Artec 검증 건축 자재를 통해 지속 가능한 미래를 엿보다

시멘트는 저렴하고 쉽게 만들 수 있어 인기가 매우 높습니다. 사실 시멘트는 물 외에 지구상에서 가장 많이 사용되는 자원입니다. 하지만 시멘트는 지구 온난화의 중요한 요인이기도 합니다.

건축용 콘크리트를 만들려면 먼저 석회석, 점토 및 기타 재료를 가마에서 소성하여 시멘트를 만들어야 하는데, 이는 많은 에너지가 소모되고 이산화탄소를 대량 배출하는 공정의 일부입니다. 원료 채굴, 운송 수단의 배기가스 배출, 콘크리트로 덮인 도시가 우리 건강에 미치는 영향까지 고려하면 시멘트는 이제 지구상에서 가장 큰 환경 오염원 중 하나입니다.

주요 업계 업체들이 탄소 포집이나 친환경 에너지를 통해 막대한 탄소 발자국에 대응하는 한편, 다른 업체들은 건설 분야에서 시멘트를 완전히 대체하기 위해 노력하고 있습니다.

짚, 대나무, 심지어 달걀 껍데기도 대안으로 고려되고 있습니다. 종종 폐기물을 줄이기 위해 실험용 재료도 3D 프린팅으로 제작하는 것이 제안되기도 합니다. 그러나 실험적 성공 사례는 차치하더라도 현대 건축의 핵심에서 시멘트가 갖는 역할을 없앤 것은 없습니다.

설탕, 우리의 달콤한 환경 지킴이인가?

이 까다로운 문제를 해결하기 위한 가장 혁신적인 최신 접근 방식 중 하나가 University of East London(UEL)에서 연구되고 있습니다.

Tate & Lyle Sugars의 설탕 정제 전문가들과 함께 UEL 팀은 사탕수수 부산물을 기반으로 한 대체품을 개발하고 있습니다. '왜 사탕수수인가?'라고 질문하실 수도 있습니다.  공교롭게도 사탕수수는 세계에서 가장 많이 수확되는 작물입니다.

전 세계적으로 해마다 약 20억 톤의 사탕수수가 수확되고, 6억 톤의 줄기가 '버개스(bagasse)'라고 불리는 펄프 같은 덩어리로 으깨져 남습니다. 최근까지만 해도 대부분 폐기되었지만 점점 더 용도가 바뀌고 있습니다. 일반적으로 이 물질은 바이오연료로 재사용되지만, UEL 팀은 이 물질이 건축용으로도 사용될 수 있을 것으로 보고 있습니다.

Sugarcrete® 블록 가압 성형 공정 클로즈업. 크로마포토그래피(Chromaphotography, 색채 사진술) 사진, UEL 제공

이러한 잠재력을 실현하기 위해 이 팀은 벽돌보다 4~5배 가볍고 탄소 발자국이 15~20% 적은 재료를 개발했습니다. 하지만 팀은 Sugarcrete®라는 이름을 붙인 배합으로 벽돌을 만드는 대신 Grimshaw의 건축가들과 협력하여 1699년의 설계를 되살려냈습니다.

그해 프랑스 건축가 Joseph Abeille은 연동 슬래브로 구성된 건식 조립형 평면 궁륭(vault)을 도입하여 표면 전체에 하중을 골고루 전달할 수 있도록 했습니다. 팀이 개선한 설계는 이제 포스트텐션(post-tensioned) 주변 이음보를 사용하여 강철 의존도를 최대 90%까지 줄여 친환경 인프라를 위한 이상적인 기반이 되었습니다.

하지만 Sugarcrete® 블록을 가압 성형하기 시작하면서 UEL 연구원들은 심각한 수축 문제를 겪게 되었습니다. 건설 업계는 규제가 매우 엄격하기 때문에 팀은 이를 측정하고 정량화하여 해결할 방법이 필요했습니다. 그 답은 바로 고속의 정밀 Artec 3D 스캐닝으로 가속화되고 검증된 고유한 R&D 프로세스였습니다.

UEL의 ''Fab Lab''에서의 디지털화

Sugarcrete® 팀에게는 다행스럽게도 UEL에는 이제 Artec Eva Lite, Artec Eva, Artec Space Spider 및 Artec Leo등의 디지털화 도구를 갖춘 Digital Fabrication Lab가 있습니다.

Sugarcrete® 개발 팀. 크로마포토그래피 사진, UEL 제공

2006년부터 Artec 골드 인증 파트너인 Patrick Thorn & Co.는 UEL이 몇 대의 밀링 머신에서 업계에 적합한 시설로 확장하는 데 도움을 주었으며, 그 과정에서 사용 방법 등에 대한 교육을 제공했습니다. 이 Fab Lab에 설치된 장치를 통해 학생들은 이미 예술부터 야외 환경까지 모든 것을 디지털화하여 모니터링하는 동시에 뛰어난 결과물을 얻을 수 있다는 것을 알게 되었습니다.

이번 경우 개발자들은 업계 최초의 무선 Artec Leo를 사용하여 Sugarcrete® 프로토타입을 평가했습니다. Leo는 케이블이 없고 디스플레이가 내장되어 있어 기동성이 뛰어나고 초보자도 쉽게 사용할 수 있습니다. 또한 이 장치는 정확도와 정밀도가 매우 높아서 개발자들은 각 블록의 정확한 수축을 파악하고 개선된 해결책을 찾아낼 수 있었습니다.

함께 끼워지는 Sugarcrete® 빌딩 블록. 크로마포토그래피 사진, UEL 제공

UEL의 Sustainability Research Institute(지속 가능성 연구소) 공동 소장인 Alan Chandler는"우리는 시멘트보다 탄소가 적은 표준 건축 자재인 석회를 사용했습니다. 하지만 그것은 수분을 함유하고 있어 수축하는 경향이 있습니다. "이제 우리는 혼합물을 '유리화' 하여 변형을 줄이고 압축 강도를 높이는 물 없는 실리콘 바인더를 사용합니다."라고 설명합니다.

"완성된 재료를 캡처할 수 있다는 점이 특히 유용했습니다. 우리는 Artec Leo를 사용하여 Sugarcrete® 슬래브가 어떻게 향상된 특성을 가질 수 있는지 입증했습니다."

이론에서 현실로 구축

Artec Studio는 또한 Sugarcrete® 프로젝트의 성공에 핵심적인 역할을 했습니다. 팀의 학생들은 많은 수동 데이터 처리 단계를 자동화하는 Autopilot 등의 기능을 사용하여 스캔을 매우 세밀한 3D 메시로 빠르고 쉽게 변환할 수 있었습니다. Artec Studio와 SOLIDWORKS의 긴밀한 통합으로 scan-to-CAD 프로세스도 간단해졌습니다.

직접 메시 내보내기 기능을 사용하면 클릭 한 번으로 파일을 SOLIDWORKS로 보낼 수 있습니다. 팀은 궁극적으로 100개가 넘는 블록 메시를 CAD 모델로 전환해야 했기 때문에 이 통합으로 시간을 많이 절약할 수 있었습니다. Chandler는 이것이 표본 간의 '차이점을 파악'하고 일반화를 피하며 순전히 우연으로 인한 결함을 배제하는 데 중요하다고 말했습니다.

최종 설계의 3D 모델과 완전한 Sugarcrete® 슬래브. 크로마포토그래피 사진, UEL 제공

이 팀은 Tate & Lyle Sugars와 협력하여 설탕 생산 분야에서 응용 기회를 파악하면서 Artec 3D 스캐닝이 이제 설계 최적화, 성능 모델링 및 수명 주기 분석(LCA)에서 UEL의 Sustainability Research Institute(지속 가능성 연구소)가 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있다고 덧붙였습니다.

Chandler는 "블록 수축 측정은 더 이상 이론적인 작업이 아니라 실용적인 작업이 되었습니다. 컴퓨터로 하중 경로를 예측할 수 있지만 디지털화하여 변수를 살펴보는 것이 훨씬 더 쉽습니다. 우리는 3D 스캐닝을 통해 LCA를 건물 성능과 설계에 연결할 수 있기를 원합니다. 단순히 좋아 보이는 데이터가 아니라 좋은 결과를 내는 것이 중요합니다."라고 결론지었습니다.

"우리는 이론적인 수준을 넘어서야 했습니다. 매우 정확한 Artec 3D 스캐닝을 사용하여 우리의 접근 방식을 평가할 수 있게 되면서 블록이 실제로 어떻게 작용하는지 확인할 수 있었습니다."

자세히 알아보고 싶은가요? 여기에서 전체 Sugarcrete 프로젝트 내역을 읽을 수 있습니다.