3차원 인쇄(三次元印刷, 영어: 3D printing) 는 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어내는 제조 기술이다. additive manufacturing이라고도 한다.

3차원 프린터는 밀링 또는 절삭이 아닌, 기존 잉크젯 프린터에서 쓰이는 것과 유사한 적층 방식으로 입체물로 제작하는 장치를 말하며, 컴퓨터로 제어되기 때문에 만들 수 있는 형태가 다양하고 다른 제조 기술에 비해 사용하기 쉽다. 단점으로는 현재 기술로는 제작 속도가 매우 느리다는 점과, 적층 구조로 인해 표면이 매끄럽지 못하다는 점 그리고 위험한 총기와 같은 물건을 마음대로 인쇄할 수 있다는 점, 지식재산권을 침해할 수도 있다는 점 등이 있다.

3차원 인쇄 기술은 제 4차 산업혁명으로 불리며, 산업 전반에 걸쳐 제조 기술의 큰 변화를 가져올 것으로 예상되고 있다.

• 제목 : 3D 프린팅 건설자동화를 위한 자연모사형 모듈블럭 및 체결구조 개발 최종보고서
• 저자 : 한국과학기술원
• 발행처 : 국토교통부; 국토교통과학기술진흥원
• 출판년도 : 2023-03-31

1최종목표

자연모사형 블럭과 채널방식의 체결기법을 도입한 건설자동화 기술 개발

2전체 내용

• 3D 프린터를 이용하여 두 가지 이상의 재료로 구성된 패턴을 가지는 자연모사형 모듈블럭을 제작하고, 이를 현장에서 적층 및 체결할 수 있는 건설기법을 제안함
• 제안한 모듈블럭의 역학적 성능 향상과 고성능 에폭시를 이용한 체결 방법은 교량 등의 대형구조물의 건설에 사용될 수 있을 것으로 예상함
• 다양한 생물에서 발견되는 패턴이 역학적 성능을 향상시키는 원리에 대해 조사하고, 이를 모사하여 건설 블럭의 크기에 적합하도록 패턴을 디자인함
• 패턴의 모양을 결정하는 다양한 변수의 영향을 효율적으로 고려하기 위해, 수치해석적 기법을 도입하여 패턴의 형상과 블럭의 성능 간의 상관관계에 대한 연구를 수행하고 실험을 통하여 검증함
• 체결부 구조에 따른 체결성능의 평가를 위하여 수치해석과 실험을 수행함

3활용방안

• 극서지, 극한지 및 우주 공간에서의 대형구조물 건설에 적용
  • 3D 프린팅 건설기술은 수작업을 최소화하여 자동화가 가능하다는 장점이 있음
  • 사람이 직접 현장장업하기 힘든 곳에서도 작업 가능할 것으로 기대됨
  • 기존 3D 프린팅으로 제작된 부재에 비하여 높은 역학적 성능을 갖는 모듈화된 블럭을 활용하면, 높은 내구성 확보가 가능하므로 극한 환경에서 활용성이 우수할 것으로 기대됨
• 패턴화된 블럭의 성능 예측 수치해석 기법
  • 추후 다른 목적을 위한 자연 모사 패턴을 개발하는 연구는 지속적으로 이루어질 것으로 예상됨
• 고성능 블럭의 타 산업에 적용
  • 본 연구 개발은 건설을 위한 3D 프린터 제작보다는 3D 프린팅용 고성능 블럭 및 체결 구조 개발에 초점을 맞추고 있기 때문에, 해당 블럭은 항공, 철도, 선박 등의 대형구조물에도 적용이 가능할 것으로 사료됨

4기대 효과

4.1 기술적 측면

• 작업 인력의 숙련도 의존성 탈피
• 극한 환경에서 건설기술 확보
• 응용기술로 타 산업의 R&D 영향 기여
  • 기존의 재래식 건설기법이 작업인력의 숙련도에 의존함에 비하여, 3D 프린팅 건설기법은 높은 수준의 자동화가 가능할 것으로 사료됨
  • 본 연구진이 제안한 기술을 활용하면 건설블럭을 이용하여 현지에서 건설용 부재를 직접 생산하기 힘든 극한지(extreme environment) 등에서의 건설을 효율적으로 수행하는 것이 가능함.
  • 본 연구 개발 내용을 콘크리트가 아닌 다른 재료에 적용할 경우, 항공, 철도, 선박, 로봇공학 및 의과학 등의 다양한 분야에서 광범위하게 적용 가능할 것으로 예상됨

4.2 경제적ㆍ산업적 측면

• 건설비용 저감
• 새로운 산업 창출
• 해외에 기술수출 가능성

4.3 사회적 측면

• 재난지역 시설물 제공
• 극한지 건설을 통한 건설 지역 확대
• 층간소음으로 인한 갈등 및 사회적 갈등 해결 비용 감소
  • 3D 프린터를 이용한 건설 자동화 기술은 같은 구조의 구조물을 빠른 시간 내에 다수 제작하는데 최적화되어 있음
  • 해당 기술은 자연재해 및 사회 재난으로 인해 피해가 발생한 경우에 빠르게 독립적인 공간을 제공할 수 있음
  • 고성능 블럭의 한 가지 목표인 음향 분산 블럭의 경우 층과 층 사이의 슬라브에 적용될 경우, 음파를 옆으로 분산시켜 층간소음을 저감시킬 수 있음

• 제목 : 3D 프린팅 기반 사용자 맞춤형 건설 자동화 기술 개발 기획 최종보고서(Planning Research of 3D Printing-based Customized Construction Automation Technology Development)
• 저자 : 한국건설기술연구원; (재)한국건설생활환경시험연구원; 한국로봇융합연구원; (주)이니씽크
• 발행처 : 국토교통부; 국토교통과학기술진흥원
• 출판년도 : 2022-02-23

1최종 목표

3D 프린팅 기반 사용자 맞춤형 건설 자동화 기술 개발 기획

2지원 범위

3D 프린팅 시공 프로세스 확립, 주거 가능한 주택성능 확보, 이동형/경량화 3D 프린팅 건설 장비, 내외장재 및 마감재 출력기술, 수평부재 시공기술 확보를 통한 맞춤형/완성형 주택시공 기술 확보를 위해 본 기획을 수행하며, 다음의 프로세스를 통해 수행됨

• 관련 기술의 개발동향 및 환경 분석 → 중점추진분야 도출
• 기술수요 및 수준ㆍ예측 조사 → 비전, 목표 및 연구개발 후보 과제 구성
• 후보과제 우선순위 평가 → 우선순위 도출
• 세부 연구개발과제 구성 → 세부 연구목표, 연구내용 및 성과지표 설정
• 기술개발로드맵 구성, 연구개발 인력 및 예산 산정
• 사전타당성 분석
• 본 과제 RFP 작성

3연구개발성과

이 기획연구를 통하여 산출되는 최종 성과물은 RFP가 포함된 최종보고서이며, 주요 내용은 다음과 같음

• 기술 및 시장 동향분석
• 특허분석
• 기술수요조사서 결과
• 연구개발과제 구성 및 추진전략
• 과제 사전타당성 검토
• 연구개발 RFP
• 전략계획서

4연구개발성과 활용계획 및 기대효과

• 국토교통연구개발사업을 주관하는 해당 부처인 국토교통부에 서 연구개발 필요성, 시급성 및 정책적 지원을 위한 근거 자료로 활용
• 건축 3D 프린팅 기술은 최첨단 융복합 산업의 결정체로서 개발 결과를 활용하여 글로벌시장 선점의 경제적 효과, 미래 기술 보유국 지위 확보, 건설산업의 국제적 위상강화, 관련 핵심 기술의 자립화 및 기술 수출을 통해 국가 이미지 제고에 기여 가능
• 실거주가 가능한 비정형 건축물 및 주택성능을 고려한 사용자 맞춤형 건축물 등 건설업의 고부가가치 기술우위 확보가 가능할 것으로 판단
• On-site 및 Off-site 3D 프린팅 기술 융합을 통해 시설물 공기단축이 가능하고 설계 및 시공단계에 이르는 프로세스 과정을 단축시켜 비용ㆍ시간 절감 가능
• 3D 프린팅 기술 적용 건축물 시공 자동화 핵심 기술 개발을 통해 수요자 맞춤형 비정형 건축물의 구현이 가능

• 제목 : 소형 건축물 및 비정형 부재 대상 3D 프린팅 설계, 재료 및 장비 개발 최종보고서(Development of innovative design, material and equipment for 3D printing small buildings/freeform members)
• 저자 : 한국건설기술연구원; (재)한국건설생활환경시험연구원; 고려대학교 산학협력단
• 발행처 : 국토교통부; 국토교통과학기술진흥원
• 출판년도 : 2022-02

1최종 목표

소형 건축물 및 비정형 부재 대상 3D 프린팅 설계, 재료 및 장비 개발

2전체 내용

(1) 1단계 세부내용

• [정성] 건축물 3D 프린팅 설계기술 개발 및 테스트베드 수행
• [정량] 3D 프린팅 건축상품(10종 이상) 개발 및 설계/시공/유통 통합 플랫폼 개발

(2) 2단계 세부 내용

• [정성] 건축물 3D 프린팅용 건설 복합재료 제조기술 개발 및 표준화
• [정량] 연속 적층고 3m 이상, 압축강도 60MPa 충족시키는 3D 프린팅 콘크리트 재료기술

(3) 3단계 세부 내용

• [정성] 건축물 3D 프린팅 장비 개발
• [정량] 10x10x3 m3 일체형 소형건축물 및 3x3x3 m3 조립형 비정형 건축물 제조 장비 및 제조기술

3연구개발성과 활용방안 및 기대효과

• 건축 3D 프린팅 기반의 플랫폼은 기술개발, 사업화, 인력양성, 기술보급, 상품유통 측면을 동시에 추구하는 실용화 기술로 활용
• 소형 건축물 및 비정형 부재의 저가격 공급기술 보현화 기술 활용
• 요소기술간 협업을 통해 건축 3D프린팅-BIM의 전체맥락에서 다양한 분야의 요소기술 전문가를 양성-비정형 건축물 시공시간 단축 및 비정형 디자인 시공의 기술적 한계 극복
• 초기 시장형성 단계인 세계 3D 프린팅 건축물 분야에서 국내 업체들의 초기 시장 선점
• 다양한 건축상품(소형건축물, 비정형 부재)의 경제성 높은 생산기술에 활용
• 건축물용 내ㆍ외장재로서의 의장성과 요구성능을 동시에 만족하는 차세대 3D 프린팅용 내ㆍ외장재의 상용화 제품 생산에 활용
• 비정형 건축물용 내ㆍ외장재 제조 기반기술을 활용한 다양한 건축 자재 제조기술로 활용
• 주요 연구성과인 3D 프린팅 건축상품, 3D 프린팅 설계 플랫폼, 3D 프린팅 노즐 및 프린팅 장치, 적층 기술, 3D 프린팅 상품 시공법 및 제작방법 등은 다양한 3D 프린팅 건축 설계 및 시공 기술에 대한 지식재산권 선점을 통해 일부 기술이전에 성공하였으며, 향후 사업화와 상용화의 가능성이 높을 것으로 기대됨
• 현재 3D 프린팅 건축 기술수준은 시작품 제작 또는 지자체에 조형물 현장적용 수준으로 조형물, 디자인 담장, 벽체, 스트리트 퍼니처, 군 막사, 현장 사무소, 임시대피시설 등을 출력할 수 있는 수준을 달성하였으며 본 연구개발성과를 기반으로 향후 법제도 보완을 통해 거주 가능한 건물 및 토목구조물 등으로 기술수준을 높이고 시설을 확대하는데 기반기술로 활용 가능함
• 국내 3D 프린팅 건축의 본격적 도입을 위한 관련 건축법 개정안과 시공지침, 구조지침 등은 향후 3D 프린팅 건설법과 제도, 기준 마련에 기반 자료와 기술적 근거로 활용할 것으로 기대됨. 특히, 30평형 규모의 테스트베드 시공을 통해 축적된 시공 경험은 향후 3D 프린팅 장비를 활용한 무인 시공, 건설로봇과 협업 시공 등 스마트 건설시공 자동화에 필요한 기술인력 산정의 근거, 성능평가 개발에 대한 근거로 활용될 수 있을 것으로 예상됨
• 3D 프린팅 설계 지원을 위한 플랫폼은 BIM 정보의 STL 파일 변환이 원활히 되도록 구현되어 설계 사무소에서 활용이 가능하며, 대한건축학회 기술표준으로 제정된 “갠트리형 3D 콘크리트 프린팅 구조설계지침”은 실무 기준으로 활용이 가능함

• 제목 : 형태의 한계를 극복한 3D 프린팅 몰드와 두께 10mm 혁신적 UHPC를 이용한 비정형 프리폼 건축물 외장패널 설계ㆍ생산ㆍ시공 통합플랫폼 개발 최종보고서
• 저자 : (주)위시스테크놀로지; 세종대학교
• 발행처 : 국토교통부; 국토교통과학기술진흥원
• 출판년도 : 2024-05-31

• 제목 : 금속ㆍ비금속 3D프린팅 기반 항공기 부품ㆍ소재 및 인증체계 개발
• 저자 : 와이젠글로벌(주); 대한항공; 한국생산기술연구원
• 발행처 : 국토교통부; 국토교통과학기술진흥원
• 출판년도 : 2022-07-26

• 제목 : 흡음ㆍ난연 특성을 동시 부여한 열전도율 0.051 W/mㆍK 이하 건축용 단열재를 위한 3D 프린팅 소재ㆍ공정ㆍ구조 연동설계 시스템 기술 최종보고서(3D Printing System based Multi-performance Thermal Insulator
• 저자 : 성균관대학교 산학협력단
• 발행처 : 국토교통부; 국토교통과학기술진흥원
• 출판년도 : 2022-01-14

• 제목 : 비정형 공공시설물의 마감품질향상을 위한 재생 플라스틱용 3D프린팅 기술 개발 최종보고서
• 저자 : 순천향대학교 산학협력단; 지인디자인(주); ㈜종합건축사사무소 디에스그룹
• 발행처 : 국토교통부; 국토교통과학기술진흥원
• 출판년도 : 2021-03-04