중국 과학자 들 은 3D 프린팅 기술 의 "산업 문제"를 해결 하는 데 새로운 돌파구를 마련 하였습니다!

오늘날 과학 기술의 급속한 발전과 함께 3D 프린팅 기술은 강력한 동풍처럼 다양한 산업 분야에 걸쳐 확산되고 있습니다. 복잡하고 정확한 기계 부품에서 사실적인 제품 모형까지, 환상적인 건축 프로토타입에서 개인화된 일상용품에 이르기까지, 3D 프린팅 기술은 무한한 창조성과 충분한 유연성을 바탕으로 상상을 현실로 만들어내며, 사람들의 생활을 더욱 편리하게 만들고 동시에 우리에게 놀라움을 선사합니다.

3D 프린팅 기술의 작동 원리

3D 프린팅 기술은 적층 제조 기술이라고도 불리는 혁신적인 생산 방식으로, 재료를 층별로 쌓아 세 가지 차원의 실체를 구축합니다. 그 원리는 벽돌로 집을 짓는 것과 유사하며, 간단히 말해 "단계별 제작, 층별 적층"으로 요약할 수 있습니다.

3D 프린팅 과정은 복잡하지 않습니다. 먼저 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어를 통해 디지털 모델을 생성하거나 획득한 후, 해당 모델을 매우 얇은 단면 층(즉, 슬라이스)으로 자르며, 각 슬라이스의 두께는 일반적으로 수십 마이크론에서 수백 마이크론 사이입니다. 그런 다음 이러한 슬라이스 정보에 따라 3D 프린터는 특정 기술과 재료를 사용하여 최종 객체를 층별로 구축합니다.

3D 프린팅 공정에는 융합 침전 모델링(FDM), 광학 입체 조형 인쇄(SLA, DLP, LCD), 선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM), 입체 잉크젯 인쇄(3DP), 그리고 층별 제조(LOM)가 포함됩니다.

융착 적층 성형(FDM)은 필라멘트 형태의 열가소성 재료를 노즐을 통해 가열 및 용해하여 플랫폼 위에 층을 두껍게 쌓아 최종적으로 3D 객체로 굳히는 공정입니다. 이 기술은 일반적으로 아크릴니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리락틱산(PLA) 등의 열가소성 재료를 원료로 사용하며, 장비 요구사항이 낮고 조작이 간단해 개인이나 소규모 스튜디오에 적합합니다. 최근 장난감 시장에서 인기를 끌고 있는 "무우 칼"과 "접이식 검"은 이러한 방식으로 제작되었습니다.

광경화 입체造영 인쇄(SLA, DLP, LCD)는 특정 대역과 형상의 빛을 광중합 수지에 조사하여 층마다 중합되도록 하여 원하는 모양의 물체를 생성하는 기술입니다. 이 기술은 높은 성형 정확도와 매끄러운 표면을 가지고 있어 미세한 모델과 작은 부품 제작에 적합합니다.

선택적 레이저 소결(SLS)은 레이저 광선을 이용해 분말 재료를 녹여 결합시키는 방식으로, 층을 겹겹이 쌓아 3차원 객체를 만듭니다. 이 기술은 분말을 원료로 사용(예: 나일론, 금속 분말, 세라믹 분말 등)하여 높은 성형 정확도를 가지고 있으며 복잡한 구조의 기능 부품 제작에 적합합니다.

선택적 레이저 용융(SLM)은 더 높은 레이저 에너지를 사용하며, 선택적 레이저 소결(SLS)과 유사하게 금속 분말을 완전히 용융시켜 금속 부품의 빠른 프로토타입을 실현할 수 있습니다. 이 기술은 주로 금속 분말(예: 티타늄 합금, 스테인레스 등)을 원료로 사용하여 고강도, 고정밀도의 금속 부품을 인쇄할 수 있으며 항공우주, 의료 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

스테레오 잉크젯 인쇄(3DP)는 분말 재료(금속 또는 비금속)와 접착제를 원료로 사용하여 결합 메커니즘을 이용해 각 부품을 층층이 인쇄하는 기술입니다. 이 인쇄 기술로 만든 성형 샘플은 실제 제품과 동일한 색상을 가지고 있으며, 현재 가장 성숙된 컬러 3D 인쇄 기술 중 하나입니다.

레이어드 오브젝트 제조(LOM)는 얇은 시트 재료(종이, 플라스틱 필름 등)와 열융착 접착제를 원료로 사용하여 레이저 절단과 열 접합을 통해 필요한 물체를 층층이 축적합니다. 이 기술은 성형 속도가 빠르고 재료 비용이 낮아 큰 구조물과 외각을 제작하기에 적합합니다.

3D 프린팅 기술 제품은 높은 복원도를 가지고 있지만, 인쇄 원료에 제한을 받는다. 3D로 인쇄된 제품들은 매우Brittle하고 외부 힘에 의해 쉽게 부서질 수 있다. 이러한 제품들이 고기계적 성능이 요구되는 장면에서 사용될 때 "무력"하게 보일 수 있다. 그렇다면 어떻게 3D 인쇄 제품의 "유리 같은 마음"을 개선하여 보기 좋고 쉽게 부러지지 않는 "탄력" 있는 "피부"를 가질 수 있도록 할 것인가?

2024년 7월 3일, 중국 과학자들이 저널 네이처에 3D 인쇄 탄성체에 대한 연구 결과를 발표했다. 이 기술로 준비된 고무 밴드는 자체 길이의 9배까지 늘어나며, 최대 인장 강도는 94.6MPa에 달할 수 있어 1제곱밀리미터당 거의 10킬로그램의 중력을 견딜 수 있으며, 초고강도와 강인함을 보여준다.

「완성품의 성형 속도와 인성 사이의 조화」

광중합 3D 프린팅(SLA, DLP, LCD) 과정에서 생산 효율성을 높이려면 더 빠른 성형 속도가 필요하지만, 이는 재료의 교차 결합 밀도를 증가시키고 경화 과정에서 재료의 인성(toughness)을 감소시키게 됩니다. 전통적인 방법에서는 재료의 인성이 증가할 때 재료의 점도도 함께 증가하여 유동성이 감소하고 성형 속도가 느려지게 됩니다. 3D 프린팅의 성형 속도와 완제품의 인성 간의 모순은 항상 업계 전체를 괴롭혀 왔습니다.

중국 과학자들은 이 두 가지 모순을 "화해"시켰다. 연구원들은 광경화 3D 인쇄의 원료인 광감성 수지와 인쇄 공정을 분석하고 단계적인 인쇄 및 후처리 전략을 제안했다. 연구팀은 메타크릴레이트 디프리미어를 포함한 DLP(디지털 라이트 프로세싱) 사전체를 설계했는데, 이는 동적 방해 유레아 결합과 메인 체인에 있는 두 개의 카복실기 그룹을 포함하고 있다. 인쇄 및 성형 단계에서 이러한 핵심 구성 요소는 "잠복" 상태에 있으며, 성형 후 처리 단계에서 강화 역할을 한다.

a. 3D 인쇄 물체 및 후처리 중 발생하는 차원 변화; b. 3D 인쇄 풍선의 찌르기 저항 성능; c. 기계적 찌르기 힘 모델링; d-e. 3D 인쇄 공압 그ripper 무게 들어 올리기 테스트. 이미지 출처: 참고문헌 [1]

90°C의 후처리 단계에서 3D 인쇄 제품의 방해받는 유레아 결합이 분리되어 이소시아네이트 기를 생성하며, 이는 한편으로는 측사슬 카복실기와 아미드 결합을 형성하고, 다른 한편으로는 카복실기가 흡수한 수분과 반응하여 유레아 결합을 형성합니다. 분자 내 화학 결합의 변화는 물질의 단일 네트워크 구조를 "손을 맞잡듯" 얽힌 네트워크 구조로 연결하여 더 많은 수소 결합을 생성하고 물질의 내부 구조를 강화합니다. 바로 이러한 물질의 내부 구조 변화로 인해 외부 힘에 의해 변형될 때 3D 인쇄 제품은 더 큰 충격 흡수 공간을 가지게 되며, 이는 차량 충돌 시 에너지를 흡수하는 효과와 유사하여 제품의 충격 저항과 파괴 저항을 향상시키고 더 높은 인성(靭性)을 갖게 합니다.

실험 결과 DLP 프리커서를 사용하여 3D 프린팅으로 제작한 두께가 단지 0.8mm인 필름이 매우 강력한 방관통 성능을 보여주어 74.4뉴턴의 힘을 견디며 깨지지 않는 것으로 나타났다. 심지어 고압 인플레이션 조건하에서도 3D 프린팅 공기 그ripper는 표면에 날카로운 가시가 있는 70그램의 구리 공을 잡을 수 있으며 깨지지 않아 이는 3D 프린팅 제품의 초고강도와 구조적 강도를 보여준다.

3D 프린팅 탄성체의 광범위한 응용

스포츠 용품 분야에서 3D 인쇄 엘라스토머는 운동선수들에게 개인화된 고성능 장비를 제공합니다. 예를 들어, 맞춤형 인솔과 보호 장비는 엘라스토머의 충격 흡수 및 지지 특성을 사용하여 선수들의 스포츠 성능을 최적화하고 착용 경험을 향상시킵니다. 특히 극한 스포츠와 고충격 스포츠에서 3D 인쇄 엘라스토머 소재는 운동 중 선수에게 가하는 충격을大幅히 줄이고 관절과 근육의 부상을 방지합니다.

자동차 및 항공 우주 분야에서는 3D 인쇄 엘라스토머가 경량 충격 흡수 부품 및 씰과 같은 주요 구성 요소에 사용됩니다. 이러한 부품은 복잡한 구조 설계를 통해 무게를 줄이고 높은 성능을 유지할 수 있습니다.

전자 제품 분야에서는 스마트 스피커, 스마트 밴드, 모바일 폰 케이스 등 다양한 제품에 탄성체 재료를 인쇄할 수 있습니다. 이러한 제품들은 뛰어난 부드러움과 탄성을 갖추고 있으며, 높은 내마모성과 내구성을 가지고 있어 소비자의 제품 외관 및 성능에 대한 다각적인 요구를 충족시킬 수 있습니다.

산업 제조 분야에서는 3D 프린팅 탄성체 기술을 이용해 다양한 산업용 금형 및 전동 벨트 등의 부품을 제작합니다. 이 부품들은 더 큰 기계적 응력과 진동을 견뎌내야 하며, 우수한 탄성과 피로 저항력을 가진 탄성체 재료는 이상적인 선택입니다. 3D 프린팅 기술로 이러한 부품들을 제조하면 생산 효율성을 향상시키고 제조 비용도 줄일 수 있습니다.

3D 프린팅 탄성체 기술의 등장으로 3D 프린팅 제품의 사용 사례가 더욱 확대되었으며, 우리의 생활에 더욱 다채로운 가능성을 가져다주었습니다.