콘크리트 3D프린팅 적층 한계는 강도와 좌굴을 어떻게 함께 계산할까
안녕하세요. 3D프린팅·CNC·다양한 소재 전문 플랫폼 기업 아이컨택입니다.
콘크리트 3D프린팅의 적층 한계는 새 층의 무게가 늘어나는 동안 먼저 놓인 재료가 얼마나 강해지는지, 구조물은 언제 휘어 안정성을 잃는지를 함께 계산해야 예측할 수 있다.
AI 개념 이미지: 콘크리트 3D프린팅 벽과 원통에 층이 쌓이면서 생기는 하중과 휘어짐을 보여준다. 실제 장비나 구조물을 촬영한 사진은 아니다.
무게와 강도가 동시에 달라진다
압출식 콘크리트 3D프린팅은 재료를 한 층씩 놓아 구조물을 만든다. 거푸집이 옆을 지지하지 않으므로 아래층은 출력이 시작될 때부터 자기 위에 쌓이는 무게를 받는다.
먼저 놓인 콘크리트는 그대로 머물지 않는다. 적층 뒤 수분에서 수시간 동안 입자 구조가 다시 형성되고 시멘트 수화가 시작되면서, 힘을 받을 때 형태를 유지하는 강성과 재료의 강도가 높아진다.
두 변화의 속도가 맞물려 첫 파괴가 일어나는 층이 적층 가능 층수의 한계가 된다. 바닥의 재료가 힘을 견디지 못하는 소성 붕괴와, 구조물이 옆으로 휘며 안정성을 잃는 좌굴이 서로 다른 경로다.
굳기 전 콘크리트의 강도를 어떻게 표현했나
굳기 전 콘크리트는 주변에서 누르는 압력이 커지면 전단강도가 높아진다. 처음 영구 변형이 시작될 때 저항력이 완성되는 것도 아니다. 변형이 쌓이는 동안 재료가 점차 더 큰 힘을 버틴다.
논문이 비교한 기존 모델 가운데는 압력의 효과를 담으면서도, 처음 항복한 뒤의 강도 증가를 생략한 방식이 있다. 최대 강도를 첫 항복부터 적용하면 쌓을 수 있는 층수를 크게 예측할 수 있다.
arXiv.org에 공개된 연구진의 모델은 압력에 따른 저항력과 변형이 진행되며 커지는 응집력을 함께 반영했다. 응집력은 재료가 서로 붙어 버티는 성질이며, 그 변화 정도를 정하는 추가 값은 일축 압축시험 자료로 맞췄다.
어느 순간을 붕괴로 판단했나
한 지점에서 재료가 처음 항복했다고 구조물 전체가 곧바로 무너지는 것은 아니다. 연구진은 구조물이 작은 변형을 받아도 형태를 유지할 수 있는지 살펴, 최초로 안정성을 잃는 시점을 찾았다.
arXiv.org에 공개된 이 모델은 직선 벽의 실측 붕괴 층수를 한 층 이내로 재현했고, 속이 빈 원통도 논문이 비교한 기존 해석보다 실험에 가까웠다. 이 비교의 범위는 시험한 재료와 형상이며, 배합과 시험 형상, 지지 조건에 따라 측정 결과는 달라진다.
연구진이 지름 여섯 가지와 재료가 강해지는 속도 여섯 가지를 바꾼 모델 해석에서는 중간 지름의 적층 가능 층수가 가장 높았고, 강해지는 속도가 빠를수록 층수가 늘었다. 가느다란 원통은 재료 강도를 상당히 남긴 채 파괴돼, 높이의 한계가 강도 수치 하나로 결정되지 않음을 보여준다.
아이컨택은 이 결과를 읽을 때 실제 압출 가닥의 단면도 함께 확인할 만하다고 본다. 둥근 가닥을 직사각형으로 단순화하면 층 사이 접촉 면적과 구조물의 굽힘 강성을 실제보다 크게 계산하기 때문이다.
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