연구자들은 3차원 인쇄 기술을 이용하여 신기한 신소재를 개발하였다.

프린스턴 대학 (Princeton) 의 엔지니어들은 맞춤형 스트레칭과 유연성을 갖춘 소프트 플라스틱을 생산하기 위해 확장 가능한 3D 프린팅 기술을 개발했으며, 동시에 재활용성과 비용 효율성을 갖추고 있다. 이러한 특성은 시판 재료 중 거의 동시에 갖추지 못한다.

복잡한 가공이 필요한 유사한 재료와 달리 이 플라스틱은 3D 프린터로 제작할 수 있다.

Advanced Functional Materials에 발표 된 연구에서 에밀리 데이비슨 (Emily)Davidson이 이끄는 연구팀은 열가소성 탄성체 - 널리 사용할 수 있는 폴리머 - 조절 가능한 강도를 가진 3D 프린팅 구조를 만드는 방법을 자세히 설명합니다.3D 프린터의 인쇄 경로를 설계함으로써 엔지니어들은 플라스틱의 물리적 특성을 프로그래밍하여 장치를 한 방향으로 뻗고 구부리고 다른 방향으로 강성을 유지할 수 있습니다.

화학 및 생물공학 조교수 데이비슨은 이 기술이 소프트 로봇, 의료 장비, 의족, 경량 헬멧, 맞춤형 고성능 신발 밑창 등 분야에서 잠재적으로 응용될 수 있음을 강조했다.

재료 성능의 핵심은 가장 작은 내부 구조에 있습니다.연구팀은 탄성을 가진 폴리머 기질에서 두께가 5~7나노미터(그에 비해 인간 머리카락의 두께는 약 90000나노미터)인 단단한 원통 구조를 형성하는 세그먼트 공중합체를 사용했다.연구자들은 3D 인쇄 기술을 사용하여 이러한 나노 레벨 원통의 방향을 정함으로써 한 방향에서 단단하지만 거의 모든 다른 방향에서 부드럽고 탄력있는 3D 인쇄 재료를 얻었습니다.설계자는 이러한 원통을 단일 물체의 다른 방향으로 정위할 수 있으며, 따라서 물체의 다른 영역에서 경도와 신축성을 나타내는 소프트 구조를 설계할 수 있다.

데이비드슨은"우리가 사용하는 탄성 체력은 우리가 통제할 수 있는 나노 구조를 형성한다.이를 통해 설계자는 최종 품목을 제어할 수 있습니다.우리는 다양한 방향에서 사용자 정의 특성을 가진 재료를 만들 수 있습니다."

이런 공정을 개발하는 첫걸음은 적합한 중합물을 선택하는 것이다.연구진은 중합물 용해체로 가열·가공할 수 있는 세그먼트 공중합체인 열가소성 탄성체를 선택했지만 냉각되면 탄성 재료로 응고된다.분자 수준에서 중합체는 서로 연결된 분자로 구성된 긴 사슬이다.전통적인 균중합체는 하나의 중복분자로 구성된 긴 사슬이고 단락공중합체는 부동한 균중합체가 서로 련결되여 형성된다.블록 공중합체 체인의 이러한 다른 영역은 혼합이 아니라 서로 분리된 기름과 물과 같습니다.연구진은 이 특성을 이용해 신축성이 있는 기질에 단단한 원통을 함유한 재료를 생산했다.

연구자들은 이러한 단락 공중합체 나노 구조가 어떻게 형성되고 흐름에 대한 반응에 대한 이해를 이용하여 이러한 단단한 나노 구조의 정렬을 효과적으로 촉진할 수 있는 3차원 인쇄 기술을 개발했다.연구진은 인쇄 속도와 제어되지 않은 압출을 이용하여 인쇄 재료의 물리적 성질을 제어하는 방법을 분석했다.

글의 제1저자인 프린스턴대 대학원생 앨리스 페그슨(AliceFergerson)은 이 기술과 열 감소 – 재료를 제어하는 가열 및 냉각 – 핵심 역할을 소개합니다.

재료의 내부 구조를 제어함으로써 엔지니어는 다양한 특성을 가진 물체를 만들 수 있습니다.사진 출처:Sameer A. Khan/Fotobuddy

"이 기술의 가장 멋진 부분 중 하나는 바로 열 퇴화가 발휘하는 여러 가지 역할이라고 생각합니다. 인쇄 후의 성능을 대폭 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 우리가 인쇄한 물건을 여러 번 재사용할 수 있고, 심지어 물건이 파손되거나 파손되었을 때도 스스로 복구할 수 있습니다."

데이비드슨은 이 프로젝트의 목표 중 하나는 국부적으로 조절할 수 있는 기계적 특성을 가진 소프트 소재를 만들어 산업계가 부담할 수 있을 뿐만 아니라 규모도 확대할 수 있도록 하는 것이라고 말했다.액정 탄성체 등의 재료를 이용하여 국부적인 제어 특성이 있는 유사한 구조를 만들 수 있다.그러나 데이비드슨은 이 재료들이 비싸고 (그램당 2.50에 달한다고 말했다달러 이상), 세밀한 압출을 제어한 후 자외선에 노출되는 등 여러 공정으로 가공해야 한다.데이비슨 연구소에서 사용하는 열가소성 탄성체는 그램당 약 1센트이며, 상업용 3D를 사용할 수 있다프린터 인쇄.

연구진은 재료의 특성을 제어하는 능력을 떨어뜨리지 않고 열가소성 탄성체에 기능첨가제를 첨가하는 기술을 선보였다.예를 들어, 그들은 Lynn Loo에 의해 추가되었습니다.교수 연구팀이 개발한 유기 분자는 플라스틱이 자외선에 의해 붉은 빛을 발하게 한다.그들은 또한 작은 플라스틱 꽃병과 급커브로 맞추는 등 복잡한 다층 구조를 생산하는 프린터의 능력을 보여주었다PRINCETON의 인쇄 문자.

퇴화는 그들의 공예에서 관건적인 역할을 발휘하였는데 이는 내부나노구조질서의 완벽성을 제고시켰다.데이비슨은 퇴화는 재료의 치유 특성도 실현할 수 있다고 말했다.이 작업의 일환으로 연구자들은 인쇄 된 플라스틱의 유연한 샘플을 절단하고 열을 내려 재료를 다시 연결 할 수 있습니다.수정된 재료는 원본 샘플과 동일한 특성을 나타냅니다.연구진은 원재료와 복원재료 사이에"뚜렷한 차이가 없는 것을 관찰했다"고 말했다.

다음 단계로 연구팀은 웨어러블 전자 기기 및 생의학 장비 등의 응용과 호환되는 새로운 3D 인쇄 가능한 아키텍처를 모색하기 시작할 것입니다.