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네덜란드, 세계 최초 3D 프린팅 '강철교량' 공개

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네덜란드, 세계 최초 3D 프린팅 '강철교량' 공개

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세계 최초의 3D 프린팅 강교가 4년간의 계획 끝에 암스테르담에서 공개돼 관심을 모으고 있다.

네덜란드의 MX3D는 12m 길이의 보행자 및 자전거 다리가 건설되어 오데지즈 아크테르부르크왈(Oudezijds Achterburgwal) 운하를 이었다. 이 회사는 4대의 로봇과 용접을 사용하여 이 교량 구조를 3D로 제작했다.
제작과정에서 4500㎏의 강철을 섭씨 1500도까지 가열하여 강철의 변형 가능한 경계를 추월시켰다. S셰이퍼 및 난간은 모델링 소프트웨어를 사용하여 설계되었다고 한다.

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런던 임페리얼 칼리지의 환경 토목 공학과 리로이 가드너(Leroy Gardner) 교수는 "보행자가 자유로이 이동하는 만큼 튼튼한 3D 프린팅 금속 구조는 종전까지는 건설되지 않았다"고 말했다.

임페리얼 칼리지 런던의 연구원들은 교량 검사를 위해 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 개발했으며, 매일 다리를 건너는 이동 물체를 거뜬히 견뎌낼 수 있는 구조와 날씨로 인한 각종 해로운 영향에 초점을 맞추었다.

이 다리 모양을 구상한 디자이너들은 2015년에 효율적인 구조를 갖춘 교량을 만들기 위한 아이디어를 처음 내놓았다. 이 다리 건설 아이디어는 단순성과 안전이라는 두 가지를 강조했다. 런던 임페리얼 칼리지의 과학자들은 설계 효과를 추적하기 위해 이 다리를 '라이브 실험실'로 설계했다.

구조 엔지니어, 컴퓨터 과학자 및 통계학자 팀은 교량에 대한 12개 이상의 센서 시스템을 개발, 브리지 성능의 추가분석 자료 데이터를 직접 대학에 전송했다. 그들은 시간이 지남에 따라 교량, 진동, 온도, 변형(힘의 작용에 따른 재료의 모양과 크기의 변화)와 변위(특정 방향으로 움직이는 물체의 양)의 움직임을 추적했다.

이 데이터에서 과학자들은 교량의 동일한 가상 구조이며 시간이 지남에 따라 더 정확해지는 교량의 '디지털 트윈' 버전을 만들었다. 그리고 기계 학습을 통해 수정된 사실을 순서대로 제안하면서 다리를 완성 시켰다.

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3D 프린팅의 장점 중 하나는 많은 장비와 시간, 비용이 들어가는 기존 제조공정을 함축해서 필요한 모양을 만드는 기능이다. 이를 위해 디자이너는 보다 창의적이고 적은 수의 리소스를 소비할 수 있었다.

이 교량의 경우 설계자는 DED 및 파우더 베드 퓨전(PBF)과 같은 두 가지 3D프린팅 방법을 사용했다. DED를 사용하면 프린터는 펜과 같은 노즐과 접촉시 금속을 녹이는 고강도 열원(보통 레이저이지만 때로는 전자 빔)을 통해 재료(일반적으로 분말 또는 와이어 형태)를 충전하게 된다.

DED(Direct Energy Deposition) 방식은 고출력 레이저 빔을 금속표면에 조사하면 순간적으로 용융지가 생성되는 동시에 금속분말도 공급되어 실시간으로 적층하는 방식을 말한다. 이 방법은 용접과 유사하고, 기존 제품에 덧붙여 적층시켜 나갈 수 있어 보수작업에 활용이 가능하다.

또 여러 가지 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제작하거나 다른 재질을 사용할 수 있어 생산성이 비교적 높고, 반복재현성이 우수하며, 강도와 충격치가 높지만, 정밀도가 떨어지는 단점도 있다.

PBF는 레이저 또는 전자 광선이 분말을 녹여 층을 형성하기 위해 유사하게 작동한다. 그러나 PBF의 주요 장점은 DED보다 세부 사항이 높은 프로젝트에서 사용할 수 있는 훨씬 더 작고 더 비싼 부품과 함께 작동하게 된다. 이렇게 하면 설계자가 더 긴 뷰를 가질 수 있다.

이 다리는 2015년에 프로젝트가 시작된 이래로 몇 가지 계획된 변경을 거쳤으며, 원래 2017년에 개장할 예정이었다. 당초 계획은 운하를 가로 질러 구조물을 제작하는 것이었고, 로봇은 양쪽에서 작업하여 아래에서 다리를 용접하여 중간에 만날 때까지 하는 방법이었다.

세계 최초의 3D 프린팅 스틸 브리지


현재 전 세계에서 3D프린팅 제조 기술을 사용하고 있다. 이탈리아 3D 프린팅 회사 WASP는 지속 가능한 대피소를 제작하고 있다. 2024년 프랑스 스타트업 XTreeE는 올림픽을 앞두고 파리에 40m 3D 프린팅 프로젝트를 구축할 계획이다. 두바이는 2030년까지 건물의 25%를 3D로 제작할 계획으로 있다.

런던 임페리얼 칼리지의 토목 환경 공학과의 크레이그 뷰캐넌(Craig Buchanan)은 "건설 산업에서 이 새로운 기술에 대한 연구는 미학과 설계 최적화 및 고효율 측면에서 재료 사용이 감소하면서 3D프린팅은 미래의 큰 잠재력을 가지고 있다"고 말했다.


김진영 글로벌이코노믹 기자