본 연구는 공중뿐만 아니라 수중에서도 출력할 수 있는 3차원 콘크리트 프린팅(3DCP) 시스템을 개발하였다. 수중 3DCP 시스템은 프린터 호퍼(hopper) 내 재료의 양을 감지하여 일정한 속도로 프린팅 재료를 노즐 팁으로 공급하는 기술을 포함하는 다수의 독자적 기술로 구성된다. 개발된 3DCP 시스템을 이용하여 수중에서 노즐의 세부 형상이 프린팅 품질 및 경화 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 수중에서의 직선 출력 성능은 다섯 가지 노즐을 사용하여 평가하였다: 흙손(trowel)이 없는 노즐(Nozzel#1), 양측에 고정 흙손이 부착된 노즐(Nozzle#2), 후면과 양측에 흙손이 부착되어 5면을 구속하는 노즐(Nozzle#3), 30°만큼 경사지게 한 3면 흙손을 갖는 노즐(Nozzle#4), 그리고 Nozzle#4에 개구부(opening)로부터 지붕(roof)을 추가한 노즐(Nozzle#5). 그 결과 Nozzle#4가 가장 우수한 출력 품질과 경화 특성을 나타냈다. 또한 Nozzle#4를 사용하여 수중 곡선 형상 출력 시험을 수행하고, 해당 시험에서 발생한 문제점을 분석하였으며 해결 방안을 제시하였다.

3차원 콘크리트 프린팅(3DCP)의 연구 및 기술 발전은 이를 해양(오프쇼어) 건설에 적용할 수 있다는 아이디어로 이어졌다. 수중에서는 중력의 영향이 감소하며, 이는 3DCP에 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 이 개념의 기초적인 검증을 위해, 본 연구에서는 동일한 모르타르 혼합물을 사용하여 공기 중과 수중에서 인쇄 및 적층 제조한 시편을 제작하고, 신선 상태 및 경화 상태에서의 특성을 평가하였다. 기계적 특성은 직접 주조로 몰드에 제작한 시편과, 코어링 및 절단을 통해 적층 부분에서 추출하여 제작한 시편을 사용하여 평가하였다. 실험 결과에 따르면, 양호한 프린트 품질을 위해 수중 3D 프린팅은 공기 중 3D 프린팅보다 더 많은 프린팅 출력이 필요했으며, 구축성(buildability)은 공기 중에 비해 수중에서 향상되었다. 수중에서 적층된 시편의 경우, 공기 중에서 적층된 시편에 비해 밀도와 압축 강도가 감소하였다. 물에서는 수분 증발 및 블리딩(bleeding)의 영향이 거의 없기 때문에, 수중에서 인쇄된 시편의 층간 결합 강도는 공기 중에서 인쇄된 시편보다 다소 더 컸으나, 수중에서의 적층 시간 간격에는 영향이 없었다.

본 연구는 공중뿐만 아니라 수중에서도 출력할 수 있는 3차원 콘크리트 프린팅(3DCP) 시스템을 개발하였다. 수중 3DCP 시스템은 프린터 호퍼(hopper) 내 재료의 양을 감지하여 일정한 속도로 프린팅 재료를 노즐 팁으로 공급하는 기술을 포함하는 다수의 독자적 기술로 구성된다. 개발된 3DCP 시스템을 이용하여 수중에서 노즐의 세부 형상이 프린팅 품질 및 경화 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 수중에서의 직선 출력 성능은 다섯 가지 노즐을 사용하여 평가하였다: 흙손(trowel)이 없는 노즐(Nozzel#1), 양측에 고정 흙손이 부착된 노즐(Nozzle#2), 후면과 양측에 흙손이 부착되어 5면을 구속하는 노즐(Nozzle#3), 30°만큼 경사지게 한 3면 흙손을 갖는 노즐(Nozzle#4), 그리고 Nozzle#4에 개구부(opening)로부터 지붕(roof)을 추가한 노즐(Nozzle#5). 그 결과 Nozzle#4가 가장 우수한 출력 품질과 경화 특성을 나타냈다. 또한 Nozzle#4를 사용하여 수중 곡선 형상 출력 시험을 수행하고, 해당 시험에서 발생한 문제점을 분석하였으며 해결 방안을 제시하였다.

3차원 콘크리트 프린팅(3DCP)의 연구 및 기술 발전은 이를 해양(오프쇼어) 건설에 적용할 수 있다는 아이디어로 이어졌다. 수중에서는 중력의 영향이 감소하며, 이는 3DCP에 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 이 개념의 기초적인 검증을 위해, 본 연구에서는 동일한 모르타르 혼합물을 사용하여 공기 중과 수중에서 인쇄 및 적층 제조한 시편을 제작하고, 신선 상태 및 경화 상태에서의 특성을 평가하였다. 기계적 특성은 직접 주조로 몰드에 제작한 시편과, 코어링 및 절단을 통해 적층 부분에서 추출하여 제작한 시편을 사용하여 평가하였다. 실험 결과에 따르면, 양호한 프린트 품질을 위해 수중 3D 프린팅은 공기 중 3D 프린팅보다 더 많은 프린팅 출력이 필요했으며, 구축성(buildability)은 공기 중에 비해 수중에서 향상되었다. 수중에서 적층된 시편의 경우, 공기 중에서 적층된 시편에 비해 밀도와 압축 강도가 감소하였다. 물에서는 수분 증발 및 블리딩(bleeding)의 영향이 거의 없기 때문에, 수중에서 인쇄된 시편의 층간 결합 강도는 공기 중에서 인쇄된 시편보다 다소 더 컸으나, 수중에서의 적층 시간 간격에는 영향이 없었다.

과학기술의 발전과 산업화로 인해 다양한 분야에서 알루미늄 합금이 개발되어 왔다. 최근 정부는 자원을 보존하고 에너지 사용을 줄이며 환경을 보호하기 위해 여러 부품의 무게를 감소시키고 재활용성을 높이는 방안을 추진해 왔다. 이러한 흐름에 따라 주조 산업에서는 고압 다이 캐스팅(HPDC)을 사용하여 주철 제품을 알루미늄 제품으로 대체하고 있다. 주조 레이아웃 설계는 주조 산업에서의 금형 설계자들의 경험과 지식에 의존해 왔으나, 시대의 급격히 변화하는 요구와 생산 비용 증가에 대응하기에는 불충분한 것으로 입증되었다. CAD/CAM/CAE 기술을 이용해 주조 레이아웃을 설계하고 제작하는 일은 중요한 과제가 되었다. 컴퓨터 소프트웨어와 하드웨어의 발전과 함께 컴퓨터지원공학(Computer-Aided Engineering, CAE) 기술이 빠르게 증가하고 있다. CAE 기술은 대량 생산에서의 결함을 예측할 뿐 아니라, 생산 이전의 금형 설계 단계에서 충전 또는 응고(고화) 해석을 수행함으로써 최적의 금형 설계 방법을 가능하게 한다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 충전 및 응고 해석의 신흥 주조 공정을 기존 기술과 현장 실무 경험과 결합하는 새로운 기술은 주조 산업에서 빠르게 늘어나고 있다. 경험적 지식에 기반하여 주조 제품의 레이아웃과 설계는 전통적으로 시행착오를 거치며 진행되어 왔다. CAE 기술을 활용한 과학적 계산과 분석을 통해 도출된 해법은 다이캐스팅 금형을 구축하고 이를 설계·제작하는 과정에서 상당한 비용과 시간을 절감할 수 있다. 본 연구에서는 가정용 기기(조리 그릴)에 대한 수치해석을 통해 주조 공정에서 용융 금속의 충전 및 응고로 인해 발생하는 문제를 빠르고 정확하게 예측함으로써 최종 주조 제품의 품질을 확보하고자 하였다. 이러한 결과는 생산 비용을 절감하면서도 신뢰할 수 있는 주조 레이아웃을 신속하게 수립하는 데 활용될 수 있다.

본 연구에서는 3차원 콘크리트 프린팅(3DCP)을 통해 공기 및 수중 환경에서 조립률이 큰 골재를 사용한 콘크리트를 제작하고, 얻어진 시편의 기계적 특성을 비교 평가하였다. 기초 배합은 보통중량 콘크리트(NWC) 중 결합재로 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 사용하는 배합을 선정하였고, 3DCP로 적용한 프린팅 콘크리트와 거푸집 타설 콘크리트의 기계적 특성을 비교하여 분석하였다. 인쇄성(printability)을 위해 폴리프로필렌 섬유를 포함한 섬유보강 콘크리트(FRC)를 추가 변수로 고려하였으며, 제작 방법(프린팅 및 거푸집 타설)과 조건(공기 및 수중 환경)을 변화시켰다. 서로 다른 재료, 제작 방법, 제작 환경을 사용해 제작한 시편에 대해 겉보기 밀도, 압축강도, 쪼갬인장강도 및 응력–변형률 곡선을 비교 분석하였다. 응력–변형률 곡선으로부터 계산한 정적 탄성계수를 고려할 때, 설계 기준코드로부터 얻은 값과 선행연구에서 제시된 탄성계수 예측 모델을 통해 얻은 값 간의 상관관계를 비교 분석하였다. 거푸집 타설 방법으로 제작한 콘크리트를 프린팅 시편과 비교한 결과, 거푸집 타설 콘크리트의 밀도는 프린팅 시편에 비해 34 kg/m3 더 높았고, 공기 중에서 제작한 시편은 수중에서 제작한 시편에 비해 밀도가 45 kg/m3 더 컸다. 압축강도(재령 28일)는 NWC가 FRC보다 약 8% 높게 나타났으며, 수중 시편의 압축강도는 공기 시편의 약 72% 수준이었다.

최근 건설 산업에서 기능을 갖춘 비정형 구조물과 조형적 아름다움에 대한 요구가 증가하고 있다. 기존의 금형 기반 구조물 생산 방법은 여러 장점을 갖고 있으나, 복잡한 비정형 구조물을 구축하는 데에는 비용과 기술적 특성으로 인해 한계가 따른다. 성형(몰딩) 생산 방법은 대량 생산 시스템에는 적합하지만, 소량 배치 생산에서는 생산비, 공사 기간, 공사비 및 환경 오염이 발생할 수 있다. 최근 건설 산업의 흐름은 다양한 유형의 정교한 구조물을 생산할 수 있는 맞춤형 소량 배치 생산의 새로운 공법을 요구한다. 3D 콘크리트 프린터(3D Concrete Printers, 3DCP) 관련 기술을 개발함으로써 얻는 경제적 효과뿐 아니라, 미래 기술의 이미지, 국제 건설 토목 산업에서의 위상, 자주적 역량, 기술 수출을 통해 국가 이미지를 제고할 수 있다. 지금까지 3DCP 기술은 육상에서 주거용 주택 및 구조물 등을 생산·활용하거나, 육상에서 제조한 후 이를 수중에 설치하는 방식으로 수행되어 왔다. 본 연구 과제의 최종 목적은 3DCP 장비를 이용해 수중에서 다양한 해양 구조물을 직접 3D로 프린팅하여 해양 구조물을 제작하는 것이다. 현재의 수중 구조물 시공 기술과 비교할 때, 3DCP 장비를 사용하여 수중에서 직접 구조물을 구축하는 경우 다음과 같은 장점이 있다: 1) 비용 절감 효과, 2) 공사 시간 단축, 3) 무정형 수중 구조물의 제작 용이성, 4) 재난 예방 효과. 3DCP 장비의 핵심 요소 기술은 이송된 복합 재료를 일정한 정량 속도로 압출하고, 출력(배출)하는 동안 재료의 프린팅 흐름을 매끄럽게 제어하는 것이다. 본 연구에서는 3DCP 장비의 압출 모듈이 수중에서 작동하도록 하면서, 압출 시에도 재료의 프린팅 흐름을 제어하고 수중 프린팅 중 발생할 수 있는 외부 힘을 최소화하는 압출 모듈을 개발한다. 수중에서 콘크리트 구조물을 프린팅하기 위한 3DCP 장비 개발에 대한 연구와, 고점성 저유동 콘크리트 복합 재료를 사용하여 콘크리트 구조물을 프린팅한 예비 실험을 설명한다.