 급증하는 가운데, 기존 방식의 한계를 극복할 대안으로 주목받고 있다.

 

건설용 3D프린팅 기술은

건설용 3D프린팅은 적층 제조(additive manufacturing) 방식으로 재료를 층층이 쌓아 구조물을 제작하는 기술이다. 이는 주로 디지털 설계 데이터를 기반으로 작동하며, 기존의 철골 구조, 거푸집 제작 등을 대체할 수 있는 새로운 접근 방식으로 평가받고 있다.

 

▲ 출처=freepik  © 특허뉴스

대표적인 기술 방식으로 첫째, 압출 기반 방식(Extrusion-Based Printing)이 있다. 이 방식은 점성이 높은 콘크리트나 폴리머를 노즐을 통해 출력하여 층을 쌓아가는 방식이다. 대규모 구조물에 적합하며 가장 널리 사용되고 있다. 둘째, 분말 기반 방식(Powder Bed Fusion)으로, 분말 형태의 재료를 레이저나 접착제를 통해 응고시키는 방식으로, 정밀한 소형 부품 제작에 활용된다. 셋째, 혼합 방식(Hybrid Printing)은 압출 방식과 분말 방식을 결합하여 구조적 안정성과 정밀도를 모두 확보하는 기술이고, 넷째, 로봇 팔 기반 프린팅(Robotic Arm Printing) 방식은 로봇 팔을 활용하여 곡선 및 비정형 구조물 제작이 가능하다. 예술적 설계와 비표준 건축물에 적합하다.

 

왜 건설용 3D프린팅이 필요한가?

먼저, 도시화 및 인구 증가에 대응이다. 전 세계적으로 도시는 빠르게 확장되고 있으며, 이에 따라 주택, 인프라 및 공공시설의 수요가 증가하고 있다. 기존 건축 방식으로는 이러한 수요를 효율적으로 충족하기 어렵기 때문에 건설용 3D프린팅의 필요성이 부각된다. 또한 환경적 지속 가능성도 3D프린팅이 필요한 이유이다. 3D프린팅 기술은 자재 낭비를 줄이고, 탄소 배출을 감소시키며, 재활용 가능 자재를 사용해 지속 가능한 건축을 가능하게 하기 때문이다. 무엇보다, 재료와 인건비 절감을 통해 건설 비용을 낮추며, 더 짧은 시간에 더 많은 구조물을 제작할 수 있는 경제적 효율성 때문에 전세계적으로 건설용 3D프린팅 기술은 확산되고 있다.

 

건설용 3D프린팅, 무엇까지 만들 수 있나

3D프린팅 기술은 저비용으로 소형 주택을 제작하는 데 사용된다. 네덜란드의 'Project Milestone'은 콘크리트로 3D프린팅된 주택을 선보이며 이 기술의 잠재력을 보여줬다. 중국 상하이에서는 세계 최초로 금속을 3D프린팅하여 제작한 다리가 건설되었다. 이러한 기술은 시간과 비용을 줄이면서도 안정성을 보장한다. 한국에서도 디원테크가 소형건물을 3D프린팅으로 제작했고, 이렇게 제작된 3D프린팅 건물은 자동차 충격실험에서도 안전성 및 강도에서 안전성을 입증한 바 있다.

 

▲ 건설용 3D프린팅으로 제작한 2층 사무실(출처=디원테크)  © 특허뉴스

이외에도 공공장소의 벤치, 방음벽, 조경 구조물 등 공공시설이나, 복잡한 곡선과 독창적인 디자인을 요구하는 예술적 건축물 제작에도 3D프린팅으로 제작할 수 있다.

 

3D프린터의 가장 기본적인 DLP방식인 3D CAD 환경에서 광경화수지를 이용해 입력된 3D 모델링으로 입력된 데이터를 조형물로 출력해 내는 프린터에서, 가장 기본적인 건축용 3D프린터는 건축 공정에서 반드시 필요한 몰탈의 균일한 혼합과 적용을 구현한다. 프린터의 X축과 Y축 프레임에 믹싱 모듈을 설치하여 공급된 몰탈을 균일하게 혼합하고 균일한 품질로 적층시켜 건축물의 안정성을 더욱 향상시킨다. 이 3D프린터를 이용해 공정에서 몰드 셋업과 제거에 필요한 시간과 인력 사용을 획기적으로 감소시켜 보다 높은 건축물의 완성도를 구현할 수 있다.

 

▲ 3D프린터(출처=윈텔립스, 10-2024-0131512)  © 특허뉴스

 

▲ 건축용 3D프린터(출처=윈텔립스, 10-2024-0039271)  © 특허뉴스

콘크리트용 3차원 프린터 기술은 3차원 3D프린터로 콘크리트를 분사하고 표면을 가공하여 건축의 뼈대가 되는 콘크리트 제품을 제조한다. 이 3D프린터는 하우징, 콘크리트를 분사하기 위한 처리 유닛과 3D 모델링의 인쇄 공정의 정밀한 제어를 위한 유닛으로 구성되어, 콘크리트를 고정밀도로 분사 후 조형된 콘크리트의 표면을 절단하고 마무리하는 후처리 작업까지 능숙하게 수행한다. 이 3D프린터가 콘크리트를 분사하는 프린트였다면 건설용 3D프린팅은 출력된 콘크리트의 굽기, 즉 경화 정도도 측정한다. 기존의 3D프린터는 콘크리트, 몰탈과 같은 건축 재료의 출력만 가능할 뿐 콘크리트의 경화 정도를 측정하는데 문제가 있었지만, 건설용 3D프린팅은 건설공정에서 가장 중요한 콘크리트 경화 수치와 정도를 편리하고 정확하게 측정할 수 있다.

 

▲ 콘크리트용 3차원 프린터(출처=윈텔립스,10-2024-0085893)  © 특허뉴스

 

▲ 경화 측정 수단이 마련된 건설용 3D프린팅 장치(출처=윈텔립스, 10-2024-0022752)  © 특허뉴스

특히 건설용 3D프린팅은 초음파 기술을 활용하여 상부와 측면 모두의 콘크리트 양생, 경화 정도를 측정하여 출력과정에서 실시간으로 시간 조절도 가능해 제조되는 콘크리트가 적절한 경화도에 다다랐을 때에만 정확한 적층, 출력되어 공정의 효율과 정확성을 더욱 높였다.

 

왜 건설용 3D프린팅이 뜨나

건설용 3D프린팅이 뜨는 이유는 시간 절약이다. 전통적인 건축 방식에 비해 공사 기간을 50% 이상 단축할 수 있다. 재료 낭비와 인건비를 줄여 전체 건설 비용을 절감할 수 있고, 복잡한 구조나 비정형 형태를 손쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다. 또한 재료를 효율적으로 사용하여 환경 영향을 최소화하고, 개별 소비자의 요구에 맞춘 맞춤형 제작이 가능하다.

 

하지만, 건설용 3D프린팅의 장점이 있는 반면, 3D프린터와 관련 소프트웨어는 높은 초기 비용이 요구된다. 또한 현재 사용가능한 재료가 제한적이며, 강도와 내구성의 문제가 있을 수 있다는 전문가들도 존재한다. 더욱이 건축 규정과 안전 기준을 충족해야 하는 과제와 대규모 구조물 제작 시 안정성과 품질을 확보하기 위한 추가적인 요구가 지속되고 있다.

 

건설용 3D프린팅 특허기술 동향은

전 세계 3D프린팅 건설 시장은 2022년 약 34억 달러(4.7조 원)에서 매년 65%씩 성장해, 2032년에는 5천억 달러(716조 원)에 이를 것으로 예상되고 있다. 2012년 8건에 불과했던 3D프린팅 건설기술 특허는 2021년 231건으로 급증했다. 특히 2014년부터 출원이 급격히 증가했으며, 이는 3D프린팅 산업을 지원하는 국가 정책들이 발표된 결과로 분석된다.

 

3D프린팅 건설기술 출원이 가장 많은 국가는 중국(533건)이며, 그 뒤를 미국(276건)이 잇고 있다. 한국은 총 167건으로 3위를 기록했지만, 최근 5년간 가장 높은 성장세를 보였다. 출원 주체로는 한국의 중소벤처기업과 대학, 연구소가 활발히 참여 중이며, 기업(34.7%), 대학(30.5%), 공공 및 개인(각각 17.4%) 등 다양한 주체들이 이 분야의 성장을 이끌고 있다.

 

3D프린팅 건설분야의 출원인을 분석한 결과, 기업이 이 분야의 연구‧개발을 주도(68.5%)하고 있는 것으로 나타났다. 특히 미국(83.3%), 독일(97%), 프랑스(96.4%)는 기업의 출원비율이 높았다. 한국은 기업(34.7%), 대학(30.5%), 개인(17.4%), 공공(17.4%) 등 다양한 출원인에 의해 연구‧개발이 진행되는 것으로 나타났다.

 

▲ 출처=디원테크  © 특허뉴스

주요 다출원인을 살펴보면, 1위 씨카((3.6%, 50건, 스위스), 2위 지이(3.5%, 49건, 미국), 3위 중국건설(3%, 42건, 중국) 등 건설 관련 기업들이 차지하고 있었다. 한국 출원인으로는 19위 건설기술연구원(0.9%, 13건), 21위 연세대(0.7%, 10건), 42위 세종대(0.4%, 6건), 50위 하이시스 및 디원테크(각각 0.4%, 5건) 등 연구소, 대학, 기업체가 다양하게 포진하고 있다. 특히, 한국에서는 3D프린팅 전문 중소벤처기업이 선전하고 있는 것으로 나타났다. 이외에도 재난지역 재건 프로젝트에 특화된 건설용 3D프린팅, 이동식 3D프린터로 신속한 건축이 가능하도록 설계된 시스템 등도 두각을 나타내고 있다.

 

건설용 3D프린팅은 건설 과정의 효율성을 높이고, 기존의 제한된 설계 및 제작 방식을 넘어 새로운 가능성을 제시하고 있다. 저비용 주택 제공을 통해 주택 문제를 해결하고, 재난 지역 재건에 기여할 수 있으며, 대량 맞춤화와 비용 절감을 통해 기업과 소비자 모두에게 혜택을 제공한다. 또한 다양한 산업에서 혁신을 이끌어 내며, 우주 개발, 의료, 제조업 등에서도 기술 발전 촉진에 핵심적인 역할이 기대된다.

 

건설용 3D프린팅 기술은 단순히 건축 방식을 변화시키는 것을 넘어, 지속 가능하고 효율적인 미래 도시를 만드는 데 중요한 열쇠로 자리 잡고 있다. 초기 기술적 한계와 규제 문제를 해결해야 하는 도전 과제가 남아 있지만, 이 기술의 잠재력은 건설 산업뿐만 아니라 전 세계 사회에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 기대되고 있다.

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