건축에서는 새로운 재료가 거의 등장하지 않는다.

수세기 동안 목재, 벽돌 및 콘크리트는 지구상 대부분의 구조물의 기초를 형성했다.

1880년대에 강철 프레임의 채택은 건축을 영원히 바꿔 놓았다. 강철 덕분에 건축가는 더 큰 창문이 있는 더 높은 건물을 설계할 수 있었고, 오늘날 도시 스카이라인을 정의하는 고층 건물이 생겨났다.

 

산업 혁명 이후 건축 자재는 주로 대량 생산되는 요소에 국한되었다. 강철 빔에서 합판 패널에 이르기까지 이 표준화된 부품 키트는 150년 이상 건물의 설계 및 시공에 정보를 제공했다.

그것은 "대규모 적층 제조"라고 불리는 것의 발전으로 곧 바뀔 수 있다. 강철 프레임을 채택한 이후로 건물이 구상되고 건축되는 방식을 변화시킬 만큼 많은 잠재력을 가진 개발이 이루어지지 않았다.

 

데스크톱 3D 프린팅과 같은 대규모 적층 제조에는 한 번에 한 층씩 객체를 만드는 작업이 포함된다. 점토, 콘크리트, 플라스틱 등 인쇄 재료는 유체 상태로 압출되어 최종 형태로 굳어진다.

테네시 대학의 스마트 구조 연구소 소장은 이 새로운 기술을 배포하는 일련의 프로젝트에 참여했다.

광범위한 채택에 대한 일부 장애물이 여전히 존재하지만, 자연의 기하학에서 영감을 받은 형태로 건물이 전적으로 재활용 재료 또는 현장에서 조달된 재료로 건축되는 미래를 예견할 수 있다.

 

유망한 프로토타입

그 중에는 광범위한 소비자 제품에 사용되는 일반 플라스틱인 재활용 ABS 폴리머로 인쇄된 야외 구조물인 트릴리움 파빌리온(Trillium Pavilion)이 있다.

구조의 얇은 이중 곡선 표면은 이름을 딴 꽃의 꽃잎에서 영감을 받았다. 이 프로젝트는 학생들이 디자인하고 Loci Robotics에서 인쇄했으며 녹스빌의 체로키 농장에 있는 테네시 대학교 리서치 파크에 건설되었다.

대규모 적층 제조의 다른 최근 사례로는 Mario Cucinella Architects가 설계하고 이탈리아의 작은 마을인 마사 롬바르다에서 인쇄한 450제곱피트(41.8제곱미터)의 프로토타입 주택인 Tecla가 있다.

Tecla는 현지에서 조달한 점토로 지어졌다. 이미지: WASP

 

건축가들은 지역 강에서 가져온 점토로 Tecla를 인쇄했다. 이 저렴한 재료와 방사형 기하학의 독특한 조합은 대체 하우징의 에너지 효율적인 형태를 만들었다.

미국으로 돌아가서 건축 회사인 Lake Flato는 건설 기술 회사인 ICON과 협력하여 텍사스 오스틴에 있는 "House Zero"라는 주택의 콘크리트 외벽을 프린트했다.

2,000제곱피트(185.8제곱미터) 규모의 이 주택은 3D 프린팅 콘크리트의 속도와 효율성을 보여주며, 이 구조는 곡선형 벽과 노출된 목재 프레임 사이의 즐거운 대조를 보여준다.

계획 과정

대규모 적층 제조에는 디지털 설계, 디지털 제조 및 재료 과학의 세 가지 지식 영역이 포함된다.

 

먼저 건축가는 인쇄할 모든 구성 요소의 컴퓨터 모델을 만든다. 그런 다음 이러한 설계자는 소프트웨어를 사용하여 구성 요소가 구조적 힘에 어떻게 반응하는지 테스트하고 그에 따라 구성 요소를 조정할 수 있다. 이러한 도구는 디자이너가 구성 요소의 무게를 줄이고 인쇄 전에 복잡한 기하학적 교차점을 매끄럽게 하는 것과 같은 특정 디자인 프로세스를 자동화하는 방법을 파악하는 데 도움이 될 수 있다.

그런 다음 슬라이서로 알려진 소프트웨어가 컴퓨터 모델을 3D 프린터용 지침 세트로 변환한다.

 

3D 프린터는 상대적으로 작은 규모에서 작동한다고 가정할 수 있다. 휴대폰 케이스와 칫솔 홀더를 생각해 보면 된다.

그러나 3D 프린팅 기술의 발전으로 하드웨어가 크게 확장되었다. 때로는 데스크톱 3D 프린터와 유사한 슬라이딩 레일의 직사각형 프레임워크인 갠트리 기반 시스템을 통해 인쇄가 이루어진다. 어느 방향으로든 인쇄할 수 있는 능력 때문에 로봇 팔이 점점 더 많이 사용되고 있다.

인쇄 사이트도 다를 수 있다. 가구와 소형 부품은 공장에서 인쇄할 수 있지만 집 전체는 현장에서 인쇄해야 한다.

대규모 적층 제조에 다양한 재료를 사용할 수 있다. 콘크리트는 친숙함과 내구성으로 인해 대중적인 선택이다. 점토는 Tecla의 설계자가 현장에서 수확할 수 있기 때문에 흥미로운 대안이다.

그러나 플라스틱과 폴리머는 가장 광범위한 응용 분야를 가질 수 있다. 이러한 재료는 놀라울 정도로 다재다능하며 광범위한 특정 구조 및 미적 요구 사항을 충족하는 방식으로 공식화할 수 있다. 또한 재활용 및 유기적으로 파생된 재료로 생산할 수도 있다.

 

자연으로부터의 영감

적층 제조는 특정 구성요소를 만드는 데 필요한 재료와 에너지만 사용하여 층층이 쌓이기 때문에 나무에서 목재 빔을 밀링하는 것과 같이 과도한 재료를 잘라내는 "절감 방법"보다 훨씬 효율적인 제작 프로세스이다.

추가 거푸집이나 틀이 필요하지 않기 때문에 콘크리트 및 플라스틱과 같은 일반적인 재료도 3D 프린팅의 이점을 누릴 수 있다.

오늘날 대부분의 건축 자재는 동일한 부품을 생산하도록 설계된 조립 라인에서 대량 생산된다. 비용을 줄이면서 이 프로세스는 맞춤화할 여지가 거의 없다.

툴링, 형태 또는 다이가 필요하지 않기 때문에 대규모 적층 제조를 통해 각 부품이 고유할 수 있으며 추가 복잡성 또는 사용자 지정에 대한 시간 페널티가 없다.

대규모 적층 제조의 또 다른 흥미로운 기능은 내부 공극이 있는 복잡한 구성 요소를 생산할 수 있다는 것이다. 이렇게 하면 언젠가는 도관이나 덕트가 이미 설치된 상태에서 벽을 인쇄할 수 있다.

 

또한 창문, 단열재, 구조 보강, 심지어 배선까지도 하나의 인쇄 부품으로 완전히 통합할 수 있는 기술인 다중 재료 3D 프린팅의 가능성을 탐색하기 위한 연구가 진행되고 있다.

가장 흥분시키는 적층 제조의 측면 중 하나는 천천히 경화되는 재료로 층층이 건물을 짓는 방식이 껍질 형성과 같은 자연적인 과정을 반영하는 방식이다.

이것은 기회의 창을 열어 설계자가 다른 구성 방법을 사용하여 생성하기 어렵지만 본질적으로 일반적인 형상을 구현할 수 있도록 한다.

새 뼈의 미세한 구조에서 영감을 얻은 구조 프레임은 가해지는 힘을 반영하는 다양한 크기의 튜브로 된 가벼운 격자를 만들 수 있다. 식물의 잎 모양을 연상시키는 파사드는 건물에 차광을 가하는 동시에 태양광 발전을 생산하도록 설계될 수 있다.

 

학습 곡선 극복

대규모 적층 제조의 많은 긍정적인 측면에도 불구하고 더 폭넓은 채택을 가로막는 여러 가지 장애물이 있다.

아마도 극복해야 할 가장 큰 것은 참신함일 것이다. 강철, 콘크리트, 목재와 같은 전통적인 건설 형태를 중심으로 구축된 전체 인프라가 있으며 여기에는 공급망과 건축법이 포함된다. 또한 디지털 제작 하드웨어의 비용은 상대적으로 높으며 이러한 새로운 재료로 작업하는 데 필요한 특정 설계 기술은 아직 널리 가르쳐지지 않았다.

건축 분야에서 3D 프린팅이 보다 널리 채택되기 위해서는 틈새 시장을 찾아야 한다. 워드 프로세싱이 데스크톱 컴퓨터의 대중화를 도왔던 것과 유사하게, 그것이 일반적인 사용으로 이어질 대규모 적층 제조의 특정 응용 프로그램이 될 것이다.

아마도 그것은 매우 효율적인 구조 프레임을 인쇄하는 능력이 될 것이다. 또한 수명이 다하면 재활용하고 다시 인쇄할 수 있는 독특한 조각 외관을 만들 수 있다는 약속도 이미 보았다.

어느 쪽이든, 몇 가지 요인의 조합이 미래의 건물이 어느 정도 3D 프린팅될 것임을 보장할 것 같다.

흰색 격자 건물 파사드. 중국 포산에 있는 3D 프린팅 파사드. 이미지: The Association for Computer Aided Design in Architecture