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수중 3D 프린터로 해저 구조물 수리하고 건설한다




 

(출처: 코넬 대학)

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3D 프린터는 건축 분야에서도 활용되고 있습니다. 물론 콘크리트만 출력 가능하고 철근 콘트리트 같은 구조물을 만들기 힘들다보니 사실 활용 범위는 제한적으로 단독 주택 단지를 빠르고 값싸게 건설하는 일 등에 시도되고 있습니다. 하지만 여전히 특수 분야에서는 활용 가능성이 열려 있습니다. 예를 들어 DARPA가 지원하는 코넬 대학의 수중 3D 프린터가 그런 경우입니다.

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코넬 대학의 스리람야 나이르 교수 (civil and environmental engineering professor Sriramya Nair) 연구팀이 개발 중인 수중 3차원 콘크리트 프린팅 (three-dimensional concrete printing (3DCP)) 기술은 수중 구조물 건설 및 유지 보수에 대한 고민을 해결하기 위한 새로운 접근법입니다.

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콘크리트 구조물을 물속에서 건설하기는 매우 어렵기 때문에 주로 사용하는 방법 중 하나는 육지에서 굳힌 다음 수중에 설치하는 것입니다. 하지만 설치 후 수리하고 보수하는 작업이 새로운 문제가 될 수밖에 없습니다. 수중 3D 프린터로 손상 부위만 다시 채울 수 있다면 상당한 인력과 비용을 절감할 수 있지 않느냐는 게 DARPA의 생각입니다.

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하지만 사실 물속에서 콘크리트 잉크를 출력해서 굳히는 것은 쉽지 않습니다. 아무래도 물과 섞이면 자 굳지 않기 때문에 잘 굳는 형태의 콘크리트를 사용할 경우 노즐에서 막힐 가능성이 높고 노즐에서 잘 안막히는 부드러운 콘크리트를 사용하면 물과 섞이는 순간 더 잘 굳지 않는 문제가 있습니다.

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코넬 연구팀은 여러 분야의 연구진과 협력하여 2,722kg(6,000파운드) 로봇 시스템을 이용해 대규모 콘크리트 구조물을 3D 프린팅하는 연구를 진행했으며, 이 문제를 극복할 수 있는 2단계 3DCP(3D 프린팅 기술)를 개발했습니다.

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연구팀의 해결책은 기본 콘크리트 잉크를 우선 출력한 하면서 노즐에서 혼화제를 섞어 굳는 정도를 조절하는 2단계 방식입니다. 이 방법은 노즐이 막히는 것을 방지하면서 상황에 따라 굳기를 조절해 콘크리트가 물 속에서도 원하는 형태로 굳어지게 만들 수 있습니다.

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(동영상)

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코넬 연구팀은 지난 5월 연구를 위해 140만 달러의 보조금을 받았습니다. 이후 코넬 연구실의 대형 수조에서 여러 차례 시험 제작을 진행했으며, 이를 통해 콘크리트 아치 각각의 강도, 모양, 질감을 평가하고 있습니다.

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물론 실제 수중 건설 환경은 실험실의 수조와 다릅니다. 실제 수중에서는 수중 생물은 물론 각종 부유물, 그리고 물의 흐름이 시시각각으로 변하면서 출력물의 품질에 영향을 줄 수 있습니다. 해양 및 수중 환경에서 이러한 종류의 문제를 모니터링하기 위해 연구팀은 로봇 팔에 센서가 내장된 제어 상자를 제작했습니다. 이 센서는 인쇄 품질, 즉 레이어가 어떻게 적층되는지를 확인합니다. 이를 통해 연구진은 인쇄 설정을 실시간으로 조정할 수 있습니다.

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물론 3DCP 챌린지에 참가하는 팀들은 코넬 팀 하나가 아닙니다. DARPA의 3DCP에 참가한 팀들은 다음 달, 수중에서 3D 프린팅으로 아치를 제작하는 경쟁을 펼칠 예정이라고 합니다. 과연 누가 우승할 수 있을지 궁금합니다.

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참고

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https://newatlas.com/3d-printing/underwater-3d-printing-maritime-construction-darpa-cornell/

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