미국 매사추세츠공과대학(MIT) 연구진이 콘크리트 3D프린터가 실제로 구현할 수 있는 조건을 구조 설계 계산에 직접 넣는 최적화 방법을 개발했다. 연구팀은 이 방법으로 길이 2.3m의 콘크리트 교량을 출력해 하중 시험을 진행했으며, 결과를 학술지 ‘Additive Manufacturing’ 2026년 7월호에 발표했다.
일반적인 토폴로지 최적화는 정해진 하중을 견디면서 재료를 가장 적게 쓰는 형상을 찾는다. 하지만 계산으로 얻은 가느다란 격자와 급격한 모서리는 콘크리트 프린터의 굵은 노즐로 만들기 어렵다. 연구진은 출력선인 비드의 최소 폭, 노즐이 돌 수 있는 최소 반경, 한 번의 연속 경로로 적층해야 하는 조건을 혼합정수 비선형 최적화 문제에 포함했다.
30분 출력 후 하중 시험
연구팀은 오토데스크 보스턴 시설에서 시판 모르타르로 실험 교량을 약 30분 만에 출력했다. 완성 구조물의 무게는 약 900파운드(약 410kg)였고, 상부에 2,000파운드(약 907kg)가 넘는 콘크리트 블록을 올린 시험에서 측정 가능한 처짐이 거의 없었다. 실험 결과는 계산 예측과 대체로 일치했다.
논문은 이 구조가 일반적인 타설 방식의 비교 설계보다 재료를 14% 적게 썼다고 보고했다. 동시에 현행 장비의 제작 제약이 구조 성능과 재료 사용량을 좌우한다는 점도 드러났다. 계산상 최소 비드 폭을 40mm에서 10mm로 줄이면 현재 설계 조건 안에서 재료 중량을 76.1% 더 줄일 수 있었다. 연속 경로 제약을 없애는 경우에는 비교 설계 대비 절감 폭이 14%에서 28.6%로 커졌다.
실험 교량과 실제 기반시설은 구분해야
이번 교량은 철근이 없는 콘크리트를 주로 압축 상태로 유지하도록 특정 하중 조건에 맞춰 설계됐다. 하중 시험 뒤 한쪽 모서리를 들어 올리는 과정에서 인장력이 발생하자 구조물이 파손됐다. 이는 압축에는 강하지만 인장에는 약한 무근 콘크리트의 한계와, 한 하중 조건에 최적화된 구조가 운반이나 예상 밖 하중에는 취약할 수 있음을 보여준다.
연구진은 다음 단계로 철근을 포함한 콘크리트 구조를 검토하고 있다. 따라서 이번 결과는 공공 교량의 즉시 적용을 입증한 것이 아니라, 프린터의 제작 한계를 설계 초기에 반영하면 후처리를 줄이고 장비 개선이 가져올 재료 절감 효과를 수치로 비교할 수 있다는 실험적 검증으로 보는 것이 적절하다.
