중국 과학자들은 3D 프린팅 기술의 "산업 문제"를 해결하는 데 새로운 돌파구를 마련했습니다!

오늘날 과학 기술의 급속한 발전으로 3D 프린팅 기술은 강한 동풍처럼 각계각층으로 퍼져 나갔습니다. 복잡하고 정밀한 기계 부품에서 실제와 같은 제품 모델에 이르기까지, 환상적인 건축 프로토타입에서 개인화된 생활 필수품에 이르기까지 끝없는 창의성과 충분한 유연성을 갖춘 3D 프린팅 기술은 상상을 현실로 만들어 사람들의 삶을 더욱 편리하게 만드는 동시에 우리에게 놀라움을 선사했습니다.

3D 프린팅 기술의 작동 원리

적층 제조 기술이라고도 하는 3D 프린팅 기술은 재료를 층별로 쌓아 3차원 개체를 만드는 혁신적인 생산 방법입니다. 그 원리는 벽돌집을 짓는 것과 유사하며, 간단히 "적층 제조, 층 적층"으로 요약 할 수 있습니다.

3D 프린팅 과정은 복잡하지 않습니다. 먼저 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어를 통해 디지털 모델을 생성하거나 얻은 다음 모델을 일련의 매우 얇은 단면 레이어(즉, 슬라이스)로 절단하고 각 슬라이스의 두께는 일반적으로 수십 미크론에서 수백 미크론 사이입니다. 그런 다음 이러한 슬라이스 정보를 기반으로 3D 프린터는 특정 기술과 재료를 통해 최종 물체를 층별로 구축합니다.

3D 프린팅 공정에는 융합 증착 모델링(FDM), 광 광조형 3D 프린팅(SLA, DLP, LCD), 선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM), 스테레오 잉크젯 프린팅(3DP) 및 층별 제조(LOM)가 포함됩니다.

융합 증착 모델링(FDM)은 필라멘트 열가소성 재료가 노즐을 통해 가열 및 용융되고 플랫폼에 층별로 증착된 후 최종적으로 3차원 물체로 응고되는 프로세스입니다. 이 기술은 종종 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리락트산(PLA) 등과 같은 열가소성 재료를 원료로 사용합니다. 장비 요구 사항이 적고 작동이 간편하여 개인 및 소규모 스튜디오에 적합합니다. 최근 장난감 시장에서 유행하고있는 '무 칼'과 '망원경 칼'이 이런 방식으로 만들어져 있습니다.

광조형 3D 프린팅(SLA, DLP, LCD)은 특정 대역과 모양의 빛을 사용하여 감광성 수지를 조사하고, 감광성 수지를 층별로 경화하여 원하는 모양의 물체를 생성합니다. 이 기술은 성형 정확도가 높고 표면이 매끄럽고 미세한 모형 및 소형 부품 제작에 적합합니다.

선택적 레이저 소결(SLS)은 레이저 빔을 사용하여 분말 재료를 스캔하여 용융 및 결합하고 층별로 3차원 물체로 축적합니다. 이 기술은 분말을 원료(예: 나일론, 금속 분말, 세라믹 분말 등)로 사용하고 성형 정밀도가 높으며 복잡한 구조의 기능성 부품 제조에 적합합니다.

선택적 레이저 용융(SLM)은 선택적 레이저 소결(SLS)과 유사하게 더 높은 레이저 에너지를 가지며 금속 분말을 완전히 녹여 금속 부품의 신속한 프로토타이핑을 달성할 수 있습니다. 이 기술은 종종 금속 분말(예: 티타늄 합금, 스테인리스 스틸 등)을 원료로 사용하고 고강도, 고정밀 금속 부품을 인쇄할 수 있으며 항공 우주, 의료 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

스테레오 잉크젯 인쇄(3DP)는 분말 재료(금속 또는 비금속)와 접착제를 원료로 사용하고 접착 메커니즘을 사용하여 각 구성 요소를 층별로 인쇄합니다. 이 프린팅 기술의 성형 샘플은 실제 제품과 동일한 색상을 가지며 현재 보다 성숙한 컬러 3D 프린팅 기술입니다.

LOM(Laminated Object Manufacturing)은 얇은 시트 재료(예: 종이, 플라스틱 필름 등)와 핫멜트 접착제를 원료로 사용하고 레이저 절단 및 열 접착을 통해 필요한 개체를 층별로 축적합니다. 이 기술은 성형 속도가 빠르고 재료 비용이 저렴하여 대형 구조물 및 쉘 제작에 적합합니다.

3D 프린팅 기술 제품은 복원 수준이 높지만 프린팅 원료에 의해 제한됩니다. 3D 프린팅 제품은 매우 부서지기 쉽고 외부의 힘에 의해 쉽게 파손됩니다. 이러한 제품이 높은 기계적 성능 요구 사항이 있는 시나리오에서 사용되는 경우 다소 "무능한" 것처럼 보일 수 있습니다. 그렇다면 3D 프린팅 제품의 "유리 심장"을 개선하여 깨지기 쉽지 않은 멋진 "피부"와 "유연성"을 갖도록 하는 방법은 무엇입니까?

2024년 7월 3일, 중국 과학자들은 3D 프린팅 엘라스토머에 대한 연구 결과를 네이처(Nature) 저널에 발표했습니다. 이 기술을 사용하여 제조 된 고무 밴드는 자체 길이의 9 배까지 늘릴 수 있으며 최대 인장 강도는 94.6MPa에 달할 수 있으며 이는 1 평방 밀리미터에 해당하며 거의 10kg의 중력을 견딜 수 있으며 초고강도와 인성을 보여줍니다.

성형 속도와 완제품의 인성 사이의 "조정"

3D 프린팅(SLA, DLP, LCD) 광경화 공정에서 생산 효율성을 높이려면 더 빠른 성형 속도가 필요하며, 이는 재료의 가교 밀도를 증가시키고 경화 공정 중 재료의 인성을 감소시킵니다. 기존의 방법에서는 재료의 인성이 증가하는 동시에 재료의 점도도 증가하여 유동성이 감소하고 성형 속도가 감소합니다. 3D 프린팅의 성형 속도와 완제품의 인성 사이의 모순은 항상 전체 산업을 괴롭혀 왔습니다.

중국 과학자들은 이 두 가지 모순을 '조화'시켰다. 연구진은 3D 프린팅 광경화의 감광성 수지 원료를 분석하고 프린팅 공정을 분해하여 단계적 프린팅 및 후처리 전략을 제안했다. 연구진은 다이메타크릴레이트의 DLP(Digital Light Processing) 전구체를 설계했는데, 이 전구체는 동적으로 방해받는 요소 결합과 주쇄에 두 개의 카르복실기를 포함하고 있습니다. 인쇄 및 성형 단계에서 이러한 핵심 구성 요소는 "휴면" 상태에 있으며 성형 후 가공 단계에서 강화 역할을 합니다.

a. 3D 인쇄된 물체와 후처리 중 치수 변화; b. 3D 프린팅 풍선의 펑크 방지 성능; c. 기계적인 천공력의 모델링; D-E입니다. 3D 프린팅 공압 그리퍼 중량 리프팅 테스트. 이미지 출처: 참고 [1]

90°C의 후처리 단계에서 3D 프린팅 제품의 방해된 요소 결합은 해리되어 이소시아네이트 그룹을 생성하며, 이 그룹은 한편으로는 측쇄 카르복실기와 아미드 결합을 형성하고 다른 한편으로는 카르복실산에 의해 흡착된 물과 반응하여 요소 결합을 형성합니다. 분자 내 화학 결합의 변화는 물질의 단일 네트워크 구조를 "손잡고"와 유사한 상호 침투 네트워크 구조로 연결하여 더 많은 수소 결합을 가져오고 물질의 내부 구조를 강화합니다. 3D 프린팅 제품이 외력에 의해 변형될 때 더 큰 완충 공간을 갖는 것은 바로 재료의 내부 구조 변화 때문이며, 이는 차량 충돌의 에너지 흡수 효과와 유사하여 제품의 내충격성과 파괴 저항성을 향상시키고 더 높은 인성을 갖습니다.

실험 결과에 따르면 두께가 0.8mm에 불과한 DLP 전구체를 사용하여 3D 프린팅으로 제조한 필름은 매우 강력한 펑크 방지 성능을 보여 깨지지 않고 74.4뉴턴의 힘을 견딜 수 있습니다. 고압 팽창 조건에서도 3D 프린팅 공압 그리퍼는 표면에 날카로운 가시가 있는 70g 무게의 구리 볼을 깨지지 않고 잡을 수 있으며, 이는 3D 프린팅 제품의 매우 높은 인성과 구조적 강도를 보여줍니다.

3D 프린팅 엘라스토머의 광범위한 적용

스포츠 장비 분야에서 3D 프린팅 엘라스토머는 선수들에게 맞춤형 고성능 장비를 제공합니다. 예를 들어, 맞춤형 인솔 및 보호 장비는 엘라스토머의 충격 흡수 및 지지 특성을 사용하여 선수의 스포츠 성능을 최적화하고 착용 경험을 향상시킵니다. 특히 익스트림 스포츠와 충격이 큰 스포츠에서 3D 프린팅 엘라스토머 소재는 운동 중 선수에게 미치는 영향을 크게 줄이고 관절과 근육을 부상으로부터 보호할 수 있습니다.

자동차 및 항공 우주 분야에서 3D 프린팅 엘라스토머는 경량 충격 흡수 부품 및 씰과 같은 핵심 부품에 사용됩니다. 이러한 부품은 복잡한 구조 설계를 통해 무게를 줄이고 고성능을 유지할 수 있습니다.

전자 제품 분야에서는 스마트 스피커, 스마트 팔찌, 휴대폰 케이스 및 기타 제품을 엘라스토머 재료로 인쇄할 수 있습니다. 이 제품은 부드러움과 탄성이 우수할 뿐만 아니라 내마모성과 내구성이 높아 제품 외관 및 성능에 대한 소비자의 다면적인 요구를 충족시킬 수 있습니다.

산업 제조 분야에서 3D 프린팅 엘라스토머 기술은 다양한 산업용 금형 및 변속기 벨트 및 기타 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 이러한 부품은 더 큰 기계적 응력과 진동을 견뎌야 하며 엘라스토머 재료는 우수한 탄성과 피로 저항성을 가진 이상적인 선택입니다. 3D 프린팅 기술을 통해 이러한 부품을 제조하면 생산 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조 비용도 절감할 수 있습니다.

3D 프린팅 엘라스토머 기술의 출현은 3D 프린팅 제품의 사용 시나리오를 더욱 확장하고 우리 삶에 더 다채로운 가능성을 가져왔습니다.