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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.20 No.1 pp.61-67
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2020.20.1.61

The Shape Optimization of PLA Polymer Space Truss Using 3D Printer

Jae-Hoon Bae*, Zhang Zhi-Yu**, Young K. Ju***
*School of Civil Environmental and Architectural Engineering, Korea University
**School of Civil Environmental and Architectural Engineering, Korea University
***School of Civil Environmental and Architectural Engineering, Korea University
Tel: 02-3290-3327 Fax: 02-3290-3743 E-mail: tallsite@korea.ac.kr
December 5, 2019 December 30, 2019 January 8, 2020

Abstract


In the era of the Fourth Industrial Revolution, Various attempts are being made to converge new industries with IT industry to find new growth engines in the field of IT, maximizing efficiency in terms of productivity. 3D printers are also related to this, and various studies have been conducted worldwide to utilize them in the construction industry. At present, there is an active effort to study atypical structures using 3D printers. The most widely used method is the use of glass panels, however, the additional cost of the manufacturing process and thus the overall project cost cannot be ignored. In addition, the construction of the curvature of the existing two-way curved surface in the conventional flat joint method is not suitable for implementing an amorphous shape. In this paper, we propose an optimized shape through Abaqus analysis of various shapes of Space Truss interior using 3D printing technology using polymer.



3D 프린터를 활용한 PLA 폴리머 Space Truss의 최적화

배 재훈*, 장 지우**, 주 영규***
*정회원, 고려대학교 건축사회환경공학과 BK 연구교수, 공학박사
**학생회원, 고려대학교 건축사회환경공학과, 공학석사
***교신저자, 정회원, 고려대학교 건축사회환경공학과 교수, 공학박사

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    19AUDP-B121595-04

    1. 서론

    4차 산업혁명 시대를 맞이하여 새로운 성장 동력을 찾기 위해 각기 다른 산업 분야 간 융합을 하려는 시도 가 이루어지고 있다. 건설 산업 분야에서도 3D 프린터 를 활용하기 위한 다양한 연구들이 세계 곳곳에서 수행 되고 있다. 특히 중국 정부는 "Made in China 2025" 이 니셔티브를 시작으로 2015년부터 여러 단계에 걸쳐 3D 프린팅을 산업 발전의 중요한 원동력으로 삼아 3D 프린 팅 및 첨가제 제조 산업의 발전에 중점을 두고 있다. 중 국의 빠른 도시화와 인구 증가는 많은 건설 프로젝트를 촉발하였다. 중국은 건축 및 건설에 3D 프린팅을 배포 함으로써 얻을 수 있는 잠재적 이점을 적극 활용하고 있 으며, 향후 10년 동안 3D 프린팅 산업 분야의 혁신적인 개발을 지속적으로 이끌 것으로 예상된다1).

    특히 최근에는 3D 프린터를 활용하여 비정형 구조를 연구하려는 움직임이 활발하다. 디자인적으로 비정형 형 상을 구현하기 위하여 비정형 건축물에 최적화된 재료 를 찾는 노력이 이루어지고 있다. 대표적인 예로 빌바오 구겐하임 박물관은 티타늄, 아부다비의 Capital Gate는 유리를 활용하였으며, 국내에서는 UHPC를 사용한 KEB 한국은행과 유리를 활용한 동대문 디자인 플라자를 들 수 있다<Fig. 1>.

    유리 패널을 활용하는 방법이 가장 널리 사용되지만 제작 프로세스 및 이에 따른 전체 프로젝트의 추가 비용 문제를 간과할 수 없다. 또한 2방향 곡면의 곡률을 기존 평이음 방식으로 시공하는 것은 비정형 형상을 구현하 는데 적합하지 않다. 따라서 본 논문에서는 <Fig. 2>와 같이 패널 모듈에 외장재를 부착하는 방식으로 비정형 형상을 구현하고자 하였다. 또한 폴리머(PLA) 재료를 활용하여 3D 프린팅 기술을 사용한 스페이스 트러스 (Space truss) 내부 보강 구조재를 최적화하기 위해 FEM 해석으로 구조적인 검증을 하고 경제성을 고려한 최적의 형상을 제안하고자 한다.

    2. 폴리머(PLA)를 사용한 3D 프린팅 Space truss

    2.1 폴리머 재료

    내부 보강재로 PLA 폴리머 재료를 고려하였다. 유리 질 폴리머의 강성과 연성은 분자 배열에 영향을 받는다. 탄성 계수(Young’s Modulus)는 3~7GPa이고, 변형률 0.2~1 사이에서 파단된다. <Fig. 3>은 PLA 폴리머의 응 력 변형률 선도의 예를 보여주고 있다. PLA에 주로 사 용되는 재료는 유산(Lactic acid)이며, PLA는 유산 (Lactic Acid)을 진공 하에 가열하여 얻어진다. 유산은 설탕 및 녹말을 발효하여 제조할 수 있으며, 이러한 방 법을 통해 PLA를 생산할 경우 제조 원가가 저렴하다. PLA는 매립 시 탄수화물과 물로 분해되는 생분해성 소 재로 이산화탄소 발생 및 건설 폐기물을 감소시킬 수 있 는 친환경적인 보강 재료라 할 수 있다2).

    2.2 3D 프린팅 기술

    3D 프린팅 기술은 복잡한 형상을 자동으로 제작할 수 있는 최첨단 기술로써 적은 비용으로 여러 재료를 사용 하여 다양한 제품을 제작할 수 있다. 건설 산업에서는 3D 프린팅 기술에 4축과 6축 로봇을 사용한다. 특히 Mesh 몰드 기술은 <Fig. 4>과 같이 대형 6축 로봇을 사 용하여 열가소성 폴리머를 압출하고 3D 공간에서 원하 는 구조물을 인쇄할 수 있게 해 준다. 인쇄하는 동안 노 즐의 가압 공기를 사용한 정밀 냉각은 높은 수준의 제어 를 가능하게 해서 복잡한 구조를 제조하는데 필요한 시 간을 줄일 수 있다. 이와 더불어 구조물에 작용하는 힘 의 배열에 따라 다양한 밀도의 메시가 인쇄가 가능하다17).

    2.3 스페이스 트러스(Space truss)

    스페이스 트러스는 시스템의 구조적인 거동이나 시공 의 편의성을 저해하지 않고 비용 절감 측면에서 효율적 인 구조물로 다른 구조와 융합된 연구를 비롯하여 이와 관련된 다수의 연구들이 진행되어 왔다12-15). 본 연구에 서도 스페이스 트러스의 구조적인 장점과 3D 프린터의 융합을 통해 시공편의성과 경제성을 가진 스페이스 트 러스를 응용하여 비정형 외장재의 내부 구조재로 고려 하였다<Fig. 5>.

    <Fig. 6>은 3D 프린터 기술을 통해서 스페이스 트러 스를 만드는 가상의 시공 제작 컨셉을 보여주고 있다. 공장 제작 방식을 사용할 경우 건설 시장의 인력난으로 인한 현장의 품질 저하 현상을 극복하고 우수한 품질을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 주어진 제품 형태의 구조제 를 현장에서 조립함으로써 시공 기간을 단축시킬 수 있 을 것으로 기대된다.

    3. 유한 요소 해석

    3.1 개요

    구조 해석에는 상용 프로그램인 Abaqus ver. 2017을 사용하였다. 스페이스 트러스 해석 모델은 Solid 모델을 사용하고, 스페이스 트러스와 외부의 콘크리트 접합은 마찰이 없는 완전 강접으로 고려하였다. 외장재 외부 설 치를 위한 지점 부분의 변위는 x, y, z 각축으로 고정하 고 모멘트만을 허용한 핀서포트를 사용하여 모델링에 반영하였다6). 해석 모델 고려 시 <Fig. 2>의 외부 마감 부분은 프로젝트에 따라 변경 가능성이 있으므로 이를 제외한 양쪽의 콘크리트 패널과 중앙의 PLA 스페이스 트러스의 단위 모듈을 대상으로 해석을 진행하였다. <Table 2>와 같이 서울 평균 풍속 26m/s을 풍압으로 계산하였고, 해석 모델에 자중을 함께 고려하였다.

    PLA 스페이스 트러스 해석 대상 모델은 <Fig. 7>과 같이 960(B)☓960(D)☓30t 6개의 모델로 하였으며, 주 요 변수는 한 노드의 접합되는 노드별 접합 부재수로 하 였다. <Fig. 8>과 같이 배면의 4군데를 핀서포트로 고려 하여 풍하중에 대한 구조 안전성을 검증하고자 하였다. 이때 전체 해석 대상 모델의 체적(cm³)과 이를 환산한 총 Mass(g)는 <Table 3>과 같다.

    3.2 Space truss 해석 결과

    스페이스 트러스의 구조 해석 결과를 정리하면 <Fig. 9>와 같다. 실험체별 응력은 Von-Mises 응력을 사용하여 표현하였고, 최대 응력을 비교하여 <Table 4> 에 정리하였다.

    풍하중에 대한 구조적 안전성을 판단하기 위해서 구 조물의 응력 외 구조물의 변형(Deformation)에 대한 최 대 처짐(Maximum deflection)과 최대 변형량 (Maximum displacement)을 비교하였다.

    3.3 최적화 형상 제안

    최적화의 기준은 구조적인 안전성을 최우선으로 고려 하였다. 이때 각 모델의 변형과 처짐을 비교하여 구조적 인 안전성을 유지하면서 경제성 측면에서 PLA의 물량 을 최소화하는 것을 판단 기준으로 삼았다. <Fig. 10>과 <Fig. 11>의 해석 결과를 근거로 판단할 때 구조적으로 변형이 가장 적은 모델은 최대 처짐이 0.96mm로 처짐 량이 가장 적은 ST06-NV12이다. ST01-NV07 모델은 최대 변형량이 가장 적다. 또한 ST01-NV07 모델의 Von-Mises 응력 분포를 살펴보면 노드에 연결된 부재 전반에 인장과 압축을 받으면서 하중을 고르게 받는 것 을 확인할 수 있었다. 이로써 ST01-NV07 모델은 불필 요한 부재를 최소화하고 구조적 측면에서 효율적으로 배치되었음을 확인할 수 있었다. 따라서 경제성과 시공 성을 기준으로 판단한 최적화 형상은 ST01-NV07 모델 이라고 할 수 있다.

    4. 결론

    3D 프린팅 기술은 미래 건설 사업에서 유망한 기술로 꼽히고 있으며, 전통 산업의 한계를 극복하는 가능성을 여실히 보여주고 있다. 본 논문에서도 제조 원가가 저렴 하고 친환경적인 폴리머(PLA)를 구조재로 사용하여 스 페이스 트러스라는 구조적으로 우수한 장점을 가진 시 스템을 융합함으로써 구조적인 취약점을 극복하고자 하 였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.

    • 1) 내부 보강재의 구조 해석은 양쪽의 콘크리트 패널 과 중앙의 PLA로 제작된 스페이스 트러스의 단위 모듈 을 대상으로 진행하였다. 해석 모델은 960(B)☓960(D) ☓30t 6개의 모델로 하였으며, 주요 변수는 한 노드에 접합되는 Node valence 개수로 하였다.

    • 2) 최적화의 기준으로 구조적인 안전성을 우선적으로 고려하였다. 이때 각 모델의 변형과 처짐을 비교하여 구 조적인 안전성을 유지하면서 경제성 측면에서 PLA의 물량을 최소화하는 것을 기준으로 평가하였다. 해석 결 과를 비교해 볼 때 구조적으로 가장 변형이 적은 모델은 최대 처짐이 0.96mm로 가장 적은 ST06-NV12이다. ST01-NV07 모델은 최대 변형량에서 가장 우수한 성능 을 보인다. 그러나 경제성 측면에서 물량을 고려할 때 주어진 기준을 근거로 판단한 최적화 형상은 ST01-NV07 모델이라고 할 수 있다.

    • 3) 본 논문에서는 최적화 형상 해석에서 Node valence 접합되는 부재의 개수를 변수로 하여 해석을 진행하였으나 추후 노드에 접합되는 개수가 동일한 스 페이스 트러스의 다양한 형상에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

    • 4) 아울러 본 논문에서는 6개의 스페이스 트러스 예 제 모델을 사용하여 경제성 및 안전성을 기준으로 최적 설계안을 평가하였다. 향후에는 스페이스 트러스의 경제 성과 관련하여 더욱 다양한 형상의 조합에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비 지원 (19AUDP-B121595-04)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    KASS-20-1-61_F1.gif

    Dongdaemun Design Plaza, Seoul

    KASS-20-1-61_F2.gif

    Irregular formwork using PLA space truss4)

    KASS-20-1-61_F3.gif

    PLA stress-strain curve example2),7)

    KASS-20-1-61_F4.gif

    3D printer and construction16),18)

    KASS-20-1-61_F5.gif

    Dongdaemun Design Plaza, Seoul

    KASS-20-1-61_F6.gif

    3D space truss fabrication concept8)

    KASS-20-1-61_F7.gif

    PLA space truss parametric study model5-9)

    KASS-20-1-61_F8.gif

    Abaqus modeling3),7)

    KASS-20-1-61_F9.gif

    FEM analysis results3),7),10)

    KASS-20-1-61_F10.gif

    Analysis model max stress (Mpa)

    KASS-20-1-61_F11.gif

    Analysis model maximum deformation10)

    Table

    PLA material property11)

    Specimens volume and mass7)

    Specimens volume and mass8)

    Result of maximum stress3)

    Result of maximum deformation2)

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