▲ 3층 3D프린팅 콘크리트에 적용한 초음파 측정 실험. 층별 높이 15mm로 출력한 (b)3층 시편. (c) M1, (d) M2, (e) M3 배합에서 몰드로 만든 시편(Cast)과 3D프린팅 시편(3DPC)의 초음파 감쇠량을 비교한 결과 두 시편 모두 시간이 지날수록 감쇠량이 유사하게 증가해 3D프린팅 시편에도 측정법을 적용할 수 있음이 확인됐다.

거푸집 없이 3D프린팅으로 건축물을 짓는 과정에서 콘크리트 아래층이 다음 층을 올려도 될 만큼 굳었는지를 초음파로 확인하는 기술이 개발돼 건축분야에서의 3D프린팅 적용 확대가 기대된다.

UNIST는 지구환경도시건설공학과 신명수 교수팀이 출력물 한쪽 면에만 초음파 센서를 붙여 3D프린팅 콘크리트의 초기 강도를 추정하는 비파괴 검사법을 개발했다고 2일 밝혔다.

3D프린팅 건축은 걸쭉한 콘크리트를 가두는 거푸집 없이 콘크리트를 치약처럼 짜내 층층이 쌓아 만드는 기술이다. 거푸집을 만들고 해체하는 데 드는 시간과 비용을 줄일 수 있고, 곡선처럼 복잡한 모양의 구조물도 비교적 쉽게 만들 수 있다.

3D프린팅 건축에서 중요한 것은 콘크리트가 완전히 굳기 전 그 위에 다음 층을 쌓을 수 있을 만큼 버티는 초기 강도를 확인하는 것이다. 이 힘이 충분히 생기기 전에 다음 층을 올려버리면 출력물이 찌그러지거나 무너질 수 있다.

연구팀이 개발한 검사 기술은 출력물 한쪽 면에 센서 2개가 달린 아크릴판을 수직으로 부착해 아래층의 초기 강도를 확인하는 방식이다. 초음파 진동이 무른 콘크리트보다 단단하게 굳은 콘크리트에서 더 잘 퍼지는 원리를 이용했다.

콘크리트가 굳으면 송신 센서에서 나온 초음파 일부가 콘크리트 안으로 퍼지기 때문에 수신 센서에서 잡히는 초음파의 세기가 약해진다. 측정되는 초음파가 약할수록 콘크리트가 더 굳었다고 판단할 수 있게 되는 것이다.

기존에 초음파로 강도를 측정하는 방식은 센서를 매립하거나 양쪽 면에 부착해야만 했다. 반면 이번 기술은 소자 2개를 한쪽 면에만 붙이기 때문에 설치가 간편하고, 아직 무른 콘크리트를 건드려 모양을 변형시킬 우려도 줄일 수 있다.

연구팀이 배합이 서로 다른 세 종류의 콘크리트로 실험한 결과, 초음파 신호에서 얻은 지표와 콘크리트를 직접 눌러 측정한 초기 강도 사이에 높은 상관성이 나타났다. 주요 초음파 지표와 초기 강도의 관계를 나타내는 결정계수는 0.927~0.975였다. 결정계수가 1에 가까울수록 두 값의 변화가 잘 맞는다는 뜻이다.

또 실제 3D프린팅으로 제작한 시편에서도 시간이 지날수록 수신 센서에 도달하는 초음파가 약해지는 같은 변화가 확인됐다.

신명수 교수는 “출력물 한쪽 면에서 콘크리트가 굳는 상태를 확인할 수 있어, 아래층이 충분히 굳은 시점에 맞춰 다음 층을 쌓도록 3D프린터의 출력 속도를 조절하는 데 활용할 수 있다”며 “다만 현재는 소형 3층 출력물에서 실험한 단계로 실제 크기의 건축물에 적용하기 위해서는 추가 연구가 필요하다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 국제학술지 ‘시멘트 앤드 콘크리트 컴포지츠(Cement and Concrete Composites)’ 11월호에 실렸다.