3D 프린팅 콘크리트가 환경을 구할 수 있을까?

콘크리트는 우리 주변에 항상 존재합니다. 주택, 사무실, 학교 건물부터 상점, 댐, 다리, 보도, 도로에 이르기까지 콘크리트는 우리가 매일 사용하는 구조물을 짓는 데 도움이 됩니다. 

콘크리트는 결코 새로운 재료가 아닙니다. 사실, 콘크리트 구조물에 대한 가장 오래된 기록은 시리아와 요르단 지역에서 기원전 6500년으로 거슬러 올라갑니다. 그리고 물론, 건축에 콘크리트를 광범위하게 사용했던 로마인들도 있습니다. 그리고 오랜 세월이 흐른 지금, 이러한 구조물들 중 다수는 오늘날까지도 우뚝 서 있습니다.

수년에 걸쳐 콘크리트 사용은 계속해서 증가했으며 글로벌 콘크리트 시장은 다음과 같습니다. $ 687.2 억 2021년. 더욱 기대된다 821.6년까지 2026억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 이는 콘크리트가 우리 삶에서 얼마나 중요한 역할을 하는지 보여줍니다. 

이 확장 구동된다 건설 산업의 성장과 전 세계적으로 새로운 건설 프로젝트에 대한 투자 증가로 인해. 경제 성장과 급속한 도시화도 전 세계적으로 주거 및 상업 단지에 대한 수요 증가에 기여합니다. 도시가 성장함에 따라 인프라에 대한 필요성도 커지고, 그에 따라 콘크리트에 대한 필요성도 커집니다.

시멘트에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다는 것은 잘 알고 있고, 오랫동안 그래왔죠. 그런데 왜 이렇게 인기가 많은 걸까요? 그리고 정말 좋은 걸까요? 자, 한번 알아볼까요!

콘크리트: 세계의 위험한 욕구

콘크리트의 가치를 이해하기 전에, 콘크리트가 정확히 무엇인지 알아보겠습니다. 콘크리트는 시멘트(또는 석회), 물, 그리고 골재(모래, 자갈, 쇄석 등 천연 또는 인공 입자의 집합체)의 혼합물입니다. 

여기서 시멘트는 칼슘, 철, 실리콘, 알루미늄 등의 성분을 혼합하여 제조한 것으로 콘크리트에 경화성을 부여하는 결합재입니다.반면 물은 시멘트를 활성화하여 밀도가 높은 물질을 형성합니다. 

이 복합 재료를 매우 귀중하게 만드는 것은 가단성(신선하게 섞은 콘크리트를 거의 모든 모양으로 성형할 수 있는 능력)과 내구성(수년간 지속될 수 있음)을 포함한 특성 때문입니다. 이 저렴한 재료는 더욱 맞춤화될 수 있습니다 다양한 건설적 필요를 충족합니다.

콘크리트의 다른 매력적인 특성으로는 사용의 용이성, 강도, 무거운 하중과 압축 응력뿐만 아니라 혹독한 기상 조건과 지진, 허리케인과 같은 자연 재해도 견딜 수 있는 능력 등이 있습니다.

콘크리트는 열을 잘 보존하고, 내화성이 뛰어나며, 손상 발생 시 쉽게 수리할 수 있습니다. 이러한 모든 특성 덕분에 시멘트는 매우 귀중한 제품이 되었고, 그 사용량은 급증했습니다.

콘크리트 사용 사례에 관해서는 건설 산업에서 다양한 응용 분야가 있습니다. 콘크리트는 실제로 물 다음으로 세계에서 가장 널리 사용되는 건설 자재입니다. 사용 댐, 교량, 고속도로, 공항, 도로, 운하, 저수지 및 포장 도로를 건설하는 데 사용되며, 주거용 건물, 상업 단지 및 기타 하중 지지 구조물을 건설하는 데 사용됩니다.

간단히 말해서, 콘크리트는 건설에 있어서 기본적인 자재로, 우리 주변의 인프라를 형성하는 데 중요한 역할을 합니다. 

하지만 콘크리트가 장점만 있는 것은 아닙니다. 사실, 콘크리트는 매우 위험합니다. 

우선, 시멘트가 그 원인입니다. 1.6억 톤 이산화탄소(CO2)는 전 세계 CO8 배출량의 약 2%에 해당합니다. 그리고 건설 부문이 시멘트에 광범위하게 의존함에 따라 엄청난 탄소 발자국이 더욱 심화됩니다.

한편, 일반 포틀랜드 시멘트(OPC) 제조는 전 세계 인위적인 CO5 배출량의 8%~2%를 차지합니다. 모든 건설 관련 활동에 외삽하면 최신 연구 이 부문은 세계 최종 에너지의 40%를 소비하고 있으며, 에너지 관련 CO2 배출량의 약 36%가 이 부문에서 발생하여 놀라운 상황을 보여줍니다.

이 CO2 배출은 매우 우려스럽습니다. 투영된다. 최고 기록을 달성하다 37.41GtCO2. CO2 배출은 또한 지구 온난화의 주요 원인이며 IPCC에 따르면 현재 속도로 지구 온난화가 진행되면 예상된다 1.5년부터 2030년까지 산업화 이전 수준보다 2052℃ 상승을 달성합니다.

콘크리트의 환경적 영향을 감안할 때 연간 소비량은 30억 톤에 달하지만 예상된다 끊임없이 상승하기 위해서는 혁신가부터 조직과 정부에 이르기까지 모든 사람이 이 문제를 정면으로 다루는 것이 중요합니다.

3D 프린팅으로 건설을 발전시키다 

앞서 언급했듯이 콘크리트는 필요악입니다. 엄청난 이점이 있고 문명에 필수적이기는 하지만, 이미 삼림 벌채, 기후 변화, 생물 다양성 손실 등의 문제를 겪고 있는 지구에 실제로는 해롭기 때문입니다. 

혼합물에 콘크리트를 추가하면 일이 진행됩니다. 퀴즈를 풀어보고, 더 나빠지다. 하지만 이 인기 있는 건축 자재의 해로운 영향을 해결할 방법이 있다면 어떨까요? 

글쎄요, 우선 콘크리트는 세상의 복잡하고 진보된 요구를 충족하기 위해 진화하고 있습니다. 이전에 공유했듯이 그래핀과 대마와 같은 고급 소재는 점점 더 활용되고 있다 건축 자재에서. 탄소 없는 시멘트조차도 석회암을 대체하거나 화석 연료 기반 석회암을 사용하여 생산됩니다.

또 다른 해결책이 있는데, 바로 3D 프린팅입니다. 맞습니다! 바로 그 방법입니다. 사용되고있다. 예술 작품, 가구 및 기타 소비자 제품을 만드는 것과 더불어 법의학, 보철학 및 수술도 건설의 판도를 바꾸고 있습니다. 

디지털 파일에서 소재를 겹겹이 쌓아 3차원 물체를 만드는 XNUMXD 프린팅 또는 적층 제조 방식은 빠른 프로토타입 제작, 맞춤형 제작, 비용 절감, 소재 낭비 감소, 혁신 촉진, 지속 가능성 등의 이점 덕분에 많은 주목을 받고 있습니다. 

이 기술은 이제 활용되고 있다 건설 분야에서는 3D 프린팅이 건설 분야에서 처음 사용되었기 때문에 그 자체로는 새로운 것이 아닙니다. 수십 년 전. 그러나 최근 몇 년 동안 3D 프린팅의 사용이 크게 증가하여 공정이 상당히 가속화되고, 재료 사용이 최적화되고, 복잡한 디자인과 맞춤형 구조가 탐구되고, 원격 건설이 용이해지고, 안전성이 향상되었습니다.

3D 프린팅의 다면적인 이점으로는 현장 시공으로 인한 공급망 단축, 고위험 작업에서 수동 노동의 필요성이 감소하여 작업장 위험이 크게 감소하는 것이 있습니다.

올해 우리는 실제로 텍사스에서 세계 최대 규모의 3D 프린팅 동네를 보았습니다. 거의 완성되다 공사를 시작한 지 3년이 지났습니다. XNUMXD 프린팅 건설 회사인 ICON이 이 프로젝트를 맡았습니다.

사기업인 ICON은 주거용 주택을 인쇄할 뿐만 아니라 방위 및 외계 건설에도 관여합니다. 10년도 채 안 된 ICON 총 451 천 XNUMX 백만 달러 모금, 기업가치는 약 2억 달러로 증가했습니다. 이 회사는 실제로 NASA와 계약을 맺고 착륙장, 대피소 및 기타 시설을 건설하고 있습니다. NASA의 아르테미스 달 탐사 프로그램의 일환으로 달의 구조물을 연구하고 있습니다.

2018년에 미국에서 최초로 허가받은 350제곱피트 3D 프린팅 주택을 건설했는데, 이틀밖에 걸리지 않았습니다. 이 주택은 콘크리트를 사용하여 건설되었는데, ICO CEO인 제이슨 발라드가 말했듯이 다음과 같은 이유 때문입니다.

"그것은 지구상에서 가장 탄력 있는 재료 중 하나입니다."

텍사스 커뮤니티의 경우, 이 회사는 일반적인 데스크톱 3D 프린터와 매우 유사한 Vulcan 프린터를 사용하여 파이프를 층층이 쌓습니다. 이 Vulcan 프린터의 차이점은 너비가 45피트이고 무게가 4.75톤이라는 것입니다. 

그 공정은 콘크리트 파우더를 모래, 물, 기타 첨가제와 섞은 다음 프린터에 펌핑합니다. 콘크리트 혼합물 그 다음에는 압착된다 노즐을 통해 브러시에 묻혀 미리 프로그래밍된 경로를 따라 층층이 쌓입니다.

로봇 프린터는 세계 최대 규모의 100D 프린팅 커뮤니티에 3채의 3D 프린팅 주택을 건설했습니다. 3D 프린팅은 더 빠르고 저렴하며, 건축 자재 낭비를 최소화하고, 더 적은 인력을 필요로 하기 때문에 "무역 시장에 큰 효율성"을 가져다주고 있다고 회사 측은 밝혔습니다.

이 그러나 3D 프린팅 건설 시장의 성장에서 알 수 있듯이 이것은 시작일 뿐입니다. 예상된다 보기 위해. 작년에 5.5억 달러로 평가된 글로벌 3D 프린팅 건설 시장 예상된다 CAGR 105.8%로 성장하여 엄청난 규모에 도달할 것입니다. 3.3에 의한 $ 2032 조. 

처음에는 엄청난 숫자처럼 보일 수 있지만, 이전 기사에서 공유했듯이 3D 프린팅은 심각한 주택 부족 문제에 대한 잠재적 해결책으로 떠오를 수 있으며, 이로 인해 XNUMX조 달러 규모의 목표가 실제로 실현될 가능성이 있습니다.

3D 프린팅 건축에 대한 엄청난 관심을 고려할 때, 이 기술을 활용하여 건설 시장을 긍정적으로 변화시키는 것 또한 타당합니다. 싱가포르 난양기술대학교(NTU)의 과학자들이 바로 그러한 노력을 기울이고 있습니다.

연구자들은 콘크리트 자체를 3D 프린팅하여 한 단계 더 나아가거나 더 깊이 파고들었습니다. 이를 위해 그들은 탄소를 포집하는 3D 콘크리트 프린팅 방법을 개발하여 건설 산업의 환경적 영향을 줄이는 새로운 방법을 보여주었습니다.

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CO3를 포집하는 2D 프린팅 콘크리트

이번 달 초, NTU 과학자들은 그들의 연구를 발표 "현장 CO2 및 스팀 통합 3D 콘크리트 인쇄를 통한 탄소 포집 및 격리"에 관한 것입니다.

이 연구에서는 자재 사용량, 노동 요구 사항, 건설 시간을 단축하여 시멘트의 탄소 발자국을 크게 줄이는 혁신적인 방법을 자세히 설명했습니다. 

It 또한 제안됩니다 지속 가능한 3D 콘크리트 프린팅을 통한 개발로 전 세계 에너지 사용량이 최대 5% 감소할 수 있습니다. 이러한 환경적 이점은 잠재적으로 건설 과정을 간소화하는 능력과 동등하다. 

그러나 최신 연구에서처럼 콘크리트에 CO2를 혼합하는 방식은 이전에도 재료의 품질을 개선하고 시멘트의 부정적인 환경 영향을 줄이는 것을 목표로 시도된 바 있습니다.

초기 연구에서는 이미 탄산화 챔버에서 생산 중에 콘크리트를 CO2에 노출시키고 CO2와 직접 일괄 혼합하여 콘크리트의 기계적 특성이 개선되는 것으로 나타났습니다. 그 이유는 "탄산화 껍질"이 형성되기 때문입니다. 

이전 연구에서는 모르타르를 CO15와 혼합한 지 불과 1.16분 만에 침투 저항성이 거의 2배 증가하고 탄소 흡수율이 최대 1.98% 증가했다고 보고했습니다. 가속 탄산화 경화(ACC)를 조정하면 탄소 흡수율이 25.5–XNUMX%로 나타났습니다.

3D 콘크리트 프린팅에 대한 연구는 주로 탄소 발자국을 줄이기 위한 친환경 시멘트 혼합물 설계에 집중되어 왔지만, 최신 연구에 따르면 일부는 특히 대량 탄소 포집 및 저장 용량(CCS)을 향상시키기 위해 고급 처리 기술을 고려하고 있는 것으로 나타났습니다. 

연구자들은 시멘트 재료의 탄산화에 대한 연구, 특히 깊이에 대한 최소한의 초점이 그 확장된 구현이 타당성 문제를 제기하는 이유라고 지적했습니다. 말할 것도 없이, 챔버 한정 CCS 솔루션은 3DCP와 함께 적용될 때 하드웨어 및 에너지 소비 측면에서 한계에 직면합니다. 그 결과, 확장 가능하고 자동화된 현장 건설의 이점 손상되다.

이 3D 콘크리트 프린팅을 위한 기존 경화 기술을 뛰어넘는 인공 탄산화 공정을 개발해야 할 필요성이 제기되었습니다.

그 결과, NTU 연구진은 이산화탄소 격리 효능을 연구하는 새로운 공정을 개발했습니다.

새로 개발된 기술은 2단계 압출 기반 시스템을 포함합니다. 첫 번째 단계는 혼합 콘크리트에 CO2와 증기를 주입하는 것입니다. 그런 다음 혼합물은 콘크리트 구조에 CO2를 직접 통합하고 저장합니다. 문제의 COXNUMX와 증기 포획되다 산업 공정의 부산물로서. 

이 새로운 접근 방식은 대량 탄소 흡수량을 38.2% 증가시키는 것으로 나타났으며, 3D 프린팅 콘크리트를 사용해 탈탄소화된 건설을 달성하는 또 다른 방법을 제공합니다.

기체 및 액체 첨가제의 규제된 주입을 용이하게 하는 독점적인 프린트헤드 부착물의 설계는 자동화된 건설과 관련된 환경적 지속 가능성 문제라는 중요한 문제를 해결하고자 합니다. 또한 주문형 요구 사항의 문제를 해결하지만, 가장 중요한 것은 3D 콘크리트 인쇄와 호환되는 즉시 사용 가능한 CCS 솔루션이 부족하다는 것입니다.

새로운 방법은 시멘트의 탄소 발자국을 줄이는 것뿐만 아니라 콘크리트의 기계적 성질을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 이, 다시 말해, 기존의 3D 인쇄 콘크리트와 비교했을 때 구조물의 강도가 훨씬 뛰어납니다.

연구 논문에 따르면 CO2와 증기를 통합한 결과 50D 인쇄성이 최대 3% 증가하고, 굽힘 강도가 45.3%, 압축 강도가 36.8% 증가하는 것으로 나타났습니다. 

연구원들은 샘플이 노출되었다 CO2-스팀 통합 인쇄 및 야외 경화가 가장 높은 탄소 흡수율을 보였습니다. 연구원에 따르면:

"제시된 솔루션은 탈탄소화 건설을 향한 유망한 경로를 제공하는 동시에 전통적인 한정된 경화 방법을 넘어 CCS에 대한 실행 가능한 옵션을 확장합니다."

연구팀은 또한 순수한 이산화탄소 원료 낭비를 줄이기 위한 인쇄 구성 최적화, 혼합 설계, 연기 가스 주입을 미래 연구 분야로 지적했습니다.

3D 프린팅 분야의 투자 가능한 회사

이제 3D 프린팅 시장에 참여하는 상장 기업을 살펴보겠습니다. 이 기업의 가치는 XNUMX조 XNUMX천억 원에 달할 것으로 추산됩니다. 17.5에서 $ 2024 억 예상된다 향후 16.4년간 연평균 성장률 37.4%로 XNUMX억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되는데, 이는 해당 분야에서 진전을 이루고 세상을 더 나은 곳으로 바꾸는 데 도움이 됩니다.

1. 스트라타시스 (SSYS )

Stratasys는 3D 프린팅 분야에서 인기 있는 이름이며, 여러 부문에 걸쳐 솔루션을 제공합니다. 이 회사의 기술은 3D 프린팅 분야의 발전에 기여해 왔습니다. 

시가총액이 689.5억 9.66만 달러인 Stratasys의 주가는 현재 32.35달러로 거래되고 있으며, 올해 1.32% 하락했습니다. 이 회사의 EPS(TTM)는 -7.30이고 P/E(TTM)는 -XNUMX입니다.

3년 2024분기 Stratasys 신고 매출은 140.0억 162.1천만 달러로, 작년 같은 분기의 XNUMX억 XNUMX만 달러에서 증가했습니다. 이러한 수치를 바탕으로 회사의 반복 소모품 매출은 XNUMX분기 연속 전년 대비 성장을 기록하고 있으며, 회사는 이를 "지속적으로 높은 프린터 가동률을 반영하는 것"이라고 밝혔습니다.

Stratasys의 GAAP 매출총이익률 성장률은 44.8%로 개선되었고, GAAP 순손실은 26.6만 달러에 달했으며, 비GAAP 순이익은 수익성을 달성하기 시작했습니다. 현금 4.5만 달러 보고되었다 에 사용되다 운영 중이며 YTD의 운영 현금 흐름은 여전히 ​​긍정적입니다.

Stratasys는 이러한 강력한 수치에 힘입어 2024년 전체 연도에 대한 전망을 상향 조정했습니다. 그에 따르면, 매출은 580억 570천만 달러, 비GAAP 순이익은 5백만 달러, 자본 지출은 20천만 달러로 보고되었습니다.

"우리는 비용 최적화와 더 높은 성장 기회에 집중함으로써 회사를 성공적으로 변혁하기 시작했습니다."

– CEO인 Dr. Yoav Zeif는 당시 이렇게 말했습니다.

그는 회사의 주요 플랫폼인 F3300이 의료, 자동차, 항공우주 등 주요 타깃 분야로 확장을 계속하면서 많은 주목을 받고 있다고 덧붙였습니다.

Zeif 박사에 따르면, 회사의 구조 조정 계획은 내년부터 연간 40만 달러의 비용 절감 효과를 가져올 것으로 예상됩니다.

"우리는 2025년에 매출 성장, 수익성 및 현금 흐름을 증가시킬 수 있는 좋은 위치에 있으며, 시장 상황이 개선되면 억제된 수요를 해결할 수 있습니다."

– 박사 Zeif

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맺음말

콘크리트는 수세기 동안 인간 개발의 초석이었지만 위험이 없는 것은 아닙니다. 콘크리트의 환경적 영향은 심각한 문제가 되고 있으며, 더 나은 솔루션을 찾아야 할 시급한 필요성이 생겨나고 있습니다. NTU 연구원의 최신 기술은 올바른 방향으로 나아가는 그러한 개발 중 하나입니다. 3D 콘크리트 프린팅은 적층 제조 원리를 활용하여 기존 운영을 재정의하고 지속 가능성을 증진했습니다. 

전 세계가 도시 확장과 기후 변화로 어려움을 겪고 있는 가운데, 3D 콘크리트 프린팅과 같은 혁신은 점점 더 복잡해지는 건설 수요를 충족하는 동시에 그 해로운 영향을 완화하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 확장 및 표준화 측면에서 여전히 과제가 남아 있지만, 시간이 지남에 따라 기술이 발전하고 널리 도입됨에 따라 3D 프린팅은 미래 사회 기반 시설을 형성하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

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