2.1 수치 해석 기반 3DCP 가상 해석 모델

3D 콘크리트 프린팅 공정은 노즐로부터 토출된 재료가 자유면을 형성하며 기초면 위에 연속적으로 적층되는 과정으로 이루어진다. 본 연구에서는 이러한 유동 및 적층 거동을 모사하기 위하여 선행 연구에서 제안한 상용 해석 프로그램 FLOW-3D를 이용하는 CFD 기반 3DCP 가상 해석 모델을 바탕으로 해석 모델을 구성하였다^{(Comminal et al. 2020)}. 해석 대상인 모르타르는 비압축성 비뉴턴 유체로 가정하였으며, 유동 해석은 나비에-스토크스 방정식을 기반으로 수행하였다.

굳지 않은 모르타르의 항복 전후 거동을 반영하기 위하여 Fig. 1에 나타낸 EVP 모델(Elastic-Visco-Plasticity model)을 적용하였다. 그림에서, $\eta_p$는 소성 점도(plastic viscosity), $G$는 전단 탄성 계수(shear modulus), $\sigma_Y$는 항복응력(yield stress)을 나타낸다. 이처럼 EVP 모델은 점성, 탄성, 항복 거동을 함께 고려할 수 있어 노즐 토출, 기초면 접촉 및 적층 과정에서의 재료 거동을 연속적으로 표현하는 데 적합하다.

다만 기존 기본 모델은 해석 전 과정에서 초기 물성이 일정하게 유지되는 고정 물성 기반 모델이므로, 시간 경과에 따른 재료 특성 변화를 반영하는 데에는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 항복응력을 시간 의존적으로 갱신되는 주요 변수로 설정하고, 이를 기준 모델에 반영함으로써 적층 과정에서 변화하는 재료 거동을 모사할 수 있도록 확장하였다.

Fig. 1 Elastic-Visco-Plastic (EVP) model

2.2 시간 의존적 물성 변화의 개념적 모델링

노즐로부터 토출된 모르타르는 초기에는 유동성이 지배적인 상태에 있으나, 시간이 경과함에 따라 점차 항복응력과 점도 등이 증가하는 유동성이 낮은 상태로 변화한다^{(Wang et al. 2021)}. 특히 3DCP에서 적층 안정성은 토출 직후 재료의 유동성뿐만 아니라, 적층 이후 하부층이 상부층 하중을 지지할 수 있는 구조 형성 능력과 밀접하게 관련된다^{(Roussel 2018)}. 기존 CFD 기반 3DCP 해석 연구에서는 노즐 토출, 자유면 형성 및 적층 형상을 연속체 유동 문제로 다루어 왔으며^{(Comminal et al. 2020)}, 최근에는 적층된 레이어의 안정성 평가를 위해 시간 경과에 따른 항복응력 증가를 해석 변수로 고려하는 연구도 보고되고 있다^{(Mollah et al. 2023)}. 이러한 선행연구를 바탕으로, 본 연구에서는 시간 경과에 따른 3DCP의 구조 형성 과정을 직접적인 수화반응 해석이 아닌 내부 상태 변수 기반의 물성 갱신 문제로 단순화하였다.

아래 Fig. 2와 같이, 굳지 않은 모르타르를 일정한 내부에너지를 갖는 유체 상태로 정의하고, 자유면에 노출된 이후 외기와의 열교환에 따라 내부에너지가 점진적으로 감소한다고 가정하였다. 이 과정은 모르타르가 초기 유동 상태에서 시간이 경과함에 따라 구조를 형성하고, 항복응력이 증가하면서 고체적 거동에 가까워지는 물리적 특성 변화를 의미한다. 본 연구에서는 내부에너지의 변화를 온도장 변화로 환산하였으며, 계산된 온도의 대응하는 상태에 따라 재료의 물성이 연속적으로 갱신되도록 구성하였다. 즉, 재료의 온도는 실제 열적 현상을 직접 재현하기 위한 물리량이라기보다, 시간 경과에 따른 재료의 물성 변화를 수치적으로 연결하기 위한 매개 변수로 사용되었다. 이러한 온도 관련 상태를 나타내는 매개변수를 $\kappa$로 정의하였으며, 이에 대한 상세한 설명은 다음 절에 소개한다.

이와 같은 모델링을 통해 해석 과정에서 재료는 시간 경과에 따라 점차 형상 유지 능력이 큰 상태로 변화하며, 하부층은 적층 후 경과 시간에 따라 더 큰 저항성을 갖도록 설정된다. 결과적으로 이러한 시간 의존적 물성 갱신은 상부층 적층 시 하부층의 변형 저항성에 반영되며, 기존 고정 물성 모델과의 비교를 통해 그 영향을 검토할 수 있도록 하였다.

Fig. 2 Conceptual illustration of internal energy loss and surface-driven material property evolution

2.3 해석 모델 조건

수치해석 모델은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 3층 적층, 층당 목표 적층 높이 20 mm를 구현할 수 있도록 가상 프린터 형상으로 구성하였다. 출력 길이는 총 160 mm로 설정하였고, 길이 방향으로 이동 후 다음 층 높이를 기준으로 초기 위치로 이동 후 다음 층을 출력하도록 Fig. 3과 같은 Pattern을 출력하였다. 이때 노즐 이동 속도는 2,000 mm/min로 설정하였다. 노즐의 크기는 25 mm로 설정하였고, 목표 출력 층간 높이는 20 mm를 만족하도록 하는 유량을 선정하였다. 최종적으로, 유량 63 mm/s으로 설정하였으며, 노즐에서 토출된 재료는 자유면에 노출되는 시점부터 시간 의존적 물성 변화가 시작되도록 하였다.

출력이 진행됨에 따라 적층되는 층에 의해 하부층은 자중을 전달받게 된다. 이를 모사하기 위해 콘크리트의 밀도를 2,100 kg/m³으로 설정하였다. 또한 토출된 재료는 노즐에 의해 눌린 상태로 출력이 진행되기 때문에 이에 따른 하중 역시 하부층이 받는 하중으로 고려할 수 있다.

전체 해석 도메인은 적층 구조가 충분히 포함되도록 Fig. 3의 도메인 크기인 230×60×62 mm로 설정하였으며, 계산 효율성과 공간 해상도를 함께 고려하여 2 mm의 동일 크기 직교 격자로 나누었다. 바닥면은 단열 벽면 조건으로 설정하여 바닥을 통한 열교환은 발생하지 않도록 하였고, 적층체의 상태 변화는 오직 유체와 외기 사이의 열교환에 의해 결정되도록 하였다. 바닥면을 제외한 나머지 경계면은 개방 경계로 설정하여 유체의 토출 및 자유면 거동을 방해하지 않도록 하였다.

해석에 사용한 외기 조건은 0 °C, 1기압으로 설정하였으며, 바람에 의한 강제대류는 고려하지 않았다. 초기 재료의 온도는 60 °C로 설정하였으며, 노즐에서 출력된 재료는 시간이 지남에 따라 온도가 낮아진다. 설정된 초기 온도는 실제의 온도 값과 관련 있기보다, 본 연구에서 분석하고자 하는 온도 변화에 따른 물성 변화 특성을 확인하기 위해 가정된 값이다. 이에 따라, 본 연구에서 프린팅 진행에 따른 물성 변화를 온도 매개변수(온도장) $\kappa$로 정의하였으며, 이는 재료 내부의 온도를 초기 온도로 나눈 값으로 정의하여 초기 조건의 영향이 적어질 수 있도록 하였다. 최종적으로 $\kappa$는 0과 1 사이의 값을 가지며, 초기 재료 토출 시 1의 값을 갖고 경화가 진행됨에 따라 0(외기 조건)으로 가까워진다. 이는 재료가 유체의 성질을 가지고 있는 정도와도 연결될 수 있으며, $\kappa$ 값이 0에 가까워질수록 고체의 특성을 갖는 경화된 재료로 볼 수 있어 항복응력의 크기는 커진다고 볼 수 있다.

기존의 상태 변화가 고려되지 않은 모델(기존 모델)과 본 연구에서 제안하는 모델(제안 모델)의 비교가 가능하도록 열전달 조건을 물성 변화가 없는 조건(Case 1, Reference), 물성 변화가 작은 조건(Case 2), 물성 변화가 큰 조건(Case 3)의 세 경우로 구분하였다. 이때 재료 표면과 외기 사이의 열교환 강도를 결정하는 대류계수를 변수로 사용하여, 시간 경과에 따른 온도 저하와 이에 따른 물성 변화의 크기를 조절하였다. 물성 변화가 없는 조건은 열전달과 물성 갱신을 고려하지 않는 기준 모델로 설정하였다.

반면 제안 모델에서는 물성 변화가 작은 조건(Case 2)에 500 W/m²/°C, 물성 변화가 큰 조건(Case 3)에 3,000 W/m²/°C의 대류계수를 적용하여, 열교환 수준에 따른 하부층 상태 변화와 적층 거동의 차이를 비교하였다. 다만 본 연구에서 사용한 대류계수는 실제 공기 중 자연대류 또는 강제대류 조건의 열전달계수를 직접적으로 대변하는 값이 아니며, 시멘트계 재료의 수화열 또는 응결 반응을 정량적으로 재현하기 위한 물리상수로 사용된 것도 아니다. 본 연구에서 대류계수는 정규화된 온도장 매개변수의 감소 속도를 조절하고, 이에 따라 시간 의존적 항복응력 증가 수준을 구분하기 위한 수치해석 입력 변수로 정의하였다. 따라서 Case 2와 Case 3는 각각 물성 변화가 상대적으로 작은 조건과 큰 조건을 나타내는 비교 조건으로 해석하는 것이 적절하며, 실제 재료 조건과의 정량적 대응을 위해서는 추후 시간별 유변학적 물성 측정 및 열전달 조건 보정이 필요하다.

지배방정식은 유한체적법을 이용하여 공간적으로 이산화하였고, 시간 적분에는 반암시적 방법을 적용하여 계산의 안정성과 수렴성을 확보하였다. 운동량 방정식의 이류항은 1차 상류차분으로 근사하였으며, 점성항 계산에는 Successive Under-Relaxation 기법을 적용하였다. 해석은 Linux 기반의 고성능 계산 환경에서 수행하였고, Intel Core i9-14900KF, 20코어 프로세서를 이용한 병렬 연산을 수행하였고, 해석 시간은 평균 약 6시간이었다.

Fig. 3 3D printing path setting and CFD model example

2.4 시간의존적 재료 입력변수 결정

EVP 모델에 사용된 재료의 초기 물성치는 Table 1과 같다. 소성 점도와 전단 탄성 계수는 기존 CFD 기반 3DCP 해석 모델에서 적용된 재료 물성 범위와 본 연구진이 보유한 3DCP용 모르타르 배합의 출력 가능 조건을 참고하여 설정하였다. 본 연구의 목적은 시간 경과에 따른 항복응력 증가가 적층 형상 및 하부층 변형에 미치는 영향을 검토하는 것이므로, 실제 시멘트계 재료에서는 시간 경과에 따라 점도와 강성도 함께 변화할 수 있음에도 불구하고 점도와 전단 탄성 계수는 해석 전 과정에서 고정값으로 적용하였다^{(Roussel 2018)}.

본 연구에서 사용한 항복응력은 노즐 내부 또는 이송 과정에서 지속적인 전단을 받는 상태의 동적 항복응력이 아니라, 토출 이후 전단 이력이 감소한 재료가 시간 경과에 따라 구조를 형성하면서 하부층 하중 지지 능력을 확보하는 과정을 나타내는 정적 항복응력으로 정의하였다. 따라서 Table 1의 항복응력 범위는 적층 이후 재료의 구조 형성에 따른 정적 항복응력 증가 범위를 의미한다. 재료의 적층성에 직접적으로 관련된 항복응력 값은 앞서 정의한 바와 같이 3DCP 구조물의 출력 시간에 따른 온도장 변화($\kappa$)와 연관되어 시간에 따른 경화 특성이 반영될 수 있도록 하였다.

경화 특성이 고려된 적층 모델의 항복응력 입력값은 Fig. 4와 같이 설정하였다. 각각의 물성 변화 조건(Case 1, 2, 3)에 대하여 온도 매개변수-항복응력 간 상관관계 및 출력 시간-항복응력 관계를 그림과 같이 나타내었다. 본 연구에서 사용한 물성값은 선행 연구^{(Park 2026)}에서 보고된 3DCP용 모르타르의 항복응력 범위를 참고하여 설정하였다. 선행연구에서는 배합 이후 시간에 따른 항복응력에 대한 평가를 수행하였으며, 5분 단위로 측정한 항복강도를 기반으로 시간-항복응력 경험식을 확인하였다.

결과적으로, 실험 출력 직후 800 Pa 및 충분한 시간이 지나 경화가 완료된 시점에는 8,000 Pa의 항복응력 범위를 갖는 것으로 결정하였다. 출력 및 적층이 진행되는 동안에는 출력 후 외기와의 열교환 등에 의해 연속적으로 달라지는 온도장의 값을 바탕으로 항복응력이 산정될 수 있도록 설정하여 매 스탭별 해석에 사용되는 재료 물성을 업데이트하였다. 초기 재료 토출 시에는 $\kappa$가 1이며, 그에 따른 항복응력으로 800 Pa 값이 부여되며, 시간이 지남에 따라 온도장이 0으로 가까워지며 항복응력은 최대값으로 수렴하게 된다.

재료 물성의 변화가 고려되지 않은 Case 1의 경우에는 출력 직후의 항복 응력(800 Pa)이 적층 과정에서 모두 동일하다고 가정하였다. Case 2의 경우, 한 층의 레이어가 적층되는 동안 경화가 진행되어 초기 위치에서의 재료는 약 1,143 Pa의 항복응력에 도달하고 시간이 지남에 따라 Fig. 4에 제시된 온도장-항복응력 관계식에 따라 항복응력이 증가하도록 설정하였다. 다만 Fig. 4에 나타난 바와 같이, Case 3에서 한 층의 출력 시간 동안 항복응력이 약 3,189 Pa까지 증가하도록 설정한 것은 특정 시멘트계 재료의 실제 수화반응 속도 또는 응결 시간을 정량적으로 재현한 결과라기보다, 시간 의존적 물성 변화가 적층 안정성에 미치는 영향을 검토하기 위한 상대적으로 큰 물성 변화 조건에 해당한다. 실제 3DCP용 모르타르의 구조 형성 속도는 배합, 혼화제 사용량, 온도 조건, 전단 이력 및 층간 시간 간격에 따라 크게 달라질 수 있다. 따라서 본 연구의 Case 2와 Case 3는 실제 재료의 절대적인 경화 속도를 의미하기보다, 동일한 해석 조건에서 물성 변화 수준에 따른 적층 형상 및 하부층 변형 차이를 비교하기 위한 해석 변수로 해석하는 것이 적절하다. 시간에 따른 물성 변화는 실제 실험을 기반으로 결정된 관계식을 바탕으로 결정되었으나, 재료 물성 변화 정도에 대한 수준은 시간 의존적 물성 변화 개념을 해석 모델에 반영하기 위한 예시 조건으로 사용되었다.

이러한 시간 의존적 재료 물성을 고려한 적층 시뮬레이션을 수행함으로써 3DCP의 적층 해석 중 각 위치의 재료는 토출된 이후 경과 시간에 따라 서로 다른 물성을 갖게 되며, 그 결과 동일한 재료라 하더라도 적층 시점에 따라 상이한 재료 특성을 나타내도록 하였다. 반면 기존 모델에서는 초기 항복응력이 해석 전 과정에서 일정하게 유지되도록 하여, 시간 의존적 물성 변화의 반영 여부에 따른 차이를 명확하게 비교할 수 있도록 하였다.

Fig. 4 Procedure for determining material property input parameters

2.5 해석 결과 비교 및 해석 방법

본 연구에서는 제안한 확장 모델의 유효성을 검토하기 위하여, 시간에 따른 물성 경화 특성이 포함되지 않은 기존 고정 물성 모델과 경화 특성이 고려된 제안 모델의 해석 결과를 비교하였다. 비교는 동일한 형상, 동일한 경계조건 및 동일한 프린팅 조건에서 수행하였으며, 두 모델 간 차이는 재료 물성의 시간 의존적 변화 고려 여부에만 두었다.

비교 항목은 적층 후 형상 유지 특성, 하부층의 변형 정도, 적층 안정성, 그리고 층별 거동 차이를 중심으로 설정하였다. 해석 결과는 MATLAB을 이용하여 단면 형상을 후처리하고 시각화하였다. 조건별 비교 단면은 길이 방향 중앙 단면을 기준으로 하였다. 기준 단면의 적층 층수 증가에 따른 1층 폭의 변화를 비교하여 하부층의 측 방향 변형 정도를 평가하였으며, 동일 단면에서 전체 높이를 측정하여 목표 출력 높이 대비 적층 형상의 유지 정도를 검토하였다. 추가 분석으로 초기 토출부 단면을 검토하여, 열전달 조건에 따른 초기 단면 형상과 적층 거동의 차이를 분석하였다. 이를 통해 시간 의존적 물성 변화가 반영되지 않는 기존 모델과 재료 물성이 연속적으로 갱신되는 확장 모델 사이에서 나타나는 변형 양상과 적층 거동의 차이를 확인하였다.

3.1 물성 변화가 없는 기존 모델(Case 1)

열전달 및 시간 의존적 물성 변화가 고려되지 않은 기존 모델의 해석 결과는 Fig. 5와 같다. 3층 적층 해석 결과, 목표 적층 높이 60 mm에 대하여 최종 높이가 56.09 mm로 나타나 약 4 mm, 즉 약 6 % 수준의 과소 적층이 발생하였다. 또한 1층 폭은 1층 적층 직후 55.3 mm였으나 3층 적층 후 58.7 mm로 증가하여 하부층의 측 방향 확장 거동이 확인되었다. 이는 적층이 진행되는 동안 하부층의 경화가 발생하지 않고 그에 따라 항복응력이 증가하지 않아, 상부층의 자중과 토출압을 충분히 지지하지 못하였기 때문이다. 그 결과 하부층의 횡 방향 유동과 상부층의 침하가 동시에 발생한 것으로 해석된다.

Fig. 5 Three-layer printing result with constant material property (Case 1)

3.2 물성 변화가 고려된 제안 모델(Case 2, 3)

확장 모델은 열전달 수준에 따라 물성 변화가 작은 조건과 큰 조건의 두 가지 조건으로 구분하여 검토하였다. 물성 변화가 작은 조건(Case 2)에서는 층 이동 시간 동안 제한적인 열 유출이 발생하여 하부층 외곽을 중심으로 물성 변화가 진행되었다(Fig. 6). 그 결과 3층 적층 후 전체 높이는 59.0 mm, 1층 폭은 55.0 mm 수준으로 유지됨을 확인하였다. 물성 변화, 즉 경화 특성이 고려되지 않은 기존 모델에서는 높이 56 mm, 폭 58.7 mm로 확인된 것과 비교하였을 때, 기존 모델에서 나타난 적층 과정에서 항복응력 및 적층성 부족으로 인한 횡 방향 확장이 대부분 억제되었다.

반면, 물성 변화가 큰 Case 3에서는 층 이동 시간 동안 보다 큰 열 유출 조건이 부여되면서 하부층 외곽을 따라 저온 영역이 뚜렷하게 발달하는 것이 확인되었다(Fig. 7). 온도장 해석 결과와 같이 외곽부가 우선적으로 경화되고 내부는 상대적으로 연한 상태를 유지하는 구조가 형성되었으며, 최종 적층 단계에서는 각 층의 외곽을 따라 저온 띠가 반복적으로 분포하여 층상 구조가 더욱 선명하게 나타났다.

단면 비교 결과, 물성 변화가 작은 조건에서의 형상 특성과 크게 다르지 않았다. 하부층 항복응력이 더욱 빠르게 증가하기는 하나, 3층 적층 후 전체 높이는 59.0 mm로 유지되었다. 1층 폭도 54.9 mm에서 55.0 mm 수준으로 거의 변화하지 않음을 확인하였다.

Fig. 6 Three-layer printing result with minor property change (Case 2)

Fig. 7 Three-layer printing result with significant property change (Case 3)

3.3 기존 모델과 확장 모델의 비교

세 조건을 비교하면, 물성 변화가 없는 경우, 물성 변화가 작은 경우, 물성 변화가 큰 경우의 순으로 적층성이 점진적으로 향상되는 경향이 Table 2에서 확인된다. 먼저 3층 적층 후 전체 높이는 각각 56.09 mm, 59.0 mm, 59.0 mm로 나타나, 열전달 기반 물성 변화를 고려한 두 제안 모델 모두 기존 모델보다 약 5.2 % 높은 적층 높이를 유지하였다. 이는 목표 높이 대비 3 % 내로 차이 나는 결과로, 하부층의 적층 성능이 충분히 확보되었다고 볼 수 있다.

또한 1층 폭은 물성 변화가 없는 경우 적층이 진행됨에 따라 55.3 mm에서 58.7 mm로 증가한 반면, 물성 변화가 작은 경우와 물성 변화가 큰 경우에는 각각 54.8 mm에서 55.0 mm, 54.9 mm에서 55.0 mm로 거의 일정하게 유지되었다. 이는 확장 모델에서 시간 경과에 따른 항복응력 증가가 하부층의 측 방향 유동을 효과적으로 억제하였음을 의미한다.

추가로 Fig. 8에 나타낸 세 조건의 초기 토출부의 단면 특성을 겹친 Fig. 9와 단면 분석 결과를 Table 3에 정리하였다. 그 결과 앞선 중앙 단면 비교 결과와 유사한 경향이 확인되었다. 전체 높이는 물성 변화가 없는 경우, 물성 변화가 작은 경우, 물성 변화가 큰 경우의 순으로 50.9, 53.9, 54.9 mm로 증가하였고, 1층 높이 역시 10.2, 11.2, 14.2 mm로 증가하였다. 반면 1층 폭은 53.9, 43.8, 38.6 mm로 감소하여, 물성 변화의 정도가 커질수록 재료가 수평 방향으로 퍼지기보다 수직 방향으로 적층되는 경향이 강화되었다. 좌우 기울기 또한 물성 변화가 없는 경우에는 69.7°와 76.8°로 큰 비대칭성을 보였으나, 물성 변화가 작은 경우에는 81.0°와 82.8°, 물성 변화가 큰 경우에는 88.5°와 89.6°로 개선되어, 확장 모델일수록 단면의 수직도와 대칭성이 함께 향상되었다. 결과적으로, 물성 변화가 큰 경우에서 가장 우수한 형상 안정성을 나타낸다.

이러한 결과를 바탕으로, 물성의 변화 특성의 고려 여부는 재료의 적층성 평가에 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 물성의 변화 정도와 관련해서는 표면의 경화가 시작되게 되면 적층성이 어느 정도 개선될 수 있음을 확인하였다. 적층 레이어의 수가 증가하는 경우와 같이 적층된 상부 층들의 자중에 의해 추가적인 힘이 작용하는 경우에는 물성 변화 설정 조건에 따라 적층성 평가 결과가 달라질 수 있다. 추가적으로, 만약 충분한 적층 시간(gap time, cycle time)이 확보된 경우라면 다음 층이 출력될 때 아래층이 어느 정도 항복응력이 증가한 상태에 도달하게 되어 보다 안정적인 적층성 확보가 가능함을 알 수 있다.

Fig. 8 Initial deposition region for buildability evaluation

Fig. 9 Overlay of cross-sections in the initial region

5.1 결 론

본 연구에서는 기존의 고정 물성 기반 3D 콘크리트 프린팅 가상 해석 모델과 시간 경과에 따른 모르타르의 물성 변화를 반영한 확장 모델의 적층 거동을 비교하였다. 이를 위해 열전달 기반의 내부 상태 변화 개념을 제시하였으며, 온도장 관련 매개변수를 기반으로 출력 시간에 따른 항복응력 증가에 대한 물성 변화를 고려하였다. 그 결과, 물성 변화가 반영되지 않은 기존 모델은 적층이 진행될수록 하부층의 변형이 누적되어 형상 유지에 한계를 보였으며, 시간 의존적 물성 변화가 반영된 제안 모델은 이러한 변형을 억제하면서 보다 안정적인 적층 형상을 나타내었다.

또한 열전달 수준에 따른 차이를 비교한 결과, 열전달 효과가 크게 반영될수록 하부층의 지지 능력이 향상되고 적층 형상도 더욱 안정적으로 유지되는 경향이 확인되었다. 본 연구의 결과로, 시간 의존적 항복응력 발현을 정규화된 온도장 매개변수로 표현하고, 이를 CFD 기반 EVP 모델의 재료 입력값과 연계함으로써 토출 이후 위치별 경과 시간에 따른 적층 거동 변화를 연속적으로 반영한 모델을 통한 조건별 재료 거동 특성을 예측 가능함을 확인하였다. 특히 기존 고정 물성 모델이 충분히 설명하지 못했던 하부층의 측 방향 변형, 적층 높이 유지 및 층별 형상 안정성 차이를 시간 의존적 물성 변화 관점에서 해석할 수 있음을 보였다. 이러한 접근은 실제 실험을 대체하기보다는, 3DCP 초기 적층성 평가에서 출력 조건, 층간 시간 간격 및 재료 물성 변화 수준의 영향을 사전에 검토할 수 있는 수치해석적 기초 모델로 활용될 수 있다.

추가적으로, 응결 등에 의한 상변화 특성을 고려한 적층 해석 예시 모델 해석 결과를 통해, 시멘트 기반 재료의 시간 의존적 물성 변화 및 상변화 특성을 모사 가능한 3DCP 적층성 평가 모델의 활용 가능성을 확인하였다. 즉, 본 연구에서 제안한 해석 모델들은 기존 모델이 충분히 반영하지 못했던 시간 의존적 적층 안정성을 보다 합리적으로 설명할 수 있었으며, 3D 콘크리트 프린팅의 초기 적층 거동과 형상 유지 특성을 해석하기 위한 확장 가능성을 제시하였다. 이러한 연구 결과를 토대로, 초기 적층성 평가 기반 3D 프린팅 출력 조건 및 재료 배합 결정에 활용하고자 한다.

5.2 본 연구의 한계점 및 추후 연구

본 연구는 3DCP 재료의 출력 시간에 따른 물성 변화와 상변화 개념을 해석 모델에 반영하여 적층성 평가 방법의 적용 가능성을 검토하는 것을 주된 목적으로 하였다. 따라서 해석에 사용된 초기 온도, 외기 온도, 대류계수 및 시간에 따른 항복응력 증가 조건은 실제 수화반응 또는 응결 메커니즘을 정량적으로 재현한 값이 아니라, 제안 모델의 적용 가능성과 물성 변화 수준의 영향을 비교하기 위한 가정 조건으로 설정되었다. 특히 Case 3와 Case 4에서 사용한 큰 물성 변화 조건은 재료의 실제 경화 속도를 직접적으로 의미하기보다, 시간 의존적 항복응력 증가가 적층 형상 유지에 미치는 영향을 확인하기 위한 해석 변수로 해석되어야 한다. 또한 본 연구에서 사용한 대류계수는 실제 외기 냉각 조건의 열전달계수와 일대일로 대응되는 값이 아니므로, 추후 실제 재료의 수화열, 응결 특성 및 시간별 유변학적 물성 측정 결과를 바탕으로 해석 변수의 물리적 의미를 보정할 필요가 있다.

또한, 제안하는 모델의 적용 가능성을 확인하는 것이 본 연구의 범위이기 때문에, 실제 3DCP 적층 실험과 직접적인 비교를 수행하지 않아 재료 거동 예측 및 모사의 정확도 판단에는 어려움이 있다. 이에 실제 실험과의 비교를 대체하기 위해 본 연구에서는 목표 적층 높이를 실제 실험 결과를 대체하는 기준 값으로 사용하여, 각 해석 조건별 적층성 평가 모델을 비교하였다. 추후 연구로서 실제 적층 실험체의 재료 물성(예: 항복응력, 점도 등)에 대한 실험을 추가로 실시하여 EVP 해석 모델 내의 재료 입력변수로 반영하여 본 제안 모델의 정확도를 높이고 적절한 해석 변수 설정 방법을 제안할 것이다.

본 연구에서 제시한 방법론은 실제 수화반응 및 응결 메커니즘을 직접 재현하는 대신, 시간 경과에 따른 급격한 강성 증가를 부여함으로써 재료가 응결 이후의 고체적 거동에 가까워질 수 있는지를 수치적으로 검토하였다. 재료 출력 이후의 강도 증진에 대한 실험적 검증을 통해 정확한 재료 물성 및 경화 특성이 반영된 해석 모델로 확장할 수 있으며, 실제 적층 실험과 해석 모델의 적층 단면을 직접적으로 비교함으로써 본 연구에서 제안하는 물성 변화 모델의 신뢰도를 향상시키고자 한다.