한국정밀공학회지제 34 권제 1 호 pp. 35-39 JANUARY 2017 35 J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 34, No. 1, pp. 35-39 https://doi.org/10.7736/kspe.2017.34.1.35 ISSN 1225-9071(Print) ISSN 2287-8769(Online) 비정형콘크리트거푸집제작을위한 EPS Foam 의 3D 가공기계 3D Cutting Machine of EPS Foam for Manufacturing Free-Formed Concrete Mold 서정환 1, 홍대희 2,# Junghwan Seo 1 and Daehie Hong 2,# 1 고려대학교대학원기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Korea University) 2 고려대학교기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Korea University) # Corresponding Author Email: dhhong@korea.ac.kr, TEL: +82-2-3290-3369, FAX: +82-2-3290-3864 KEYWORDS: Free-Formed building ( 비정형건축물 ), EPS concrete mold (EPS 콘크리트거푸집 ), CNC milling machine (CNC 밀링기계 ), Hotwire ( 열선 ), Cutting machine ( 커팅기계 ) We used a construction method using a CNC milling machine, where free-formed molds were made by cutting EPS (Expanded PolyStyrene) foam with the CNC machine, to build free-formed buildings. CNC milling is off-the-shelf technology that can easily cut EPS foam; however its production cost is too high and the time to manufacture an EPS mold is too long. This paper proposes a novel cutting machine with a fast and cost effective mechanism to manufacture EPS concrete molds. Our machine comprises a cutter and Cartesian coordinate type moving mechanism, where the cutter cuts EPS foam using a hotwire in the shape of Π and is capable of adjusting its cutting angle in real-time while keeping its cutting width. We proved through cutting experiments on the CNC machine that cutting time was greatly shortened compared to the conventional method and that the resulting concrete mold satisfied manufacturing precision. Manuscript Received: March 4, 2016 Revised: August 6, 2016 Accepted: August 28, 2016 1. 서론최근건축기술의발달로여러가지모양의콘크리트곡면을제작할수있게되었고, 1,2 이로인해, 건축물의상징성과심미성이강조되는비정형건축물에대한연구가활발하다. 3-5 비정형건축물은다양한곡면으로이루어져있기때문에이를기존의철근콘크리트를사용하는정형거푸집으로건설하는데는한계가있다. 이에대한대안으로 3D 프린팅기술을적용한자동화골조또는부재프린팅기술이주목받고있다. 6-8 대표적인기술로 Contour Crafting과 Concrete Printing이있다. USC (University of Southern California) 대학의건축로봇시스템인 Contour Crafting은로봇기술로콘크리트를분사한뒤, 구조체를만들어건축물을완성해나가는 3D 프린팅기술이다. 9,10 영국의 Lough- Borough 대학과 Foster & Partners 건축사무소의공동연구로진행된 Concrete Printing 또한, 대형콘크리트프린터를이용하여비정형건축에사용될수있는곡면과다양한크기의패널들 을프린팅하는기술이다. 11,12 두기술모두비정형건축물을지을수있는새로운방식으로주목받고있지만아직초기연구단계이며, 프린팅소재와기술에대한신뢰성및안정성검증이부족한상황이다. 현재는 EPS Foam (Expanded Poly Styrene Foam) 을 CNC 밀링기계를사용하여거푸집으로가공한후콘크리트를타설하는시공법으로비정형골조공사를시행하고있다. 13,14 이는형상재단이쉽지만, CNC 밀링기계의가격이비싸고, 커팅시간이오래걸린다는단점이있다. 또한건축의특성상골조공사시외부요인에의하여발생하는오차에비해 CNC 밀링기계로가공한거푸집의정밀도는불필요하게매우높다. 본논문에서는직교좌표형이동메커니즘에열선과열봉을이용한커터를결합함으로써 EPS Foam을거푸집으로가공할수있는메커니즘을제안한다. 특히, 공구부에해당하는커터는가공폭이고정된상태에서열선의각도를조정할수있도록설계되어있어서기존의방법보다가공시간을획기적으로줄일수있다. 또한본논문에서제안된방법과기존방법에의한커팅 Copyright The Korean Society for Precision Engineering This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/ 3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
한국정밀공학회지 제 34 권 제 1 호 36 JANUARY 2017 시간을 비교하고, 가공한 형상의 정밀도를 확인하였다. 킨다. 스위치는 직교 좌표형 이동 메커니즘 내에서 움직이는 커 팅부의 초기 위치를 설정하는 역할을 한다. EPS Foam의 가로 길이는 180 mm이고, 열선의 폭은 40 mm 2. EPS Foam 가공기 구조 EPS Foam 가공기는 EPS Foam을 커팅하는 커팅부 (Cutter) 로 1개의 EPS Foam을 총 4번 커팅할 수 있다. 2.2 직교 좌표형 이동 메커니즘 와 이를 Y, Z축 (Y, Z-Axis)으로 이동시키는 직교 좌표형 이동 직교 좌표형 이동 메커니즘은 Opencreators 회사의 3D 프린터 메커니즘 (Cartesian Coordinate Type Moving Mechanism)으로 (NP-Mendel) 본체를 개조하여 만들었으며, 커팅부를 Y, Z축 으로 구성하였다 (Fig. 1). 이동시켜 EPS Foam을 커팅한다. 메커니즘의 크기는 425 mm 425 mm 400 mm이며, 3개의 스텝 모터 (Step Motor), 2개의 스 2.1 Cutter 크류, 1개의 리니어 가이드와 바이스 (Vice)로 구성하였다 (Fig. 커팅부는 직교 좌표형 이동 메커니즘에 장착되어 열선 1). 가공기의 상단부에 설치된 2개의 스텝 모터 (Z-Axis Step (Hotwire)과 열봉 (Hot Knife)을 이용하여 EPS Foam을 커팅한다. Motor)는 스크류와 결합되어 커팅부를 Z축으로 움직이고, 플레이 커팅부의 크기는 228.6 mm 107 mm이며, 2개의 리니어 모터 트에 설치된 1개의 스텝 모터 (Y-Axis Step Motor)는 벨트와 풀 (Linear Motor), 스프링 (Spring), 스위치 (Switch), 열봉 그리고 리를 사용한 리니어 가이드와 연결되어 커팅부를 Y축으로 움직 1개의 열선으로 구성하였다 (Fig. 2). 열봉은 2개의 리니어 모터 인다. 바이스는 EPS Foam을 항상 동일한 위치에 고정시키는 역 에 브라켓을 사용하여 각각 결합되었고, 열선은 열봉 위에 절연 할을 한다. 을 위해 결합된 세라믹 튜브 (Ceramic Tube)를 통과하여 2개의 스프링에 각각 연결되었다. 따라서 열봉과 열선이 X축으로 이동 가능한 리니어 모터와 함께 움직일 수 있도록 구성하였다. 이로 2.3 가공 원리 EPS Foam 가공기는 커팅부에 장착된 2개의 스위치를 이용하 인해, 양쪽 열봉의 움직임으로 열선의 커팅 각도를 조절할 수 있 여 커팅부의 초기 위치를 설정한 후, 입력된 좌표값으로 열선 과 으며, 스프링의 장력으로 커팅하는 열선의 폭을 일정하게 유지시 열봉을 이동시켜 Π 모양으로 바이스에 고정된 EPS 세그먼트 (EPS Segment)를 커팅한다 (Fig. 3). 리니어 모터에 결합된 양쪽 열봉의 움직임에도 스프링의 장력에 의해서 커팅하는 열선의 폭 은 일정하게 유지되며, Z축과 X축의 움직임으로 열선의 폭만큼 한 줄씩 커팅한다. 또한, 열전도성을 가지는 철선으로 열봉과 세 라믹 튜브를 결합함으로써 위에서 아래로 커팅뿐만 아니라 아래 에서 위로 커팅이 가능하다. 예를 들면, 첫 번째와 세 번째 줄은 위에서 아래로 커팅하고, 두 번째와 네 번째 줄은 아래에서 위로 커팅한다. 윗면이 곡선인 EPS 세그먼트는 EPS Foam 가공기로 커팅하 기 위해서 폴리곤화한다 (Fig. 4). 폴리곤화된 커팅선 (Polygonal Cutting Curve)은 여러 개의 직선으로 이루어져 있으므로 곡선이 라고 할 수 없지만, 큰 거푸집의 일부분이므로 건축물이 지어졌 을 때, 곡선으로 볼 수 있다. Fig. 1 EPS foam cutting machine Fig. 2 Structure of EPS foam cutter Fig. 3 Cutting path by the EPS foam cutter
한국정밀공학회지제 34 권제 1 호 JANUARY 2017 37 3. EPS Foam 가공기의특징대표적인 EPS Foam을가공할수있는기존기계로 CNC 밀링기계와 VLM (Variable Lamination Manufacturing) 이있다. CNC 밀링기계는작은공구를사용하여 EPS Foam을가공순서에따라한층한층씩커팅하는공작기계이다. VLM은열선커터기를이용하여얇은 EPS Foam을커팅한후이를적층하여원하는 3D 형상을만드는신속조형기 (Rapid Prototype) 이다. 15 본 EPS Foam 가공기의특징을다른 EPS Foam 가공기계들과비교하여 Table 1에나타냈다. 3개의기계모두 EPS Foam을원하는형상으로제작하는커팅기계이지만, 커터공구와커팅방식의차이가존재한다. 열선커터기를사용한 VLM과같이, EPS Foam 가공기는열봉과열선을사용하여 EPS Foam을열로녹여서커팅한다. 이와달리, CNC 밀링기계는작은밀링툴을이용하여 EPS Foam을한층한층씩깎아서커팅한다. 기계의크기와특성에따라커팅크기에서도차이가존재한다. VLM은얇은 EPS Foam을커팅한후이를적층하여원하는형상을높이제한없이제작할수있으며, 크기가큰 CNC 밀링기계는 EPS 거푸집 (EPS Mold) 1개를한번에제작할수있다. 제안한 EPS Foam 가공기는각도조절이가능한열선커터를이용하여일정폭의단면을하나의경로로가공할수있기때문에 CNC에비해매우빠르며, 적층또한불필요하여 VLM에비해가공시간을대폭줄일수있다. 4. EPS 거푸집제작원리일반적으로, 가공기의크기제한때문에여러개의 EPS 거푸집을하나로조합하여비정형건축물을짓는다. 본연구에서개발한가공기도마찬가지로 EPS 거푸집을세그먼트화하여가공조립하는방식이적용될수있다. Fig. 5에이러한과정을도식화하였으며, 순서를정리하면다음과같다. (1) EPS 거푸집의 CAD 모델링 (2) CAD 모델의세그먼트화 (3) EPS 세그먼트가공을위한공구경로생성 ( 폴리곤화 ) (4) EPS 거푸집세그먼트가공 (5) 가공된세그먼트들을조합하여 1개의 EPS 거푸집제작 5. 커팅실험 비정형표면을나타낼수있는직선모양, 대각선모양, 곡선모양등이포함된네가지종류의샘플곡면을커팅하여커팅시간과가공의정밀도를측정하였다. 실험으로설정한네가지종류의커팅면은다음과같다 (Fig. 6). (a) EPS Foam 1 = 윗면만곡선인모양 (b) EPS Foam 2 = 옆면만곡선인모양 (c) EPS Foam 3 = 윗면과옆면이곡선인모양 (d) EPS Foam 4 = 대각선-곡선-직선이합쳐진모양 5.1 EPS Foam 의커팅시간측정 EPS Foam 가공기를사용한커팅시간과 CNC 밀링기계를사용한커팅시간을비교하였다. 동일한가공조건을위해같은 Fig. 4 Polygonal EPS segment Table 1 Comparisons of EPS foam cutter to conventional EPS foam cutting machines Cutter EPS foam cutter Hot knife & Hotwire CNC milling machine Small milling tool VLM Hotwire Material EPS foam Metal, EPS foam etc. EPS foam Lamination No No Yes Cutting method Heat Cut Heat Fig. 5 Procedures to build an EPS concrete mold
38 JANUARY 2017 한국정밀공학회지제 34 권제 1 호 크기와재질을가진 EPS Foam을사용하여가공하였다. EPS Foam 가공기의경우, EPS Foam을직교좌표형이동부에고정하고기준좌표를설정한후, 가공이시작되는순간부터완료되는순간까지를측정하였다. CNC 밀링기계의경우도마찬가지로, EPS Foam을바이스에고정하고좌표축에대한설정을마친후, 가공이시작되는순간부터완료되는순간까지의시간을측정하였다. 초단위는반올림하여분단위로나타내었다 (Table 2). 5.2 EPS Foam의가공정밀도측정 EPS Foam의표면으로부터높이정보를추출하기위해서광삼각법을이용하는 3D 스캐너를사용하였다. 이를통해, 기준좌표계로부터가공한 EPS Foam 표면의벡터정보를수집하였다. 이렇게수집한벡터값을 CAD 프로그램을사용한 EPS Foam의모델링값과비교하여그차이를색깔로표현하였다 (Fig. 7). CAD 모델과가공기로가공한 EPS Foam의표면거리가 1mm를넘지않으면초록색으로나타냈다. 빨간색으로갈수록 CAD 모델보다커팅이덜되었고, 파란색으로갈수록 CAD 모델보다더커팅되었음을의미한다. 6. 실험결과및토의 EPS Foam 가공기와 CNC 밀링기계를사용하여 EPS Foam 을가공할때걸린시간을 Table 2에나타냈다. EPS Foam 1을가공하기위해서윗면을폴리곤화하여커팅하였으며, EPS Foam 가공기로가공시 6분이걸렸다. CNC 밀링기계는 15분이걸렸으며, 가공기의커팅속도가 CNC 밀링기계보다 2배이상빨랐다. EPS Foam 2 커팅실험에서는가공기가 3분, CNC 밀링기계는 14분이걸렸다. 세번째실험인 EPS Foam 3을가공하기위해서윗면을폴린곤화하였으며, 가공기의커팅시간은 6분, CNC 밀링기계는 28분이걸렸다. 마지막으로 EPS Foam 4 커팅실험에서가공기는 2분, CNC 밀링기계는 41분이걸렸다. 모든실험에서가공기의커팅속도가 CNC 밀링기계보다빨랐다. 이는커팅양의차이때문이다. 작은밀링툴을사용하여 EPS Foam을한층한층씩커팅하는 CNC 밀링기계와달리, 열선과열봉을사용하는 EPS Foam 가공기는 Π 모양커팅방식으로한번에많은양을커팅할수있다. 그러므로 CNC 밀링기계보다가공속도가빠르다. EPS Foam 가공기의가공정밀도는색깔분포로표현하였다 (Fig. 7). 첫번째실험인 EPS Foam 1의오차데이터는 4개의커팅면중양쪽끝의두면이노란색으로커팅이덜되었고, 안쪽두면은하늘색으로 CAD 모델의기준면으로부터더커팅되었다. 커팅모양이리니어모터의움직임이없는직선모양임에도불구하고, 오차값이큰이유는바이스에고정된 EPS Foam의위치가부정확했기때문이다. 두번째실험인 EPS Foam 2의오차데이터는초기커팅에서정밀하였으나, 커팅의끝부분특히, 오른쪽부분이노란색으로오차값이컸다. 세번째실험인 EPS Foam 3의오차데이터는모든면의끝부분과마지막면이노란색으로덜커팅되었으며, 마지막면의오른쪽가장자리는빨간 Table 2 Comparison of time consumption between EPS foam cutter and CNC milling machine EPS foam cutter (min.) CNC milling (min.) EPS foam 1 6 15 EPS foam 2 3 14 EPS foam 3 6 28 EPS foam 4 2 41 Fig. 6 Sample surfaces to compare cutting performance (CAD models and manufactured EPS foams) Fig. 7 Isometric view of cutting errors: (a) EPS foam 1, (b) EPS foam 2, (c) EPS foam 3, (d) EPS foam 4
한국정밀공학회지제 34 권제 1 호 JANUARY 2017 39 색으로오차값이가장컸다. 마지막실험인 EPS Foam 4의오차데이터는리니어모터의움직임이없는직선모양이초록색으로오차값이작은반면, 리니어모터에따라커팅되는대각선과곡선모양은주황색과빨간색으로오차값이컸다. 오차의원인으로는 2가지가있다. 먼저, 기구학오차이다. 커터기와열봉의고정위치가부정확하여기준좌표계로부터 EPS Foam이틀어졌기때문이다. 두번째로설치오차이다. EPS 세그먼트를가공하기위해서 EPS Foam은가공기의바이스에고정되어야한다. EPS Foam을바이스에고정할시, 위치가틀어졌기때문이다. 종합해서보았을때, 정밀도가 1mm를벗어나지않는 CNC 밀링기계보다 EPS Foam 가공기의가공정밀도가우수하지는않다. 하지만벽체두께의 3%, 평면길이의 2% 로허용오차가큰건축산업에서거푸집을가공하기위한기계로사용할수있으며, 간단한후처리를통해서건축현장에서요구하는수준의가공정밀도를얻을수있다. 7. 결론 본논문에서는비정형건축물을짓기위한 EPS 거푸집공법에서 EPS 거푸집을가공하는 EPS Foam 가공기메커니즘개발에대한연구를하였다. 열봉과열선을사용한커팅방식으로비정형 EPS 거푸집을가공함으로써기존의 CNC 밀링기계보다거푸집커팅시간을단축시켰고, 비정형 EPS 거푸집을만들기위한가공정밀도를증명하였다. 또한, EPS 거푸집을세그먼트화하여가공함으로써소형화된기계로공사현장에서신속한대응에활용가능하도록하였다. 즉, 기존공사방법에거푸집가공작업을좀더효율적으로적용시킴으로써공사기간을단축시키고, 경제적인효과를누릴수있도록하였다. 이러한 EPS Foam 커팅메커니즘은향후건설산업의비정형적인요소들을시공하기위한다양한분야에서적용될수있을것으로기대된다. ACKNOWLEDGEMENT 본연구는 2014년도산업통상자원부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한연구과제입니다 (No. 20144010200770). REFERENCES 1. Lee, D., Hong, W.-K., Kim, J. T., and Kim, S., Conceptual Study of Production Technology of Free-Form Concrete Segments, International Journal of Engineering and Technology, Vol. 7, No. 4, p. 321, 2015. 2. Lim, S., Buswell, R. A., Le, T. T., Austin, S. A., Gibb, A. G., et al., Developments in Construction-Scale Additive Manufacturing Processes, Automation in Construction, Vol. 21, pp. 262-268, 3. Buswell, R. A., Soar, R., Gibb, A. G., and Thorpe, A., Freeform Construction: Mega-Scale Rapid Manufacturing for Construction, Automation in Construction, Vol. 16, No. 2, pp. 224-231, 2007. 4. Bae, K. J., Lee, S. H., and Jun, H. J., A Study on Digital Design Process of the Materialization of Free Form Design Architecture, Architectural Institute of Korea, Vol. 29, No. 1, pp. 221-224, 2009. 5. Han, J. Y., Kim, D. H., and Park, J. D., A Study on the Classification and Its Features of Fabrication Types in Realizing Double-Curved Surface of Free Form Architecture, Journal of the Architectural Institute of Korea Planning and Design, Vol. 29, No. 12, pp. 3-14, 2013. 6. Khoshnevis, B., Automated Construction by Contour Crafting- Related Robotics and Information Technologies, Automation in Construction, Vol. 13, No. 1, pp. 5-19, 2004. 7. Le, T., Austin, S., Lim, S., Buswell, R., Gibb, A., et al., High-Performance Printing Concrete for Freeform Building Components, Proc. of International Fib Symposium on Concrete Engineering for Excellence and Efficiency, pp. 499-502, 2011. 8. Zhang, J. and Khoshnevis, B., Optimal Machine Operation Planning for Construction by Contour Crafting, Automation in Construction, Vol. 29, pp. 50-67, 2013. 9. Bosscher, P., Williams, R. L., Bryson, L. S., and Castro- Lacouture, D., Cable-Suspended Robotic Contour Crafting System, Automation in Construction, Vol. 17, No. 1, pp. 45-55, 2007. 10. Khoshnevis, B. and Hwang, D., Contour Crafting, In Rapid Prototyping, Kamrani, A. and Nasr, E. A., (Eds.), Springer, pp. 221-251. 2006. 11. Lim, S., Le, T., Webster, J., Buswell, R., Austin, S., et al., Fabricating Construction Components Using Layer Manufacturing Technology, Proc. of Global Innovation in Construction Conference, pp. 512-520, 2009. 12. Le, T. T., Austin, S. A., Lim, S., Buswell, R. A., Law, R., et al., Hardened Properties of High-Performance Printing Concrete, Cement and Concrete Research, Vol. 42, No. 3, pp. 558-566, 13. Park, Y., Jo, S., and Kim, S., Development of the Free-Formed Concrete Structure Construction Technologies Using 3D Digital Design, Proc. of Autunm Annual Conference in the Korean Institute of Building Construction, Vol. 12, No. 1, pp. 205-208, 14. Kolarevic, B., Digital Fabrication: Manufacturing Architecture in the Information Age, Proc. of Association for Computer Aided Design in Architecture, pp. 268-278, 2001. 15. Ahn, D.-G., Lee, S.-H., and Yang, D.-Y., Development of Transfer Type Variable Lamination Manufacturing (VLM-st) Process, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 42, No. 14, pp. 1577-1587, 2002.