특수 시멘트 기반 소재를 이용한 슬롯 머신 프린터 개발

최근에는 석고나 수지 등의 잉크를 사용해 다양한 물체를 적층 제작하는 슬롯 머신 프린터의 활용이 보편화되었습니다 그러나 건설업계에서 슬롯 머신 프린터는 건물 모형 제작에만 활용될 뿐 실제 건물이나 토목구조물에는 아직 적용되지 않았다

일반적으로 콘크리트를 비롯한 시멘트 기반의 자재들은 건물이나 토목구조물에 많이 사용되지만, 충분한 강도에 도달하려면 일정 시간이 필요하기 때문에 슬롯 머신 프린터를 사용하는 데에는 미리 정해진 형태와 치수를 유지하기 위한 거푸집이 필요한 등 많은 문제가 있습니다

새로 개발된 슬롯 머신 프린터는 로봇 팔에서 잉크를 분사하고 적층 가공을 수행하여 건물 및 토목 구조물용 부품을 자동으로 제조합니다

잉크는 Denka Co, Ltd(본사: 도쿄 주오구, 사장: 야마모토 마나부)에서 개발한 특수 시멘트 기반 재료입니다 건축물, 토목구조물에 필요한 강도와 내구성을 갖추고 있으며, 배출 후에도 형상이 유지되어 거푸집을 사용하지 않고도 부품 제작이 가능합니다

이번 개발로 이전에는 시멘트 기반 재료를 사용하여 제조할 때 많은 시간과 노력이 필요했던 곡면, 중공체 등 다양한 형상의 부품을 자동으로 제조할 수 있게 되었습니다

슬롯 머신은 실제로 이 3D 프린터를 사용하여 속이 빈 곡선형 모르타르 블록의 복제품을 제작하는 실험을 수행했으며 이를 결합하여 아치형 다리를 만드는 데 성공했습니다

1. 거푸집을 사용하지 않고 다양한 형태의 부품 제작
   

   일반 시멘트계 자재를 사용할 경우 충분한 강도에 도달하기까지 일정 시간이 소요되므로 거푸집 설치가 필요하지만, 이번에 사용한 시멘트계 자재는 요변성(*1)을 가지므로 거푸집이 필요하지 않습니다 자재가 배출된 직후에도 형태가 변하지 않고, 하지층과 일체화되어 단시간에 고화되므로, 거푸집 조립 및 해체에 많은 시간과 노력이 필요한 곡면, 중공 형상 뿐만 아니라, 거푸집을 사용하지 않고도 다양한 형상의 부품을 쉽게 제작할 수 있습니다

   미래에 우리는 다양한 디자인으로 적층 제조를 수행할 수 있는 슬롯 머신 프린터의 기능을 활용하고 이를 생체 모방(*2) 및 형태학적 최적화에 기반한 구조(*3)를 사용하여 가볍고 강한 뼈와 같은 구조의 생산에 적용하는 것을 고려할 것입니다

2. 오프라인 교육으로 자동으로 정확하게 자료 쌓기
   

   새로 개발된 슬롯 머신 프린터에는 7축 로봇 팔 끝에 재료를 배출하는 노즐이 부착되어 있습니다 노즐은 오프라인 티칭(*4)에 의해 제어되어 일정한 속도로 미리 결정된 경로를 따라 정확하게 이동하므로 재료의 자동적이고 정확한 적층 제조가 가능합니다 이번 실험에서는 가로 500mm x 깊이 250mm x 높이 500mm 크기의 중공 모르타르 블록을 약 15분 만에 제작할 수 있었습니다

• ※1 요변성 특성
  압력을 가하면 유동적이며, 압력을 가하면 점성이 있다가 굳어져 모양을 유지합니다 이 슬롯 머신프린터에 사용된 시멘트계 소재는 압력이 가해진 토출구에 도달할 때까지 유동성을 유지하며, 일단 토출되면 단시간에 경화됩니다

• ※2 생체모방
  가벼우면서도 강한 뼈 구조를 구조물에 적용하는 등 생물의 구조를 모방한 설계 방법 등

• ※3 형태 최적화
  부하조건에 따른 최적형태 분석방법

• ※4 오프라인 교육
  실제 기계를 사용하지 않고 컴퓨터나 작업 프로그램이 입력된 기타 장치를 사용하여 로봇의 동작을 가르치는 방법입니다 작업 내용을 모델링하는 경우 실제 기계를 사용하여 가르치는 것보다 작업 정확도 측면에서 유리합니다