적층 제조

3D 프린팅 건축을 가로막는 요인은 무엇인가?

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최근, 3D 프린팅 원리를 사용해 주택을 건설한다는 아이디어가 떠올랐습니다, 마치 기계 부품을 플라스틱이나 금속으로 3D 프린팅하는 방식과 유사합니다. 벽돌 쌓기와 같은 노동 집약적인 방법 대신, 자동화된 3D 프린팅 기계가 콘크리트 벽을 빠르게 조립할 수 있습니다.

이는 종종 주거와 건설의 미래로 제시되어 왔습니다. 그러나 실제로 3D 프린팅 건물은 아직 다소 호기심 수준에 머물며, 새로운 건설 표준 관행으로 자리 잡기엔 거리가 멉니다.

영국 응용학 대학(스리랑카), 인도 과학 연구소, 남부 퀸즐랜드 대학교(호주), 그리고 노섬브리아 대학교(영국) 연구진이 수행한 새로운 연구는 이 기술의 보다 넓은 채택을 방해하는 남은 장애물을 확인했습니다.

연구진은 3D 프린팅 전용으로 설계된 고급 콘크리트가 중요하며, 규제의 파편화가 대규모 상업적 적용을 저해하는 가장 큰 요인이라고 밝혔습니다.

그들은 Next Materials1에 연구 결과를 발표했으며, 제목은 “건설 분야 3D 프린팅: 재료, 방법, 응용 및 SAFE 성능 기준에 대한 종합 검토”입니다.

3D 건설: 프로토타입에서 상업 규모까지

지금까지 건설 분야에서 적층 제조(‘3D 프린팅’)의 사용에 관한 대부분의 리뷰는 재료나 기계적 특성에 초점을 맞추었습니다. 그러나 이는 규제 승인과 거주자 수용을 좌우하는 거주성 및 안전 특성을 간과한 것입니다.

따라서 보다 나은 평가를 위해 SAFE 성능 기준 프레임워크를 활용하는 것이 좋습니다:

  • (S) 구조 성능 지표.
  • (A) 음향.
  • (F) 내화성.
  • (E) 에너지 효율.

“이 다중 위험 관점은 신흥 ISO, EN 및 ASTM 표준이 새로운 건설 기술을 향해 나아가는 방향과 일치합니다”

이를 위해 연구진은 건설 3D 프린팅 기술을 다루는 과학 문헌을 수집하고, 각 SAFE 성능 기준과 교차 검토를 수행했습니다.

이는 빠르게 성장하는 연구 분야이며, 매년 이 분야에서 수행되는 연구가 늘어나고 있습니다.

학술 연구 외에도 건설 규모의 3D 프린팅 프로젝트가 늘어나고 있지만, 아직은 소규모 파일럿 테스트 수준에 머물고 있습니다. 주요 국가는 미국과 중국(30개 이상 프로젝트)이며, 그 다음으로 유럽 국가들(프랑스, 독일, 네덜란드), 아랍에미리트, 일본, 호주가 뒤를 잇습니다.

다양한 콘크리트 3D 프린팅 기술

종종 하나의 통일된 기술군으로 논의되지만, 건설용 3D 프린팅은 실제로 다양한 압출 방식과 재료를 사용하는 다채로운 기술들의 집합입니다.

가장 일반적인 것은 압출 기반 시스템이며, 이는 건설 규모 적층 제조를 지배합니다. 펌프 가능한 시멘트 혼합물은 고정 프레임(“Cartesian gantry”) 또는 다축 로봇 팔에 장착된 노즐을 통해 압출됩니다. Contour crafting은 노즐 옆에 장착된 트로웰링 윙을 통해 표면 마감을 추가합니다.

또 다른 방법은 파우더 베드 기반 시스템으로, 금속 3D 프린팅에 사용되는 파우더 베드와 유사합니다. 이는 전용 지지 구조 없이도 건설이 가능하게 하며, 느슨한 파우더가 필요한 지지를 제공합니다.

다음은 주입 콘크리트 3D 프린팅으로, 유동성 시멘트 재료를 맞춤형 지지 매체(유체 또는 겔 형태) 안에 주입합니다. 이는 공기 중에 층층이 적층하는 대신에 이루어집니다. 이 방식은 흐름성이 높은 혼합물을 사용하게 해 펌프 가용성이 향상되고 압출 압력 요구가 감소합니다.

마지막으로, 추가적인 철근 삽입 로봇이나 다중 재료 프린팅을 활용하는 하이브리드 3D 건설 방법도 존재합니다.

각 기술은 잠재력이 있지만, 대규모 적용에 실제로 준비된 것은 소수에 불과합니다. 일반적으로 시멘트 기반 시스템이 훨씬 더 준비가 잘 되어 있는데, 이는 기존 건설 산업의 공급망과 경험을 활용할 수 있기 때문입니다.

비교적으로, 지오폴리머, 점토 복합재, 혹은 대마-석회 복합재와 같은 다른 재료들은 친환경성이나 빠른 건조 측면에서 유망하지만, 아직은 실험 단계에 머물고 있습니다. 이러한 재료는 SAFE 프레임워크에서도 이상적이지 않을 수 있어 추가 처리가 필요합니다.

“대부분의 열가소성 플라스틱은 가연성이 높고 열 방출 속도가 빨라 화염 저항 코팅이나 PEEK와 같은 본질적으로 내화성 폴리머가 필요하다는 것이 화재 성능 측면에서 주요 제한 요소입니다.”

3D 건설의 SAFE 평가

구조적 성능

3D로 건축된 구조물의 구조적 성능을 살펴보면, 전통적인 방법과 달리 구조 응력 유형에 따라 매우 다른 성능이 나타나는 것을 알 수 있습니다.

“주조 콘크리트와 달리, 3D 프린팅 콘크리트(3DPC)는 층층이 적층되는 과정에서 고유한 이방성을 나타내며, 이는 방향에 따라 달라지는 기계적 특성과 층간 약점면으로 나타납니다.”

이는 건설 속도와 최대 높이에 엄격한 한계를 초래합니다. 이러한 이유로, 강철 바와 나노소재 보강을 결합한 방법이 인쇄된 부재에서 규정에 부합하는 연성 및 인장 강도를 달성하기 위한 가장 효과적인 접근법으로 보입니다.

구조적 성능의 또 다른 기준은 내구성으로, 콘크리트 건물은 수십 년 동안 크게 약화되지 않고 지속될 것으로 기대됩니다. 3D 프린팅은 전통적인 콘크리트 시공보다 공기 틈새와 다공성을 더 많이 유발할 위험이 있습니다.

“층간 인터페이스는 벌크 영역에 비해 공극 함량이 높고 가스 투과성이 증가하는 경향이 있어, 탄산화에 의한 부식, 염소 이온 침투 및 동결·융해 취약성에 대한 우려를 불러일으킵니다.”

이 문제를 해결하기 위해 여러 방법을 사용할 수 있습니다:

  • 조밀한 혼합 설계로 공극률 감소.
  • 가혹한 노출 환경에서 표면 실란트 적용.
  • 보조 시멘트 재료(예: 실리카 흄 또는 메타칼린)를 사용하여 공극 연결성을 감소시킵니다.

음향 성능

건물의 미래 사용자를 위한 중요한 기준 중 하나인 소리 전달은 EN ISO 16283과 같은 규정에서 중요하게 다루어집니다. 그러나 체계적인 문헌 검색에서 이 질문을 다룬 전용 논문이 20편 미만으로 확인되어, 3D 건설 방법의 개발과 실제 건설 규정 사이에 상대적인 괴리가 있음을 보여줍니다.

헴프 라임 콘크리트 또는 더 얇은 일반 포틀랜드 시멘트(OPC) 모르타르는 전통적인 방법에 비해 현저히 성능이 낮은 것으로 보입니다.

이 문제를 해결하기 위해 제안된 옵션으로는 바이오 기반 음향 패널을 인쇄 충전 층으로 활용하거나, 음향 메타머티리얼에서 영감을 얻은 주기적 공명 공동을 인쇄하는 것, 혹은 사십이면체 셀 및 미로형 채널 기하구조를 적용하는 것이 포함되지만, 이 모두가 프린팅 작업의 복잡성을 증가시킬 수 있습니다.

내화성

이 기준은 폴리머 기반 3D 프린팅에 치명적인 타격을 줄 수 있습니다. 이들은 본질적으로 더 가연성이 높을 뿐만 아니라, 연기 독성에 대해서도 충분히 이해되지 않고 있습니다.

“수정되지 않은 3D 프린팅 PLA는 복사 열 플럭스 하에서 빠른 점화와 지속적인 열 방출을 보이며, 난연제 배합, 팽창성 코팅 또는 세라믹 충전 대안 없이 구조용으로 허용되는 한계를 훨씬 초과합니다.”

그러나 폴리머 기반 3D 프린팅 부품을 제외하면, 다른 3D 프린팅 방식은 초고성능 콘크리트(UHPC)와 비교했을 때도 내화성에서 놀라울 정도로 좋은 성능을 보입니다.

실제로 문제가 될 수 있는 경우는 중공 섹션으로 프린팅된 부재이며, 이는 화재에 대한 취약성을 높일 수 있습니다. 중공 섹션을 경량 단열 콘크리트, 미네랄 울 또는 팽창성 폼으로 채우면 내화성을 허용 가능한 등급으로 회복시킬 수 있습니다.

에너지 효율성

기존 문헌에 따르면 3D 프린팅 건물은 열 단열 측면에서 UHPC보다 우수하며, 헴프 라임 혼합재와 같은 일부 재료는 EN 12524에 따른 에너지 효율적인 벽 조립에 필요한 값을 크게 초과하고, 심지어 일반적인 국가 건축 규정의 열 요구 사항도 충족합니다.

전통적인 현장 타설 방식에 비해 3D 프린팅 구조 부재의 재료 사용량이 35–60% 감소함에 따라, 이 방법은 시공 중에도 재료 및 에너지 효율이 더 높습니다.

하지만 프린팅 과정에서 압축기 시스템, 로봇 구동 장치 및 가열 장비로 인한 추가 에너지 수요가 발생하여, 에너지 믹스와 프린트 속도에 따라 순수 수명주기 이점을 10–25% 감소시킵니다.

또한, 재활용 골재를 활용한 최적화된 3D 콘크리트 프린팅은 기존 거푸집 시공에 비해 전체 수명주기 탄소 배출량을 최대 53.1% 감소시킵니다.

3D 건설의 미래

지금까지 주거용 주택, 특히 단독 주택이 콘크리트 또는 인접 재료를 이용한 3D 건설 기술의 현재 성숙도와 가장 잘 맞습니다. 비교적 가까운 분야로는 인프라 작업 및 재난 구호 적용도 있습니다.

건설 분야에서 3D 프린팅을 대규모로 도입하는 가장 큰 장애물은 조화된 표준, 규정 및 규제 프레임워크의 부재입니다. 이 기술은 다양한 하위 기술과 재료로 존재하기 때문에, 편안함, 안전성 및 구조적 무결성 측면에서 미래 성능을 사전에 평가하기 어렵습니다.

이 때문에 연구 저자들은 네 가지 SAFE 영역을 모두 대상으로 하는 조정된 다기관 표준 프로그램이 시급히 필요하다고 보고 있습니다.

특히 음향 성능에 관한 필요성이 절실한데, 이 주제는 거의 연구된 바가 없습니다.

건설 표준을 보다 명확히 하는 것 외에도, 업계는 몇 가지 다른 방향으로 나아가야 합니다:

  • 다중 재료 프린팅, 이는 단일 벽 조립 내에서 네 가지 SAFE 기준을 동시에 만족시킬 수 있는 가장 유망한 경로를 제공합니다. 그러나 다중 재료 압출에 대한 공정 제어는 아직 미숙하며 추가 연구개발이 필요합니다.
  • 순환 경제 통합을 혼합 설계 단계에서 활용하며, 이는 빠르게 진전되고 있어 100% 산업 부산물 대체를 가능하게 합니다.
  • 에너지 효율 예측을 건물 설계 단계에서 수행하면, 이는 견고한 상업적 근거가 될 수 있습니다.

3D 프린팅 건설에 대한 투자

CEMEX

CEMEX는 멕시코의 다국적 건축 자재 기업으로, 아메리카 전역에 강력한 입지를 가지고 있습니다. 1906년에 설립된 이 회사는 세계 최대 규모의 건축 자재 기업 중 하나로 성장했으며, 시멘트, 레디믹스 콘크리트, 골재 및 도시화 솔루션을 제조·유통하고 있습니다. 특히 Torres Rise의 건설에 참여했으며, 이는 라틴아메리카에서 가장 높은 484미터(1,588피트) 높이의 초고층 건물입니다.

출처: CEMEX

CEMEX의 핵심 사업은 시멘트와 레디믹스 생산이며, 미국과 멕시코가 주요 시장입니다. EMEA 지역(유럽, 중동, 아프리카)도 중요하고, 라틴아메리카 및 카리브해 섬 지역은 상대적으로 덜 중요합니다.

출처: CEMEX

전통적인 시멘트 분야에서의 강점을 바탕으로, CEMEX는 3D 프린팅 건설의 잠재력에도 대비하고 있습니다. 특히 투자했다 건설 프린터 제조업체 COBOD에, 이는 3D 프린팅 건물 분야의 선구자입니다.

“COBOD와 협력하여 CEMEX는 과거에 제공된 어느 것보다 뛰어난 3D 프린팅 건설 고객 경험을 개발했습니다. 우리의 혁신 노력은 더 나은 미래를 건설하는 데 기여하는 신기술의 최전선에 우리를 위치시킵니다.”

Gonzalo Galindo, CEMEX Ventures 책임자

COBOD와 CEMEX는 또한 D.fab라는 독점 혼합재 계열을 공동 개발했으며, 이를 통해 콘크리트가 즉시 형태를 갖출 수 있게 되었습니다.

이는 투자자들이 위험도가 높은 3D 프린팅 스타트업 대신, 지원되는 거래소와 수십억 달러 규모 기업의 강점을 통해 상장 시장 노출을 얻을 수 있는 옵션으로 CEMEX를 선택하게 합니다. 장기적으로 3D 프린팅 건설 기술이 상품화될 가능성도 있지만, 규제 승인을 받은 독점 특수 혼합재가 공급망에서 가치 있는 부분이 될 것입니다.

물론 이는 회사 주식의 수익률이 주요 사업의 운영 효율성과 밀접하게 연관될 것이며, 투자자들은 이를 깊이 이해하고자 할 것입니다.

CX 가격 차트

최신 CEMEX (CX) 주식 뉴스 및 개발

참조된 연구

1. Kajeenthan Kamalaseelan. 건설 분야 3D 프린팅: 재료, 방법, 적용 및 SAFE 성능 기준에 대한 포괄적 검토. Next Materials. 2026년 10월. 기사: 103494. 제13권. 10.1016/j.nxmate.2026.103494

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Jonathan은 유전 분석 및 임상 시험을 수행한 전직 생화학 연구원입니다. 그는 현재 주식 분석가이자 금융 작가이며, 혁신, 시장 주기 및 지정학에 초점을 맞춘 출판물 'The Eurasian Century'을 운영하고 있습니다.