2018. 8. 29 : 현실로다가온 3D 프린팅주택 3D 프린팅기술과 3D 프린팅주택 3D 프린팅주택시공사례점검 3D 프린팅주택의현실화가능성
3D 프린팅기술은 4차산업의핵심기술중하나로건축산업에서도영향이예상 콘크리트개발이후건설기술발달에도불구하고건설산업은여전히노동력과콘크리트를중심으로성장해온산업 하지만, 3D프린팅기술의발달로지난 100년간이어져온주택시공패러다임의변화가예상 3D 프린팅주택은기존주택시공방식대비비용, 시간, 인력등모든면에서절감이가능 3D 프린팅주택은기존시공방식대비건축비용은물론시공시간과비용에서도최대 80% 수준까지절감이가능 건설현장에서 3D프린터를통해한번에주택골조를출력하는일체형시공방식이상용화단계에근접하였고, 현재미국, 중국, 유럽등다양한국가의스타트업을중심으로실제거주용주택도등장 한편, 모듈러방식을활용한 6층규모의 3D프린팅아파트도중국 Winsun 社에서성공적으로시공 추가적인안전성검증은필요하나, 3D 주택은향후 2~3년내상용화단계로진입이기대 빈민층의주거문제해결을위한소형주택이나, 주변인프라와연결이어려운산간지역등을중심으로 3D프린팅주택의보급이확대될전망이나, 지진, 화재등에안전성에대한추가적검증이필요 3D 프린팅기술과 3D 프린팅주택 3D프린팅은 4차산업혁명을주도하는핵심기술중하나로지속발전중 3D 프린팅은 3차원으로설계된데이터를기반으로다양한사물의소재가되는원재료를적층가공방식으로쌓아올려입체화된사물로출력하는기술 전통적인제품생산방식인재료를자르고용접하여붙이면서만드는절삭가공방식이아닌재료를한층씩쌓아올려제작하는적층가공방식으로절삭가공의최대단점으로꼽히는원재료낭비를상당부분감소가능 3D프린터개발이후최근까지주로시간과비용의절약을위한프로토타입 (Proto-Type) 을만드는형태로이용되어왔으나, 다양한소재를활용한프린팅기술의발달로출력가능한제품영역은지속확장중에있고, 제품의품질또한상용화수준까지도달 3D프린팅내주입이가능한소재종류가플라스틱위주에서섬유, 레진, 콘크리트, 금속등점차다양해지면서의류, 주택, 자동차등사람이생활하기위해필요한필수품부터다양한기호품까지대부분의제품을 3D프린터를통해제작가능 특히그동안샘플이나프로토타입의시제품을만드는수준에서상용화가능한수준까지 3D 프린팅기술이발달하면서실생활에직접이용이가능한제품이증가 1
[ 그림 1] 4 차산업혁명핵심기술 [ 표 1] 주요산업영역별 3D 프린터활용사례 산업자동차의료패션항공 / 우주건축엔터테인먼트 사례대시보드, 프레임등인공치아, 뼈, 관절, 장기의류, 신발, 가방등날개, 동체등주택, 벽체, 배관등장난감, 캐릭터등 음식간편식, 환자식등, 자료 : 특허청 자료 : 정보통신산업진흥원 콘크리트개발이후사람의거주공간인주택은주로노동력과콘크리트의조합으로시공 건설업은자동차, 전자제품등은생산과정에서상당부분자동화로대체된타제조업대비건설기술과장비의발달에도불구하고여전히노동력에절대적으로의존하는산업 건설기술의발달에도불구하고철근콘크리트시공기술보급이후최근까지건설현장에서적용되는시공방식은과거와거의동일하게시공되면서인력중심의산업구조가지속 - 건설현장은철근을기초로거푸집을세우고, 콘크리트타설을통해구조물의기초골조를완성시키는방식으로지난 100여년간활용 수작업이필수적인거푸집시공을비롯해표준화되지않은다양한배관및마감재설치등을위해건설현장은여전히인력중심의현장으로운영 [ 그림 2] 주택시공절차 [ 그림 3] 거푸집시공현장및인력 자료 : KB 경영연구소 자료 : 대한건축학회 2
3D프린팅주택은기존주택건축시공의패러다임을바꿀새로운개념의주택 3D 프린팅기술발전으로지난 100여년간이어져온주택시공패러다임에도변화가예상 - 철근배근 상하수도및전기배관인입 거푸집설치 콘크리트타설및양생 거푸집제거의과정을반복하는일반적인주택골조건축과정을 3D 프린팅을통한단일공정으로압축 - 터파기등바닥기초작업을제외한창호및마감재설치등도 3D프린팅의출력을통해작업이가능함에따라건축시공과정에서노동력투입도최소화가능 [ 그림 4] 기존주택시공 VS 3D 프린팅주택시공단계 자료 : Apis cor 3D프린팅주택이상용화될경우기존건축과정에서소요되는건축비용, 시간, 재료, 노동력등건축관련재화및노동력의절감이가능 3D프린팅방식으로주택시공시건축비용은기존대비 50~80%, 건축자재는 30~60%, 시공기간과노동력은 70~80% 내외수준까지감소할것으로기대 ( 출처 : 중국윈선社 ) 특히적층가공특성상건축폐기물발생이거의없어시멘트생산과정에서발생하는탄소배출감소와건축과정에서발생되는건축폐기물도감소도기대 - 시멘트산업은세계온실가스배출량의 6% 를차지하는대표적공해산업으로향후탄소배출문제해결을위해생산량조절이필수적으로요구 우리나라산업별온실가스배출기준에서시멘트생산은온실가스배출원중 7위 ('15년기준 ) 일부 3D 프린팅주택제작업체는 3D프린팅주택소재로건축폐기물, 광물찌꺼기를재활용해시공에성공하면서 3D 프린팅주택의친환경적측면도부각 3
[ 그림 5] 적층가공방식으로건축중인 3D 주택 [ 그림 6] 3D 프린팅주택시공에따른비용 / 기간 120 110 100 11.5 만유로 (-31%) 기존방식 98 일 3D 프린팅 90 80 70 60 50 40 7.6 만유로 건축비 ( 인건비제외 ) 시공기간 (-37%) 62 일 자료 : Youtube 주 : 통상적인 4Bed Room(216 m2 ) 시공기준 자료 : 3D Building print Association 3D 프린팅주택시공사례점검 1) 미국스타트업들의 3D프린팅주택시공 3D 프린팅기술에있어가장앞서있는미국은스타트업을중심으로개발이활발 미국샌프란시스코소재스타트업 ICON 은비영리 NGO단체 뉴스토리 와함께개발도상국내빈민층들의거주공간제공을위해 3D프린팅주택프로젝트를시도하면서프로토타입을미국텍사스주오스틴에서공개 [ 그림 7] ICON 社 3D프린팅주택 [ 그림 8] 콘크리트적층방식의외벽 자료 : ICON 자료 : ICON 4
- 약 22.5평규모의단층주택으로건축소요시간 24시간이내, 건축비용은내부인테리어를제외한약 4,000달러수준으로기존주택건축단가대비월등히저렴하게공급 - 일반적인콘크리트적층방식을활용해골조를완성하고, 창문, 전기등은노동력을투입해프로토타입을완성 - ICON 社는프로토타입에직접입주하여문제점등을찾고최종수정을거쳐 2019년거주환경이열악한엘살바도르의빈민층주택부족문제해결을위해프로토타입과유사한주택총 100채를공급할예정 샌프란시스코소재스타트업아피스코어 (Apis Cor) 는혹한기에거푸집형태로는구현이어려운곡면형태의 3D 프린팅주택을러시아모스크바외곽지역현장에서시공에성공 - 콘크리트특성상공사과정에서추출이후경화과정이요구됨에따라통상온도차가심한혹한기또는혹서기의경우콘크리트의안정적인경화에어려움 - 샌프란시스코소재스타트업아피스코어는이러한콘크리트특성에도불구하고러시아모스크바외곽지역에서영하의날씨속에서 3D프린팅주택시공에성공 - 주택골조시공에는 24시간가량소요되었고, 현관문, 창문, 전기, 가스등내장재를갖춘주택시공에약 1주일소요되었고, 시공비용은외벽도색포함 10,134 달러 ( 약 1,200 만원 ) 소요 [ 그림 9] 적층가공방식으로건축중인 3D 주택 [ 그림 10] 완성된 3D 프린팅주택 자료 : Apis Cor 자료 : Apis Cor 특히아피스코어는건설현장에서빠른시공을위해 3D 프린터를이동이용이하도록무게 2 톤, 전장 4~8.5m, 높이 1.5~3.1m 수준의크레인타입 3D 프린터를제작하여건설현장에 서직접시연함으로 3D 주택의상용화단계로진입 5
[ 그림 11] Apis Cor 社의이동식 3D 콘크리트프린터 자료 : Apis Cor 2) 중국의최대 3D 프린팅주택스타트업 WINSUN 社 2002년설립이후중국최대 3D프린팅주택건설업체로성장한 Winsun 社는가장다양한 3D 프린팅주택시공사례를확보한업체 윈선社는 3D프린팅주택관련특허 100여개를출원하였고, 최단기간시공기록및최고층시공기록을보유 2014년 4대의대형 3D프린터를이용해하루만에 1~2층주택 10채시공에성공후, 2015 년에는세계최초로 6개층 (B1/5F) 규모의아파트형 3D프린팅주택시공에도성공하면서현존하는 3D 프린팅주택제작업체중가장다양한시공사례를보유 특히건축폐기물을 3D 프린팅소재로활용하는특허도보유하면서환경친화적인 3D프린팅주택개발에도지속적으로노력 - 윈선社는중국전역에서발생되는건설폐기물을해당지역에서바로 3D 프린팅주택시공용자재로활용하기위한공장을 100개를목표로건립중 윈선社는건설현장으로프린터를이동후현장에서주택전체를일체형으로시공하는방식과함께공장에서섹터별로재료를출력후현장에서조립하는모듈러시공사례를모두확보 6
2015년공개한 6개층아파트의경우공장에서제작된벽체와바닥지붕등을현장으로이동후접착제등을이용해제작하는모듈러시공방식으로 5일만에완성 고층제작에따른구조안정성문제를극복하기위해콘크리트로로구성된벽체단면을지그재그패턴으로제작하고해당빈공간에철골및단열재를보강하여수직 / 수평안정성및단열효과를강화 - 일반적으로일체형시공방식이누수, 균열등에서유리하지만, 3D 프린터사이즈한계로일체형의경우주로 1~2층규모의단독주택위주로시공 [ 그림 12] 6 개층 3D 프린팅아파트 [ 그림 13] 모둘러시공방식의 3D 프린팅주택 자료 : Winsun 社 자료 : Winsun 社 한편윈선은아랍에미레이트두바이정부와협약을통해 2016년세계최초3D 프린팅오피스인 Office of the Furture 를모듈러방식으로시공후실제업무용도로사용하는등주택이외상업용건축물영역으로도출력범위를확장 [ 그림 14] 3D프린팅오피스 ( 오피스오브더퓨처 ) [ 그림 15] 오피스오브더퓨처실내 자료 : 두바이정부 자료 : 두바이정부 7
3) 프랑스낭트대산학협력단 - 최초의실거주목적 3D프린팅주택 지난 7월프랑스낭트시산학협력팀은실제거주목적의 3D 프린팅된주택이최초입주 건축현장에서 3D프린터를활용해연면적 95m2 ( 약 29평 ) 규모의단층주택을시공 특히폴리우레탄발포폼사이에콘크리트를채우는방식으로시공함에따라주거공간의보온및기밀성을확보 벽체시공까지총 54시간이소요되었고, 창호와지붕은기존건축방식을혼용하여시공하면서총제작기간은 18일소요 프로토타입의 3D프린팅주택과달리일반적인건축과정을거친주택의외벽과거의동일한외관을구현하게시공 [ 그림 16] 최초입주목적의 3D프린팅주택 [ 그림 17] 3중 ( 폴리우리탄 + 콘크리트 ) 적층외벽 자료 : 프랑스낭트대자료 : 허프포스트 ( 美 ) [ 그림 18] 낭트시 3D 프린팅주택설계도 [ 그림 19] 낭트시 3D 프린팅주택내부 자료 : 프랑스낭트대 자료 : 프랑스낭트대 8
3D 프린팅주택현실화가능성 3D프린팅주택은시제품단계를넘어상용화단계로진입중 3D프린팅주택은 3D프린터를활용해건설현장에서바로적층가공방식으로출력하는일체형 3D주택이상용화단계에가장근접하면서향후 2~3년대상용화가기대 - 현장에서바로시공하는일체형 3D프린팅주택은중국윈선, 미국 Apis Cor, ICON 등다양한업체에서프로토타입을넘어상용화수준의주택을시공중 상용화초기에는빈민층의주거문제해결을위한소형주택이나, 주변인프라시설과연결이어려운산간지역등을중심으로보급확대가기대 다만, 주택으로서의지진, 화재등에대비한안전성측면에서는아직추가적인검증이필요 특히중층이상의아파트형주택의경우보강된구조에대한안전성여부가일부논란존재 이에최근에는로봇기술을활용한철근골조를시공후철근을중심으로양방향에서 2대의 3D프린터가콘크리트를분사하는형태의보강된프린팅기술도개발중 우리나라는아직 3D프린팅원천기술확보를위한연구개발이진행되고있으나, 단기간내시공사례확보는어려울전망 우리나라는국책연구원인한국건설기술연구원을중심으로 3D프린팅건설실용화를목표로서울대등 16개기관과함께 3D프린팅건설기술연구용역을 2020년완료목표로추진중 - 모듈러출력방식에대한원천기술확보을최우선과제로수행하고, 일체형 3D주택출력을위한실외일체형출력방식기술을 2021년까지확보를목표로연구개발중 스타트업 ( 코로나등 ) 에서도 3D프린팅건축기술확보연구를진행중이나아직초기단계 다만, 아직세계선두권업체와의기술격차가크지않은상황으로정부및기업의관심으로기술격차를좁혀갈가능성상존 향후 3D프린팅주택의활성화를위해서는콘크리트이외싸고친환경적소재의개발도중요 현재 3D프린팅시공소재로활용하기위해다양한재료들이연구개발과정을거치는중 - 미위스콘신대연구진은일반콘드리트대비 4배이상의강도를가지고자가보수능력을갖춘바이오콘크리트를개발 - 티타늄등극강의강도를가진소재를주택기둥으로프린팅하는시공법도테스트중이고버려진산업폐기물을 3D프린터재료로재활용하는기술도상용화수준으로개발중 < 책임연구원서동한 (pilot@kbfg.com) 02)2073-5789> 9