NASA 화성기지 3D프린팅 챌린지 2단계 최종, 한국팀 3등

미국 NASA에서 우주 식민지 개척 위한 프로젝트로써 세기의 도전(Centennial Challenges)를 진행중이다,,

화성 현지 구축까지 총 9단계를 진행될 예정인 식민지 개척 센티널 챌린지는 올해까지 2단계가 마무리되었다,,

그림1. NASA 3D프린팅 식민지 챌리지

이번 2단계는 총 3차에 걸친 경쟁이 진행되었으며.

한국에서는 건설기술연구원과 한양대학교 Iseri 그리고, 프리폼 연구소가 컨소시엄으로 구성한 Moon X construction 팀이 참가하였다.

2단계 2차 경쟁에서는 한국팀이 1위를 차지 하였으며,

이번에 미국 현지에서 진행된 2단계 마무리인 3차 경쟁에서는 아쉽게 한국이 3위의 성적으로 마무리 하였다.

그림2. Moon X팀의 3D프린터앞에서 1위를 한 Foster + Partners | Branch 팀과 함께

이번 3차 경쟁에서는 나사에서 제시한 1.5M급 돔을 제작하는 과제이다,,

이를 구현하기 위해서는 1.5M급 대형3D프린터와 우주 재료가 필요하다. 

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지구에서 사용 할 단순한 돔이라면 큰 3D프린터로 가능하겠지만, 사용하는 재료가 우주에서 현지 조달할 수 있는 재료를 사용하여야 한다. ..

즉, 달이나 화성 현지에서 조달할 수 있는 재료를 사용해야 한다..

이는 물을 이용하여 양생하는 일반 콘크리트를 사용할 수 없다는 것이다,​ 

이에 달의 흙을 복제한 현무암 계열의 복제토와 폴리머(플라스틱 원료, 우주인들이 사용한 플라스틱 쓰레기)를 혼합하여 만든 루나 콘크리트가 사용된다.

루나 콘크리트는 건설기술연구원과 한양대학교가 이미 분말 형태까지는 개발하여 보유 중이었다..

그림3. 펠릿 형태의 루나콘크리트

그러나, 이번 3D프린팅에 사용된 루나 콘크리트는 분말형태가 아닌, 쌀 알갱이 같은 펠릿 형태로써 이번 대회를 위해 3D프린터용으로 새로이 개발되었다.

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또 하나의 난제는 대형3D프린터 이다.

국내 유일하게 건축용 대형 3D프린터 연구 개발하고 있던 프리폼 연구소에서 이번 챌린지에 맞는 새로운 형태의 3D프린터를 개발하게 되었다.

새로운 재료인 루나콘크리트를 열로 녹여서 프린팅 한다는 것은 매우 어려운 일이다.. 많은 미국팀들이 이 과정에서 좌절한 난재 이기도 하다.

2단계 1경쟁에서 루나 콘크리트를 이용하여 원형 기둥을 제작하는 과제가 있었다. 이 경쟁에서 참가한 76개 팀중에 3월까지는 단 6팀만이 성공하였다.

그 중에 한국팀도 있다..

프리폼연구소에서는 이번 대회에 맞추어 겐트리 형태의 대형 3D프린터를 새로인 개발하였다..

그동안 10M급의 건축용 대형 3D프린터를 개발해온 기술이 있었기에 그리 어려운 일은 아니었지만..

그림4. 프리폼연구소의 건축용 3D프린터 AG9600

여러 기관이 공동의 진행하는 컨소시엄이다 보니, 개발 일정이 생각보다 길어 졌으며, 이후에는 완성 일정까지 촉박한 상황이 되었다..

결국, 한국에서 출력 테스트도 진행해 보지 못하고, 미국 현지에서 처음 조립을 완성하고, 출력 테스트를 진행하는 웃지 못할 상황까지 처하게 되었다.

그림5. Moon X팀의 3D프린터를 개발한 프리폼연구소 정종표 소장

미국 현지에서 우여곡절 끝에 3D프린터는 완성되었고,,,

프린팅은 시작되었다,,

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이번 3차 경쟁 과재의 특징이 돔인데,  돔 꼭지 부분이 평평한 형태이다,

이로 인해 써포터라는 보조 기둥이 발생하게 되는데..

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이를 자동으로 제거하거나, 써포터를  없이 출력해야 한다,

이는 달이나 화성에 3D프린터만 보내고, 지구에서 원격으로 콘트롤 할수 있어야 한다는 전제 때문이다..

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이에 비정형 건축을 구현하기 위해 대형 3D프린터를 개발한 프리폼 연구소에서는 건축적인 라아멘 구조를 기둥 없이 출력하기 위한 공간적층(space lamination layer) 이라는 새로운 기법을 개발하여 이미 사용하고 있었다...

그림6.서포터 없이 라아멘 구조를 출력하는 공간적층(space lamination layer)

​이에 이번 3차 경쟁에서 제시된 돔이 이를 적용하기 적합하여

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아치에 사용가능하도록 공간적층을 새롭게 Gcode(※3D프린터에 사용되는 출력데이터)로 코딩하여,  Moon X 팀에서 사용하게 되었다.

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그림7.아치 구조 (이미지 출처: http://www.thisiscarpentry.com/2012/01/06/circular-based-arches-part-1/)

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공간적층은 오픈소스 기반의 슬라이싱 프로그램(cura,Slic3r 등)으로는 Gcode를 생성할수 가 없어, 프리폼연구소의 연구진에 의해 새로이 코딩되어 진행되었다.

영상1. 프리폼연구소의 공간적층 3D프린팅 기술을 응용 적용한 Moon X팀의 돔출력​

아치쌓기에서 응용된 새로운 적층방식으로  인해 구조적인 안정성이 확보되었고 , 압축 하중에 대해 가장 강력한 구조가 완성되었다..

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미국의 나사에서도 건축적인 아치쌓기 구조를 이용한 새로운 공간적층 방식에 큰 놀라움을 표했다..

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1위를 한 미국의 Branch도 우리팀의 공간적층을 기법을 두고,,

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자신들의 장비에 이 적층방식을 적용했더라면 2배 이상의 하중강도를 연출했을 것이라며 칭찬을 아끼지 않았다.

우리팀의 완성에 대해서 많은 경계도 하였다,...

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그림8. 3번째 경쟁과제 돔제작 결과물

우여곡절 끝에 진행 된 이번 3차 경재에서 현지에서 처음 출력해 본 탓으로 안정적인 세팅값을 찾는데 많은 시간을 소모하게 되었고,

본 경기 시간중에서 세팅값을 찾느라 시간을 소비하여, 결국 시간부족으로 최종 결과물을 시간내에 제출하는데는 실패 하였다..

이로 인해 그동안의 누적점수 합계가 최종 3위로 마무리 되었고, 아쉽게 1위를 놓치게 되었다,,

전세계 총 76개 팀이 참여하여, 최종 까지 8개 팀이 올라 왔으며..그 중에 3위를 하였다.,.

아쉽지만 다음번 챌리지를 기약해 본다.

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그림9. 3위를 한 Moon X팀의 프리폼연구소 정종표 소장

그림11. 외계인을 보고 깜짝 놀라는 프리폼연구소 정종표 소장

외계인 분장의 인형들이 돌아 다니며, 관람객들의 흥미를 돋고 있었다.. 

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 그림12. 시상식장에서 우주인과 기념촬영하는 Moon X팀

한국팀 Moon X 팀은 건설기술연구원 이태식원장님을 비롯하여, 한양대학교 Iseri 연구원들, 그리고 프리폼연구소 연구원들이 참여 하였다..

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그림14. 2단계-3차 경쟁에서 1위를 차지한 Foster + Partners | Branch  팀

이번 3차 경쟁의 1위 상금은 250,000만달러로 2억 8천만원 정도이다..

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내년 2018년부터 진행되는 3단계에서는 2.5M 건축물이 진행되며, 2019년에는 10M급이 진행되고, 상금도 2배나 된다고 한다, (상금은 미국 연방정부 돈이라 외국 팀에게는 주지 않는다) 

처음 가보는 미국에서의 3위 달성은 큰 자신감을 심어 주었으며, 향후 진행되는 3단계에서는 당당히 1위를 차지 할수 있을것 같다.

각 단계에서 새로운 참가자들이 참여가 가능하고, 팀들도 새로운 구성되어  새롭게 진행되는 센티널 챌리지는 3단계부터는 세계적인 기업체들이 참여 할것으로 보인다..

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3단계에서는 실물크기의 건축물이 진행되므로 화성뿐만 아니라 지구에서도 활용가능한 새로운 기술이 대거 등장할 것으로 보인다, 

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 http://www.freeform.kr/lab_news/5658

https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/centennial_challenges/3DPHab/index.html