Extrusion Quality Control of 3D Printed Concrete Using Image-Based Evaluation of Rheological Properties = 영상 기반 유변물성 평가를 활용한 3D 프린팅 콘크리트의 토출 품질 제어 연구

국문 초록 (Abstract)

3D 콘크리트 프린팅(3DCP)의 성공적인 시공을 위하여 재료의 이송성, 토출성, 적층성을 동시에 확보해야 하며, 이를 위해 항복응력과 소성점도 등 유변학적 특성을 정량적으로 파악하는 것이 중요하다. 그러나 유변 물성을 측정할 수 있는 레오미터는 고가의 장비이며 운용 방식이 복잡하다. 그리고 유변 물성 측정값을 실제 프린팅 공정 조건과 직접적으로 연계하는 데 한계가 있다. 반면 Flow table test는 표준화된 절차와 단순한 장비 구성으로 인해 굳지 않은 콘크리트의 유동성을 평가하는 데 활용되지만, 일반적으로 시험 종료 시점의 최종 퍼짐값등 제한된 지표에 기반한 평가이기 때문에 3DCP 공정 및 재료 설계에 필요한 유변학적 거동을 충분히 반영하기엔 제한이 있다.
본 연구는 이러한 한계를 보완하기 위해, 영상 처리 기법을 통한 Flow table test와 Ram-extruder 시스템에서의 Slug test를 결합하여 유변 물성과 프린팅 공정 조건을 연계할 수 있는 평가 기법 체계를 구축하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 실리카 흄과 플라이애시를 포함한 시멘트 페이스트 배합에 대한 레오미터 시험을 수행하여 측정된 전단응력과 전단 속도를 빙햄 모델에 대입하여 항복응력과 소성점도를 산정하여 기준 유변물성으로 설정하였다.
Flow table test에서는 표준 시험 절차 낙하 횟수인 15-25회뿐만 아니라 재료의 유동성이 수렴하는 구간을 확인하기 위해 낙하 횟수를 100회까지 확장하여 시험을 진행하였다. 실험 과정을 상부에서 촬영한 뒤 영상을 HSV 색 공간으로 변환하여 임계값 설정, 형태학적 필터링, 윤곽 추출 과정을 통해 낙하 횟수별 퍼짐 직경 을 자동 계측하였다. 각 낙하 사이의 퍼짐 증가량 과 측정된 항복응력을 비교하였을 때 ≤ 0.40 mm/drop 이하로 감소할 때 가장 높은 상관관계를 가지며 이를 수렴 낙하 횟수로 정의하였다. 수렴 낙하 횟수가 클수록 항복응력이 큰 배합에 대응하는 일관된 경향을 확인하였다. 또한 유동 곡선을 1차 지수감쇠식 으로 근사하고 감쇠계수 를 유동 점도 지표로 정의하였다. 가 클수록 소성점도가 낮고 빠르게 수렴하며, 가 작을수록 소성점도가 높고 완만하게 퍼지는 특성이 나타났다.
Ram-extruder 기반 Slug test에서는 피스톤 재하 속도와 압력을 단계적으로 변화시키면서 토출 거동을 관찰하였다. 여러 배합에 대해 압력 단계별로 안정적인 연속 토출이 가능한 최대 재하 속도를 측정하였다. 그 결과, 동일 압력에서는 항복응력이 증가할수록 허용 재하 속도가 감소하였으며, 압력을 증가시키면 허용 재하 속도는 증가하면서 증가폭이 점차 비선형으로 줄어드는 경향이 공통적으로 나타났다.
종합적으로, 본 연구는 레오미터로 측정한 유변물성과 영상 처리 기반 Flow table 유동 곡선 그리고 Slug test에서 얻은 압력과 재하 속도를 연계함으로써, 동적 유동 곡선과 토출 재하 속도에 기반한 지표를 제시하였다. 이를 통해 고가의 레오미터만으로는 얻기 어려웠던 유변 물성과 압출 공정 간의 상관관계를 확보할 수 있었으며, 향후 3DCP 재료 배합 설계 시 Flow table test 및 Slug test으로도 프린팅 적합성을 판단하고, 공정 조건을 데이터 기반으로 조정할 수 있는 기준을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1 INTRODUCTION 1
• 1.1 Research background 1
• 1.2 Research objectives 4
• 1.3 Literature review 6
• 1.3.1 Evaluation of rheological properties using off-line tests 6
• 1.3.2 Assessment of concrete workability using computer vision techniques 8
• 1.4 Thesis organization 11
• CHAPTER 2 THEORETICAL BACKGROUND 13
• 2.1 Overview of 3DCP technology 13
• 2.1.1 Types of material extuder systems 13
• 2.1.2 Motion systems for 3DCP 16
• 2.2 Fresh concrete rheology models 21
• 2.2.1 Rheology of fresh concrete 21
• 2.2.2 Bingham and HerschelBulkley models 23
• 2.2.3 Rheological parameters and 3DCP processes 24
• 2.3 Rheological parameter and process characteristics in 3DCP 27
• 2.3.1 Concept of printability 27
• 2.3.2 Flow mechanisms in pumps and nozzles 29
• 2.3.3 Buildability 33
• 2.3.4 Extrudability 35
• CHAPTER 3 EXPERIMENTAL METHODS 38
• 3.1 Materials and mix design 38
• 3.2 3D Printer 41
• 3.3 Measurement of rheological properties using a rheometer 44
• 3.4 Image based analysis method for the flow table test 44
• 3.4.1 Flow table test 44
• 3.4.2 Image based measurement of spread diameter in the flow table test 45
• 3.5 Evaluation of extrudability using the Slug test 51
• CHAPTER 4 EXPERIMENTAL RESULTS 53
• 4.1 Rheometer test results and determination of rheological properties 53
• 4.2 Flow table test results obtained by image processing 54
• 4.3 Correlation analysis of flow curves from the flow table test and rheological properties 59
• 4.3.1 Sensitivity analysis for yield stress 59
• 4.3.2 Sensitivity analysis for plastic viscosity 63
• 4.4 Printing extrusion performance evaluated by the Slug test 66
• CHAPTER 5 CONCLUSIONS AND DISCUSSION 70
• 5.1 Conclusions 70
• 5.2 Discussion and future work 73
• References 76
• Abstract 83