KR20240085640A - 3D printer for manufacturing concrete products - Google Patents
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Abstract
본 발명은 콘크리트 제품을 제조하기 위한 3차원 프린터에 관한 것으로, 분사 노즐이 구비되어 1차적으로 일반 콘크리트를 적층하고, 2차적으로 초고성능 콘크리트를 분사하여 표면을 가공하는 콘크리트 제품을 제조한다.The present invention relates to a 3D printer for manufacturing concrete products, and is equipped with a spray nozzle to manufacture concrete products that first stack ordinary concrete and secondly spray ultra-high performance concrete to process the surface.
Description
본 발명은 콘크리트 제품을 제조하기 위한 3차원 프린터에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional printer for manufacturing concrete products.
국내외 건설시장에서는 복잡하고 다양한 형상의 비정형 건축물이 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 비정형 건축물은 기존의 건설방식으로 시공 시 낮은 생산성과 정밀도로 인해 막대한 비용과 시간의 손실이 야기되고 있다. 이와 같은 기술적 한계를 극복하기 위해 건축에 특화된 3차원 프린터의 개발이 필요한 실정이다.In the domestic and international construction markets, irregular buildings with complex and diverse shapes are continuously increasing. These irregular buildings are being constructed using existing construction methods, resulting in enormous cost and time loss due to low productivity and precision. In order to overcome these technical limitations, the development of a 3D printer specialized for architecture is necessary.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3차원 프린터를 이용하여 콘크리트를 분사함으로써 정교한 물체를 제작 및 제조하는 것에 그 목적이 있다.The present invention is intended to solve the problems of the prior art as described above, and its purpose is to manufacture and manufacture elaborate objects by spraying concrete using a 3D printer.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 콘크리트 제품을 제조하기 위한 3차원 프린터는 분사 노즐이 구비되어 1차적으로 일반 콘크리트를 적층하고, 2차적으로 초고성능 콘크리트를 분사하여 표면을 가공할 수 있다.In order to achieve the above object, the 3D printer for manufacturing concrete products according to the present invention is equipped with a spray nozzle, so that it can first stack ordinary concrete and secondarily spray ultra-high-performance concrete to process the surface.
본 발명에 따른 콘크리트용 3차원 프린터는 다음과 같은 효과가 있다.The 3D printer for concrete according to the present invention has the following effects.
첫째, 콘크리트의 구조적 강도와 내구성이 탁월하다.First, the structural strength and durability of concrete are excellent.
둘째, 대형 사이즈의 제품도 제작이 가능하다.Second, large-sized products can also be manufactured.
셋째, 다양하고 고품질의 표면 후가공이 가능하다.Third, various and high-quality surface post-processing is possible.
넷째, 5축으로 구비된 콘크리트 3차원 프린터이기 때문에 기존 3축으로 구비된 콘크리트 3차원 프린터보다 정교한 형상을 제작할 수 있다.Fourth, because it is a 5-axis concrete 3D printer, it can produce more elaborate shapes than existing 3-axis concrete 3D printers.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트용 3차원 프린터의 사시도이다.Figure 1 is a perspective view of a 3D printer for concrete according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, some components that are unrelated to the gist of the invention will be omitted or compressed, but the omitted components are not necessarily components that are unnecessary in the present invention, and may be used in combination by those skilled in the art to which the present invention pertains. You can.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 제품을 제조하기 위한 3차원 프린터의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 제품을 제조하기 위한 3차원 프린터로 콘크리트 제품을 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.Figure 1 is a perspective view of a 3D printer for manufacturing concrete products according to an embodiment of the present invention, and Figure 2 is a process of manufacturing concrete products with a 3D printer for manufacturing concrete products according to an embodiment of the present invention. This is the drawing shown.
먼저 3D 프린팅 기술은 설계 데이터에 따라 액체·파우더 형태의 폴리머(수지), 금속 등의 재료를 가공 및 적층 방식으로 쌓아올려 3D 형상의 조형물을 제조하는 장비를 통해 레이저와 파우더 재료를 활용하여 신속 조형하는 기술이며, 기술적 의미는 Rapid Prototyping(RP)에서 유래되었다. 기계가공 및 레이저를 이용하여 자르거나 깎는 방식으로 조형물을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing)과 반대되는 개념으로 공식적인 기술용어는 적층 가공(Additive Manufacturing)이다. 3D 프린팅 기술은 적층 방식과 재료에 따라 구분할 수 있다.First, 3D printing technology is a device that manufactures 3D-shaped sculptures by processing and stacking materials such as liquid/powder polymers (resins) and metals according to design data, and uses laser and powder materials to produce rapid prototyping. It is a technology that does this, and its technical meaning comes from Rapid Prototyping (RP). The official technical term is additive manufacturing, which is the opposite of subtractive manufacturing, which produces sculptures by cutting or shearing them using machining and lasers. 3D printing technology can be divided according to lamination method and material.
적층 방식은 압출, 잉크젯 방식의 분사, 광경화, 파우더 소결, 인발, 시트 접합 등으로 구분하며, 활용 가능한 재료로는 폴리머(수지), 금속, 종이, 목재, 식재료 등으로 분류된다.Lamination methods are divided into extrusion, inkjet spraying, photocuring, powder sintering, drawing, and sheet bonding. Materials that can be used are classified into polymers (resins), metals, paper, wood, and food materials.
비정형 건축물 생산에 직면한 기술적 한계에 대응할 수 있는 새로운 생산체계의 마련으로 건축특화 3D 프린팅 생산플랫폼 개발이 필요하다. 복잡하고 다양한 공급사슬 구조인 건설산업에서 건축설계 및 구조, 기계/설비, 실내 마감 등의 연계체계를 구축하여 건축물의 생산프로세스를 통합하고 효율화시키기 위해 3D 프린팅 기술의 이용이 필요하다. 3D 프린팅을 이용하여 건설산업 공급사슬 구조 통합 및 효율화뿐만 아니라, 시장 니즈를 충족시킬 수 있는 다품종 대량생산 체제에 대응하기 위해 3D 프린팅 기술의 활용이 필요하다.It is necessary to develop an architecture-specific 3D printing production platform by establishing a new production system that can respond to the technical limitations facing the production of irregular buildings. In the construction industry, which has a complex and diverse supply chain structure, the use of 3D printing technology is necessary to integrate and streamline the production process of buildings by establishing a linkage system such as architectural design and structure, machinery/equipment, and interior finishing. It is necessary to use 3D printing technology to not only integrate and improve the efficiency of the construction industry supply chain structure, but also to respond to a multi-product mass production system that can meet market needs.
본 발명의 기술적 범위는 3D 프린팅 분야 요소기술인 3D 스케닝, 3D 디자인 SW, 미세노즐, 미세분사기술, 에너지원(열, 레이저, 전자빔 등) 출력 및 조절기술, 정밀 위치제어, 고속제어 기술, 적정융점 및 경화 제어기술 등을 기반으로 건축물 설계, 시공, 유지관리 기술 및 건축물 생산 특화 장비 및 공정프로세스 기술, 3D 프린팅 소재(세라믹, 메탈, 폴리머, 목재 등)개발 기술 등도 포함될 수 있다.The technical scope of the present invention includes 3D scanning, 3D design SW, fine nozzle, fine spray technology, energy source (heat, laser, electron beam, etc.) output and control technology, precise position control, high-speed control technology, and appropriate melting point, which are element technologies in the 3D printing field. Based on and hardening control technology, building design, construction, and maintenance technology, building production specialized equipment and process technology, and 3D printing material (ceramic, metal, polymer, wood, etc.) development technology may also be included.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트용 3차원 프린터는 분사 노즐이 1차적으로 일반 콘크리트를 분사하고, 이후 2차로 초고성능 콘크리트를 분사하여 콘크리트 제품을 제조할 수 있다.As shown in Figures 1 and 2, the 3D printer for concrete according to an embodiment of the present invention has a spray nozzle that first sprays normal concrete and then secondarily sprays ultra-high-performance concrete to manufacture concrete products. You can.
즉, 3D 프린팅 디바이스 기계요소 중 머니퓰레이터의 말단장치 디자인과 개발을 통해 수직, 수평 상의 적층 레이어 생성 후 표면 균일을 위한 초고성능 콘크리트 분사하는 것이다. 기본 노즐이 가지고 있는 형상을 만들기 위한 x, y, z값의 설정을 바탕으로, 추가 노즐의 값과 분사 시작 시간을 상대적으로 설정할 수 있도록 하여 1차적으로 적층이 완료한 후 2차적으로는 불균일하게 남겨진 적층 레이어 표면으로부터 일정 거리 이상의 간격을 두어 초고성능 콘크리트를 분사할 수 있다.In other words, through the design and development of the end device of the manipulator among the 3D printing device mechanical elements, vertical and horizontal laminated layers are created and ultra-high performance concrete is sprayed for surface uniformity. Based on the settings of the x, y, and z values to create the shape of the basic nozzle, the value of the additional nozzle and the spray start time can be set relatively, so that after lamination is completed first, it is uneven secondarily. Ultra-high-performance concrete can be sprayed at a certain distance or more from the remaining laminated layer surface.
정리하면, 일반 콘크리트를 활용하여 적층형 3D 프린팅 방식으로만 제품을 축조하던 기존의 방식에 유동성이 뛰어난 초고성능 콘크리트를 활용하여 분무식으로 분사하는 기술을 더함으로써 150Mpa이상의 표면 강도를 확보하고, 다양한 형상의 제조까지 가능하게 한다.In summary, by adding spraying technology using ultra-high performance concrete with excellent fluidity to the existing method of building products only through layered 3D printing using general concrete, a surface strength of over 150Mpa was secured and various shapes were achieved. It even makes manufacturing possible.
또한, 삼차원 스캐닝을 활용하여 표면품질 확보 가능하다. 삼차원 스캐닝 기술을 활용하여 적층형 축조로 생성되는 제품표면의 골진 형상과 깊이를 분석하고 유동성이 뛰어난 초고성능 콘크리트를 분무함으로써 매끄러운 표면품질 및 강도를 확보할 수 있다.Additionally, surface quality can be secured using three-dimensional scanning. By using three-dimensional scanning technology to analyze the corrugated shape and depth of the product surface created through layered construction, and by spraying ultra-high-performance concrete with excellent fluidity, smooth surface quality and strength can be secured.
또, 후가공 및 거푸집 제작에 소요되던 비용과 시간의 절감이 가능하다. 적층식, 분사식 노즐은 제품의 축조 이후 매끄러운 표면까지 한번에 구현하는 방식으로 후가공이 필요 없어 작업공정 및 비용, 시간을 줄일 수 있다. 다양한 형상의 완제품 제작이 가능하여 추가적인 거푸집 제작이 필요 없고, 이에 기존 거푸집 제작에 소요되던 막대한 시간 및 비용의 절약이 가능함. 또한 거푸집 사용 후 발생하는 건설 폐기물이 발생하지 않는다.In addition, it is possible to reduce the cost and time required for post-processing and mold production. Stacked and spray-type nozzles are a method of realizing a smooth surface at once after building the product, eliminating the need for post-processing, reducing work processes, costs, and time. As finished products of various shapes can be produced, there is no need to manufacture additional molds, which saves a huge amount of time and money that was required to produce existing molds. Additionally, no construction waste is generated after using the formwork.
비정형의 건축물을 시공하기 위해서는 정밀하고, 형태에 맞는 각각의 내, 외부 마감용 거푸집과 기타 부재들이 필요하다. 한번 쓰고 버려지는 거푸집의 설계와 생산에 소요되는 시간과 비용 그리고 시공 후 발생하는 폐기물은 모든 측면에서 비효율적이다. 이를 건축용 3D 프린터를 사용할 경우 3D 모델링 데이터를 바로 정교한 완제품으로 생산 가능하다.In order to construct an irregular building, precise, form-fitting formwork for interior and exterior finishing and other members are required. The time and cost required to design and produce formwork that is used once and discarded, as well as the waste generated after construction, are inefficient in all aspects. When using an architectural 3D printer, 3D modeling data can be immediately produced into elaborate finished products.
일반적인 적층형 기술만을 사용해 단일 재료(일반 콘크리트)를 축적하여 외관상 적층된 표면이 울퉁불퉁하고 균일하지 못해 제품의 미관적 품질이 매우 떨어진다. 품질 향상을 위하여 후가공 처리는 필수적이며, 이에 소요되는 시간과 비용은 일반적인 거푸집 사용을 통한 콘크리트 제품 제작 대비 큰 차이를 만들어내기 어렵다. 이런 단점을 극복하기 위해 적층 이후 2차적으로 콘크리트를 분사하여 표면의 후가공까지 자동화한다.By accumulating a single material (ordinary concrete) using only general lamination technology, the laminated surface is uneven and uneven in appearance, resulting in a very poor aesthetic quality of the product. Post-processing is essential to improve quality, and the time and cost required for this is difficult to make a significant difference compared to manufacturing concrete products using general formwork. To overcome these shortcomings, concrete is sprayed secondarily after lamination and even post-processing of the surface is automated.
유동성이 뛰어난 초고성능 콘크리트를 분사함으로써 매끄러운 표면과 함께 150~180Mpa의 표면강도까지 확보 가능하다. 뛰어난 내구성을 바탕으로 비정형 건축물뿐만 아니라 방호, 방폭, 특수교량 등 다양한 건축, 토목 마감제품의 생산에 기여할 수 있다.By spraying ultra-high-performance concrete with excellent fluidity, it is possible to secure a smooth surface and a surface strength of 150 to 180 MPa. Based on its outstanding durability, it can contribute to the production of a variety of architectural and civil engineering finishing products such as protection, explosion-proof, and special bridges as well as atypical buildings.
프린트 된 적층표면의 울퉁불퉁한 정도를 스캐닝 한 후 이를 2차적으로 콘크리트를 분사하는 방식은 기존 건축 3D 프린터 시장에서 문제가 되고 있는 출력물의 품질 개선과 시장성 향상에 큰 도움이 될 수 있으며, 개발 기술에 대한 특허 소유를 통해 기존 건축 3D 프린터 시장에서의 경쟁력을 확보할 수 있다.The method of scanning the unevenness of the printed laminated surface and then secondarily spraying it with concrete can be of great help in improving the quality and marketability of output, which is a problem in the existing architectural 3D printer market, and can be of great help in improving the development technology. Through owning patents, we can secure competitiveness in the existing architectural 3D printer market.
건축 3D 프린터 시장에서 현재 해당 제품에 대한 상용화와 시장성이 급증할 수 없는 가장 큰 이유로 기존 시공 방식과 대비해 큰 효율을 내지 못하는 단점이 있으며, 특히 출력물의 품질로 보았을 때 적층된 레이어가 불균일하게 남아있어 미관상 효과가 매우 떨어진다. 이에 대해 인력을 활용한 후가공 처리가 가능하나 이는 기존 건축 분야에서 3D 프린팅을 사용하고자 하는 기본 목적인 자동화 시스템에 부합하지 못하며 오히려 시공 과정을 단축시키지 못하는 한계가 있다.The biggest reason why the commercialization and marketability of the product cannot rapidly increase in the architectural 3D printer market is that it has the disadvantage of not being highly efficient compared to existing construction methods. In particular, considering the quality of the output, the laminated layers remain uneven. The aesthetic effect is very poor. Regarding this, post-processing using human resources is possible, but this does not meet the basic purpose of using 3D printing in the existing construction field, an automated system, and has limitations in that it does not shorten the construction process.
본 발명에서는 일반 콘크리트 대비 월등한 성능을 지닌 초고성능 콘크리트(UHPC)를 사용하여 건축물의 심미성뿐만 아니라 내구성까지 강화하고자 한다. 현존하는 건축 3D 프린터의 기술은 재료적 한계가 명확하여 다양한 형상의 제작, 심미성 및 내구성 확보에 취약하다. 초고성능 콘크리트(UHPC) 제조 기술과 분무식 3D 프린팅 방법을 활용하여 제품의 심미성과 150~180Mpa이상의 내구성을 동시에 확보할 수 있다.The present invention seeks to enhance not only the aesthetics but also the durability of buildings by using ultra-high performance concrete (UHPC), which has superior performance compared to regular concrete. Existing architectural 3D printer technology has clear material limitations, making it vulnerable to producing various shapes and securing aesthetics and durability. By using ultra-high performance concrete (UHPC) manufacturing technology and spray 3D printing method, the aesthetics of the product and durability of 150 to 180 MPa or more can be secured at the same time.
라이다 센서는 레이저를 목표물에 비춤으로써 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도. 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 기술이다. 라이다 센서는 일반적으로 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 활용된다. 최근에는 원거리 거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 기술 상용화부터, 3D reverse engineering 및 미래 무인자동차를 위한 laser scanner 및 3D 영상 카메라의 핵심 기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 점차 증가된다. 라이다 센서 시스템을 사용할 경우, 3D 입체 추출물의 적층 레이어 표면을 데이터화 시킬 수 있도록 하는 것이 가장 큰 목적이며 3D 프린터 자체에 탑재시키거나 3D 프린팅 과정상의 시뮬레이팅 프로그램과 연동하여 사용할 가능성이 있다.Lidar sensors measure the distance, direction, speed, and temperature of an object by shining a laser on the target. It is a technology that can detect material distribution and concentration characteristics. LiDAR sensors are generally used for more precise observation of physical properties in the atmosphere and distance measurement by taking advantage of the advantages of lasers that can generate pulse signals with high energy density and short periods. Recently, its utility and importance are gradually increasing, starting with the commercialization of simple technologies for measuring long-distance distances and cracking down on vehicle speed violations, and being used as core technologies for laser scanners and 3D video cameras for 3D reverse engineering and future driverless cars. When using a LiDAR sensor system, the main purpose is to be able to dataize the surface of the laminated layer of a 3D three-dimensional extract, and it can be mounted on the 3D printer itself or used in conjunction with a simulation program in the 3D printing process.
3D 프린팅 디바이스 기계요소 중 머니퓰레이터의 말단장치 디자인과 개발을 통해 수직, 수평 상의 적층 레이어 생성 후 표면 균일을 위한 초고성능 콘크리트 분사 노즐을 개발한다. 기본 노즐이 가지고 있는 형상을 만들기 위한 x, y, z값의 설정을 바탕으로, 추가 노즐의 값과 분사 시작 시간을 상대적으로 설정할 수 있도록 하여 1차적으로 적층이 완료한 후 2차적으로는 불균일하게 남겨진 적층 레이어 표면으로부터 일정 거리 이상의 간격을 두어 초고성능 콘크리트를 분사할 수 있도록 한다. 분사 재료로 선정한 UHPC는 일반 콘크리트 재료에 비해 묽고, 유동적이어서 분사 노즐로 충분히 분사가 가능하다. 다만, 압력 분사 방식의 노즐로써, 초고성능 콘크리트의 입자 굵기, 중량 등의 재료적 특성을 기반으로 디자인된다. 해당 기술의 개발을 위한 기계 장치 요소로는 크게 ①출력 표면 스캐닝, ②분사 노즐, ③노즐로의 UHPC 분사가 가능하기 위한 압력 분사 장치, 세 가지가 있으며 개발을 위한 실험적 단계로는 ①현재 개발되어 있는 건축용 3D 프린터에서 2가지 이상의 건축 재료를 각각 투입할 수 있는가, ②가능하다면 UHPC가 일정 내구도를 유지하되 분사가 가능할 정도의 유동성으로 노즐을 통해 분사될 수 있는가, 이 두 가지의 단계의 실험이 요구된다.Through the design and development of the end device of the manipulator among the 3D printing device mechanical elements, we develop an ultra-high-performance concrete spray nozzle for surface uniformity after creating vertical and horizontal laminated layers. Based on the settings of the x, y, and z values to create the shape of the basic nozzle, the value of the additional nozzle and the spray start time can be set relatively, so that after lamination is completed first, it is uneven secondarily. Ultra-high-performance concrete can be sprayed at a certain distance or more from the remaining laminated layer surface. UHPC, selected as the injection material, is thinner and more fluid than general concrete materials, so it can be sufficiently sprayed with a spray nozzle. However, as a pressure spray nozzle, it is designed based on the material characteristics of ultra-high performance concrete, such as particle thickness and weight. There are three major mechanical device elements for the development of this technology: ① output surface scanning, ② injection nozzle, and ③ pressure injection device to enable UHPC injection into the nozzle. The experimental stage for development is ① currently developed. ② Is it possible to input two or more building materials in an existing architectural 3D printer? ② If possible, can UHPC be sprayed through a nozzle with sufficient fluidity to allow spraying while maintaining a certain durability? It is required.
초고성능 콘크리트의 재료적 특성 중 W/B 비율이 0.2 정도로 상당히 작은 편에 속하고, 미세한 결합재를 다량으로 사용하며 굵은 골재 일체 사용하지 않는 것에 기반하여 분사 장치의 시간당 분사량, 밀도, 균일도 등에 대한 실험적 과정이 필요하다.Among the material properties of ultra-high-performance concrete, the W/B ratio is quite small at about 0.2, and based on the fact that a large amount of fine binder is used and no coarse aggregate is used, experimental tests were conducted on the spraying volume per hour, density, and uniformity of the spraying device. A process is needed.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The preferred embodiments of the present invention described above have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications and changes will be possible. and additions should be regarded as falling within the scope of the patent claims of the present invention.
Claims (1)
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| KR1020220170723A KR20240085640A (en) | 2022-12-08 | 2022-12-08 | 3D printer for manufacturing concrete products |
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-
2022
- 2022-12-08 KR KR1020220170723A patent/KR20240085640A/en unknown
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