KR20220060107A - 건축용 3d 프린터를 위한 몰탈 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건축용 3D 프린터에서 사용되는 몰탈의 배합비를 특정함으로써, 3D 프린터를 이용하여 건축물을 프린팅하는 경우에도 몰탈이 일정강도를 가져 적층시 몰탈이 퍼지는 것을 방지할 수 있는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물에 관한 발명으로서,
건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물에 있어서, 시멘트 44 ~ 52 중량%, 모래 19.2 ~ 23 중량%, 물 28 ~ 32 중량% 및 혼화제 0.8 ~ 1 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물을 제공한다.

Description

건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물{MORTAR COMPOUND FOR ACHITECTURAL 3D-PRINTER}
본 발명은 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건축용 3D 프린터에서 사용되는 몰탈의 배합비를 특정함으로써, 3D 프린터를 이용하여 건축물을 프린팅하는 경우에도 몰탈이 일정강도를 가져 적층시 몰탈이 퍼지는 것을 방지할 수 있는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물에 관한 발명이다.
일반적으로 철근콘크리트 구조물은 높은 압축강도를 가져 각종 건축물의 벽체, 슬라브 등의 구조물로 널리 시공되고 있다.
이러한 철근콘크리트 구조물은 일반적으로 기초물 상에 철근을 배열하여 설치하고 상기 설치된 철근을 둘러싸는 거푸집(형틀)을 조성하여 그 사이에 콘크리트를 타설한 후 콘크리트가 양생되면 다시 형틀을 제거하는 공정을 거쳐 시공되었다.
그런데 이러한 종래의 철근콘크리트 구조물의 시공방법에 의하면, 거푸집을 설치해야만 하고, 콘크리트가 양생된 후에는 다시 거푸집을 일일이 해체해야 하기 때문에 공정의 수가 많고 복잡하여 작업이 번거롭고 작업공수가 늘어나게 하는 요인이 됨으로써 전체 건축공기를 지연시키는 문제점이 있었으며, 또한 거푸집은 항구적인 구성요소가 아니라 철거해야 하는 요소이므로 거푸집을 조성하고 해체하는 것은 필수적으로 물자와 건축비용의 낭비를 초래한다는 문제점이 있었다.
최근에는 프린팅을 통해 3차원 형상의 제품을 성형하는 3D 프린팅 제조기술이 각광받고 있으며, 상기한 종래의 문제 해결을 위하여 3D 프린팅을 이용하여 건축물을 제조하려는 시도가 이루어지고 있다.
한편, 각종 건축 및 토목 구조물의 구조체로 사용되는 몰탈은 물과 시멘트, 모래 등이 섞여있는 물질로서, 시멘트가 물과 반응하여 굳어지는 수화반응을 이용하는데, 3D 프린팅 기법으로 별도 거푸집 없이 다양한 형상의 건축물을 제조하고자 할 경우 압출헤드에서 압출되는 속도에 비해 콘크리트의 응고 속도가 느려서, 3D 프린터에 의한 3D 형상 제작시간이 응고속도에 큰 영향을 받게 된다.
즉, 3D 프린터의 압출헤드는 빠른 속도로 움직이면서 콘크리트를 압출하게 되나, 압출된 콘크리트의 응고에 상당한 시간이 소요되는 관계로, 완전히 응고되지 않은 층 위로 다시 콘크리트가 압출되는 경우, 고른 적층이 이루어지지 않고 제품의 형상이 뭉개질 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 한층을 적층하고 응고되어 어느 정도의 강도를 가지도록 한 후, 다시 그 위의 3D 프린터로 층을 적층하는 방식으로 작업을 진행하는 경우에는, 작업 시간이 현저하게 증가되어 생산성이 저하되는 문제가 있다.
건축물을 몰탈을 이용하여 3D 프린터로 제조하기 위해서는 일정한 강도를 가진 몰탈의 지속적인 공급이 가능해야 하고, 3D 프린터로 몰탈을 적층하는 경우 몰탈의 변형이 적어야 하며, 적층을 위한 안정화 시간이 짧아야 하고, 제조된 건축물이 기본적인 품질 특성을 만족할만한 강도, 내구성을 만족시켜야 하는 어려움이 있다.
(문헌 1) 등록특허공보 제10-0559150호(2006.03.03. 등록) (문헌 2) 등록특허공보 제10-0966322호(2010.06.18. 등록) (문헌 3) 등록특허공보 제10-1620074호(2016.05.03. 등록) (문헌 4) 등록특허공보 제10-1620075호(2016.05.03. 등록)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 건축용 3D 프린터에 사용이 가능한 몰탈 조성물을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 건축용 3D 프린팅시 강도를 유지함으로써 몰탈의 퍼짐없이 작업이 가능한 건축용 3D 프린터에 사용이 가능한 몰탈 조성물을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 건축용 3D 프린터로 프린팅시 크랙이나 뒤틀림을 방지할 수 있는 건축용 3D 프린터에 사용이 가능한 몰탈 조성물을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 건축용 3D 프린터로 프린팅시 충분한 인장강도가 유지됨으로써 슬럼프 값이 일정한 범위 이상을 가지는 건축용 3D 프린터에 사용이 가능한 몰탈 조성물을 제공함을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물에 있어서, 시멘트 44 ~ 52 중량%, 모래 19.2 ~ 23 중량%, 물 28 ~ 32 중량% 및 혼화제 0.8 ~ 1 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물을 제공한다.
본 발명에서 혼화제는, 유리섬유와, 급결제와 폴리메시 및 감수제로 이루어지고, 상기 혼화제는 전체 혼화제 중량을 기준으로, 유리섬유 4.5 ~ 6.7 중량%, 급결제 53.3 ~ 54.5 중량%, 폴리메쉬 13.3 ~ 13.7 중량% 및 감수제 26.7 ~ 27.3 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 유리섬유는 12㎜로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 혼화제는, PVA 분말과, 급결제와 폴리메쉬 및 감수제로 이루어지고, 상기 혼화제는 전체 혼화제 중량을 기준으로, PVA 분말 4.5 ~ 6.7 중량%, 급결제 53.3 ~ 54.5 중량%, 폴리메쉬 13.3 ~ 13.7 중량% 및 감수제 26.7 ~ 27.3 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 몰탈은, 10회 슬럼프 콘 테스트 평균값이 15 ~ 16 ㎝인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 몰탈은, 건축용 3D 프린터의 노즐로 공급하는 믹서기에서 20℃로 유지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 몰탈이 쉽게 퍼지는 것이 방지될 수 있기 때문에 건축용 3D 프린터에 사용이 가능하다는 장점을 가진다.
또한, 본 발명은 건축용 3D 프린팅시 강도를 유지함으로써 몰탈의 퍼짐없이 작업이 가능하기 때문에 프린팅 속도를 증가시킬 수 있다는 장점을 가진다.
또한, 본 발명은 유리섬유 등이 들어가기 때문에 건축용 3D 프린터로 프린팅시 크랙이나 뒤틀림을 방지할 수 있다는 장점을 가진다.
또한, 본 발명은 슬럼프 값이 일정한 범위 이상을 가지기 때문에 건축용 3D 프린터로 프린팅시 충분한 인장강도가 유지될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 배합물 제조공정도.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물은, 시멘트 44 ~ 52 중량%, 모래 19.2 ~ 23 중량%, 물 28 ~ 32 중량% 및 혼화제 0.8 ~ 1 중량%의 비로 이루어진다. 몰탈은 시멘트와 물 및 모래를 혼합하여 조성되는 조성물을 말한다. 시멘트와 물 및 모래만을 혼합하여 몰탈을 조성하는 경우, 시멘트의 경화시간이 더디기 때문에 몰탈에 혼화제가 들어가지 않는 경우에는 3D 프린터에 사용하기는 곤란하다. 그에 따라 혼화제가 일정비율로 투입된다.
혼화제는, 유리섬유와, 급결제와 폴리메시 및 감수제로 이루어진다. 혼화제는 전체 혼화제 중량을 기준으로, 유리섬유 4.5 ~ 6.7 중량%, 급결제 53.3 ~ 54.5 중량%, 폴리메쉬 13.3 ~ 13.7 중량% 및 감수제 26.7 ~ 27.3 중량%로 이루어진다.
혼화제의 유리섬유는 일정길이로 투입되는데 길이는 12㎜정도로 투입된다. 유리섬유는 몰탈내에서 유리섬유가 서로 엉키는 성질을 이용한 것으로서 유리섬유와 몰탈이 서로 엉키게 되고, 그에 따라 몰탈의 강도를 증가시키는 방법이 될 수 있다. 유리섬유에 의해 몰탈은 건조 후 크랙이나 뒤틀림이 방지되는 효과를 가진다.
혼화제의 급결제는, 몰탈이 빨리 건조될 수 있도록 한다. 급결제는 알루미네이트계 액상급결제, 알칼리프리계 액상급결제 등이 있다. 알루미네이트(Alkali Sodium Aluminate)계 액상급결제는 Na2O와 Al2O3가 약 1.3 ~ 1.6 몰비로 구성된 pH 11±1의 담황색액체이며, 공기와 접촉시 표면에 탄산나트륨을 생성하며 피막을 형성한다. 장기간 노출시에는 탄산나트륨이 지속적으로 석출되어 표면에 흰색 분말이 생성된다. 알칼리프리(Aluminium Phosphate)계 액상급결제는, pH값이 11 ~ 14에 달하는 기존 급결제의 알카리와 골재간의 반응에 의한 콘크리트내부의 팽창으로 인한 강도 저하와 인체에 대한 유해성, 친환경적이지 못한점을 해결하고자 제조된 알카리성 이온 즉, Na2O + K2O의 함량이 1% 미만인 에트링자이트(ettringite)의 생성을 촉진하여 급결력을 발생시키는 연백색 또는 황색의 액상이며, 종류로는 액상형 시멘트광물형이 있다. 액상형의 주요원료는 황산알미늄(Al2(SO4)3)이다. 그리고 시멘트광물형의 주요성분은 산화칼슘(CaO)과 산화알미늄(Al2O3)으로 pH는 높지만 알칼리계는 아니다. 바람직하게 본 발명에 사용되는 급결제는 알칼리프리계 액상급결제가 사용된다. 알칼리프리계 액상급결제를 이용함으로써 종래의 알칼리성을 띄는 기존의 급결제의 문제점인 강도저하가 발생할 수 있기 때문에 알칼리프리계 액상급결제가 사용된다. 급결제는 몰탈의 조기 양생과 방수가 가능하게 한다.
혼화제의 폴리메쉬는, 폴리에스터 또는 플라스틱으로 된 폴리메쉬로서, 폴리메쉬는 섬유로 엮어져 형성되는 것이고, 메쉬 홀을 통해서 몰탈이 통과할 수 있기 때문에 몰탈의 인장강도를 크게 하는 장점을 가진다. 폴리메쉬는 길이방향으로 일정길이를 가지도록 성형되어 몰탈에 투입된다.
혼화제의 감수제는 몰탈의 작업성 향상을 위해 넣는 것으로, 추가로 물을 넣으면 몰탈의 경화 특성에 해가 될 수 있기 때문에 추가적으로 물을 넣지 않기 위해 추가하는 혼화제이다. 감수제는 시멘트 입자의 이동성을 증가시킴으로써 작업성을 확보한다. 콘크리트 슬럼프 테스트를 해보면 감수제를 넣은 굳지 않은 콘크리트는 슬럼프가 증가한다. 감수제의 종류는 감수 범위에 따라 나뉘며, 고범위 감수제는 유동화제 또는 고성능감수제라고 부른다. 감수제의 사용으로 간접적인 강도 향상을 노릴 수 있으며, 배합수의 양을 줄이고 물과 시멘트의 비를 줄임으로써 강도 향상에 도움이 될 수 있다. 또한, 감수제의 사용은 콘크리트나 몰탈의 배합 비용 절감의 주된 원인인 시멘트 사용량 감소에 기여할 수 있다.
또한, 혼화제는, PVA 분말과, 급결제와 폴리메쉬 및 감수제로 이루어지고, 상기 혼화제는 전체 혼화제 중량을 기준으로, PVA 분말 4.5 ~ 6.7 중량%, 급결제 53.3 ~ 54.5 중량%, 폴리메쉬 13.3 ~ 13.7 중량% 및 감수제 26.7 ~ 27.3 중량%의 비로 이루어질 수도 있다.
혼화제는 PVA(POLY VINYL ALCOHOL) 분말을 사용할 수 있다. PVA 분말은 친수성을 가진 것으로서 물과 결합하여 접착제로서의 역할을 수행한다. 그에 따라 몰탈에 혼합되는 경우 몰탈이 경화되면서 함께 접착되기 때문에 크랙이나 뒤틀림방지 등이 가능해진다. 나머지 혼화제의 성분은 앞서 설명하였으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물의 제조과정을 도 1의 공정도를 참조하여 설명하기로 한다.
1. 몰탈 제조과정
물과 시멘트 및 모래 일정량을 준비한다. 믹서에 물과 시멘트 및 모래를 투입한 후 교반장치를 이용하여 일정하게 교반을 하여 몰탈을 형성한다. 몰탈의 생성과 교반은 15 ~ 25℃에서 이루어짐이 바람직하다.
2. 혼화제 투입과정
몰탈이 믹서를 통해서 제조가 되면, 몰탈에 일부 혼화제를 투입한다. 몰탈에 투입되는 혼화제는 유리섬유나 PVA 분말, 폴리메쉬 및 감수제이다. 혼화제는 유리섬유 또는 PVA 분말, 폴리메쉬, 및 감수제를 준비하여 투입한다. 혼화제 중 급결제를 제외한 혼화제를 믹서에 투입하여 함께 교반한다.
3. 건축용 3D 프린터를 이용한 건축물 성형과정
혼화제가 포함된 몰탈은 공급펌프를 통해서 건축용 3D 프린터로 공급된다. 건축용 3D 프린터의 노즐을 통해서 몰탈이 공급되고 노즐에 급결제가 함께 투입된다. 노즐은 노즐을 통해서 몰탈이 공급되도록 노즐의 상부측에 마련되는 믹서를 통해서 공급되며, 믹서는 바람직하게는 20℃ 정도의 온도를 유지하면서 몰탈이 공급된다. 급결제는 믹서로 몰탈과 함께 투입되고, 노즐을 통해서 건축물을 성형하게 된다.
[실시예 1]
본 실시예는 시멘트 120kg, 모래 50kg, 물 60리터와 혼화제 2.2kg을 준비하였다. 먼저 시멘트 모래 및 물을 믹서기에서 믹싱하여 몰탈을 제조하였다. 제조된 몰탈에 급결제를 제외한 나머지 혼화제를 투입하고 믹싱하였다. 믹싱된 몰탈을 3D 프린터의 노즐에 공급하면서 노즐에 급결제도 함께 투입하였다. 3D 프린터의 노즐로 몰탈을 공급하는 믹서의 온도는 20℃를 유지하였다. 그러한 상태로 3D 프린터를 통하여 공급되는 몰탈에 대하여 콘크리트 콘 테스트를 수행하였다.
[실시예 2]
본 실시예는 시멘트 120kg, 모래 60kg, 물 70리터와 혼화제 2.25kg을 준비하였다. 먼저 시멘트 모래 및 물을 믹서기에서 믹싱하여 몰탈을 제조하였다. 제조된 몰탈에 급결제를 제외한 나머지 혼화제를 투입하고 믹싱하였다. 믹싱된 몰탈을 3D 프린터의 노즐에 공급하면서 노즐에 급결제도 함께 투입하였다. 3D 프린터의 노즐로 몰탈을 공급하는 믹서의 온도는 20℃를 유지하였다. 그러한 상태로 3D 프린터를 통하여 공급되는 몰탈에 대하여 콘크리트 콘 테스트를 수행하였다.
[실시예 3]
본 실시예는 시멘트 120kg, 모래 60kg, 물 80리터와 혼화제 2.25kg을 준비하였다. 먼저 시멘트 모래 및 물을 믹서기에서 믹싱하여 몰탈을 제조하였다. 제조된 몰탈에 급결제를 제외한 나머지 혼화제를 투입하고 믹싱하였다. 믹싱된 몰탈을 3D 프린터의 노즐에 공급하면서 노즐에 급결제도 함께 투입하였다. 3D 프린터의 노즐로 몰탈을 공급하는 믹서의 온도는 20℃를 유지하였다. 그러한 상태로 3D 프린터를 통하여 공급되는 몰탈에 대하여 콘크리트 콘 테스트를 수행하였다.
실시예 테스트 횟수 슬럼프 평균값
실시예 1 10회 15.9
실시예 2 10회 15.5
실시예 3 10회 15.2
상기 콘크리트 콘 테스트를 시행한 결과 10회 테스트에서 슬럼프 값은 15 ~ 16으로 나타났다. 슬럼프 값이 높다는 의미는 응집력이 크다는 것을 의미하는 것이고, 몰탈이 서로 이탈되어서 내려앉지 않았다는 것을 의미하므로 건축용 3D 프린터에 충분히 사용가능하다는 것을 의미하고 있다.
본 발명에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 몰탈 조성물은 건축용 3D 프린터에 적용하는 경우 일정시간 건조 후 강도가 강하고, 또 급결제를 통해서 양생속도가 빠르기 때문에 건축용으로 사용되는데 큰 무리가 없음을 알 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S10 ~ S12 : 공정순서번호

Claims (6)

  1. 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물에 있어서,
    시멘트 44 ~ 52 중량%, 모래 19.2 ~ 23 중량%, 물 28 ~ 32 중량% 및 혼화제 0.8 ~ 1 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼화제는,
    유리섬유와, 급결제와 폴리메시 및 감수제로 이루어지고,
    상기 혼화제는 전체 혼화제 중량을 기준으로, 유리섬유 4.5 ~ 6.7 중량%, 급결제 53.3 ~ 54.5 중량%, 폴리메쉬 13.3 ~ 13.7 중량% 및 감수제 26.7 ~ 27.3 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유리섬유는 12㎜로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼화제는,
    PVA 분말과, 급결제와 폴리메쉬 및 감수제로 이루어지고,
    상기 혼화제는 전체 혼화제 중량을 기준으로, PVA 분말 4.5 ~ 6.7 중량%, 급결제 53.3 ~ 54.5 중량%, 폴리메쉬 13.3 ~ 13.7 중량% 및 감수제 26.7 ~ 27.3 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몰탈은 10회 슬럼프 콘 테스트 평균값이 15 ~ 16 ㎝인 것을 특징으로 하는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몰탈은, 건축용 3D 프린터의 노즐로 공급하는 믹서기에서 20℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 건축용 3D 프린터를 위한 몰탈 조성물.
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