레이저는 시멘트를 더 잘 사용할 수 있는 길을 열었습니다.

Sep 02, 2023

아담 하다지(Adam Hadhazy)

2023년 6월 5일

프린스턴 대학의 엔지니어들은 3D 프린팅 시멘트의 주요 단점, 즉 재료의 파손 저항성을 정확하게 평가하기 위해 레이저를 배치하고 있습니다. 연구원들은 이 분야의 진전이 시멘트 기반 구조물에서 적층 제조의 광범위한 사용으로 이어질 수 있기를 바라고 있습니다. 장기적인 목표는 혁신적인 디자인과 기능을 구현하는 적층 기술을 사용하여 더 나은 소재를 개발하는 것입니다.

시멘트는 건물, 도로, 활주로, 교량, 댐 등 현대 건축물의 대부분을 구성하는 콘크리트의 주요 성분입니다. 최근에는 3D 프린팅의 효율성과 활용성 측면에서 장점이 입증되면서 이 기술을 건축에 적용하려는 관심이 높아지고 있습니다.

그러나 기존의 주조 콘크리트와 비교할 때 3D 프린팅 대안은 특히 콘크리트의 서로 다른 층 사이의 영역에서 균열이 발생할 수 있습니다. 연구자들은 이것이 3D 프린팅에 사용되는 레이어링 프로세스로 인해 발생하는 불균일한 미세 구조 때문이라고 생각합니다. 프린스턴 연구진은 미세한 수준에서 이러한 균열을 더 잘 이해하기 위해 새로운 테스트를 사용했습니다. 그들의 연구 결과는 파괴 특성을 적절하게 특성화함으로써 3D 프린팅 콘크리트가 주조 콘크리트와 동일하거나 심지어 더 강할 수 있음을 시사합니다.

Cement and Concrete Composites 저널에 게재된 연구에서 Princeton 연구진은 레이저를 사용하여 3D 프린팅 시멘트에 정확하게 위치한 홈을 절단하는 새로운 테스트 방법을 보여줍니다. 레이저의 출력과 속도를 제어함으로써 연구원들은 홈의 깊이와 모양과 같은 중요한 특징을 제어할 수 있습니다. 이 제어를 통해 기존 방법보다 훨씬 더 정확한 테스트가 가능합니다.

토목학과 조교수인 Reza Moini는 "이제 우리는 다양한 파손 모드에서 3D 프린팅된 시멘트 기반 재료의 파괴 ​​특성을 보다 철저하게 이해할 수 있으며 이는 궁극적으로 이 기술을 확장하는 데 중요합니다."라고 말했습니다. 프린스턴 대학의 환경공학과 이 연구의 수석 저자입니다. "적층 기술과 함께 제공되는 재료 아키텍처 설계 및 제조 자유를 활용하여 더 강하고 견고한 재료를 만들 수 있는 새로운 기회가 있습니다."

Moini 연구실의 모든 구성원인 이 연구의 다른 프린스턴 저자는 Shashank Gupta와 Arjun Prihar 박사입니다. 학생들과 전직 부연구학자였던 Hadi Esmaeeli가 있습니다.

거푸집에 부어서 굳히는 주조 콘크리트와 달리 3D 프린팅 콘크리트에는 한 번에 한 가닥씩 시멘트 페이스트를 압출하는 노즐이 포함됩니다. 노즐은 앞뒤로 움직이며 콘크리트 가닥을 한 가닥씩 쌓고 최종적으로는 층별로 쌓입니다.

한 가지 과제는 압출 중에 얇고 물이 풍부한 필름이 인쇄된 각 스트랜드 주위에 형성되어 흐름을 촉진하는 경향이 있다는 것입니다. 이러한 물이 풍부한 필름은 3D 프린팅 재료의 가닥 사이에 심각한 내부 결함과 이질성을 발생시켜 구조적 약점을 유발할 수 있습니다.

프린스턴 연구진은 파괴 특성과의 관계를 이해하기 위해 이러한 인터페이스를 더 자세히 조사했습니다. 연구팀은 처음에 시멘트 페이스트를 압출하는 맞춤형 3D 프린터를 사용하여 테스트할 샘플을 제작하고 경화했습니다. 전통적인 테스트에는 일반적으로 원형 톱을 사용하여 재료에 노치를 절단하는 작업이 포함됩니다. 그러나 미세 구조를 연구할 때 이러한 톱은 종종 날카롭지 않은 노치로 이어지는 무딘 도구 역할을 할 수 있습니다. 이로 인해 테스트가 어렵고 부정확해질 수 있습니다.

노치를 자르기 위해 톱과 같은 물리적 도구를 사용하는 대신 Moini와 동료들은 실험실 레이저를 사용하기로 결정했습니다. 그들의 접근 방식은 인쇄된 레이어 사이의 인터페이스와 같이 필요한 위치까지 테스트 노치를 잘라냅니다.

"깨지기 쉬운 3D 프린팅 재료에 대한 이 테스트의 장점은 동일한 샘플 형상을 사용하여 인장, 전단 또는 이 둘의 조합에서 균열에 대한 저항을 포착할 수 있다는 것입니다."라고 Moini는 말했습니다.

논문의 첫 번째 저자인 Shashank Gupta는 "연구자들이 구조적 및 비구조적 적용을 위한 콘크리트 적층 제조 공정을 확장하기 위해 업계와 협력하고 있기 때문에 이 접근 방식은 재료 특성을 알리는 데 도움이 될 수 있습니다"라고 강조했습니다.