3D프린팅에 적합한 더 나은 플라스틱, 조절 가능하고 저렴하다.

프린스턴 엔지니어들은 프로그래밍된 신축성과 유연성을 가진 연성 플라스틱을 제조하는 쉽게 확장 가능한 3D프린팅기술을 개발했으며, 재활용 가능하고 저렴하다. 이는 일반적으로 상업적으로 제조되는 소재에는 결합되지 않는 특성이다.

저널 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈에 실린 기사에서 에밀리 데이비슨(Emily Davidson이 이끄는 팀은 열가소성 엘라스토머라는 널리 이용 가능한 폴리머를 사용하여 조정 가능한 강성을 가진 연성 3D프린팅 구조를 만들었다고 보고했다.

엔지니어는 3D프린터에서 사용하는 인쇄 경로를 설계하여 플라스틱의 물리적 특성을 프로그래밍할 수 있으므로 장치가 한 방향으로 반복적으로 늘어나고 구부러지는 동시에 다른 방향으로는 강성을 유지할 수 있다. 화학 및 생물 공학 조교수인 데이비슨은 연성 구조 소재를 엔지니어링하는 이러한 접근 방식이 연성 로봇, 의료 기기 및 보철물, 강력하고 가벼운 헬멧, 맞춤형 고성능 신발 밑창 등 다양한 용도로 사용될 수 있다고 말했다.

재료 성능의 핵심은 가장 작은 수준에서의 내부 구조이다. 연구팀은 신축성 있는 폴리머 매트릭스 내부에 두께가 5~7나노미터(비교를 위해 인간의 머리카락은 약 90,000나노미터)인 단단한 원통형 구조를 형성하는 블록 공중합체 유형을 사용했다.

연구자들은 3D프린팅을 사용하여 이러한 나노스케일 원통을 배치했으며, 그 결과 한 방향으로는 단단하지만 다른 거의 모든 방향으로는 부드럽고 신축성 있는 3D프린팅 재료가 탄생했다. 설계자는 이러한 원통을 단일 객체 전체에 걸쳐 다른 방향으로 배치할 수 있으며, 객체의 다른 영역에서 강성과 신축성을 보이는 부드러운 아키텍처가 탄생했다.

"우리가 사용하는 엘라스토머는 우리가 제어할 수 있는 나노 구조를 형성한다."라고 데이비슨이 말했다. 이를 통해 설계자는 완제품에 대한 상당한 수준의 제어력을 가질 수 있다. "우리는 다양한 방향으로 맞춤형 특성을 가진 소재를 만들 수 있다."

이 작은 꽃병은 한 방향으로는 딱딱하고 다른 방향으로는 구부러진다.

이 공정을 개발하는 첫 번째 단계는 올바른 폴리머를 선택하는 것이었다. 연구자들은 열가소성 엘라스토머를 선택했는데, 이는 폴리머 용융물로 가열 및 가공할 수 있지만 냉각되면 탄성 소재로 응고되는 블록 공중합체이다. 분자 수준에서 폴리머는 연결된 분자의 긴 사슬이다. 전통적인 호모폴리머는 반복되는 분자 하나의 긴 사슬인 반면, 블록 공중합체는 서로 연결된 다른 호모폴리머로 구성된다. 블록 공중합체 사슬의 이러한 다른 영역은 기름과 물과 같다. 즉, 섞이지 않고 분리된다. 연구자들은 이 특성을 사용하여 신축성 있는 매트릭스 내에 단단한 원통형 소재를 생산했다.

연구자들은 이러한 블록 공중합체 나노 구조가 어떻게 형성되고 흐름에 어떻게 반응하는지에 대한 지식을 사용하여 이러한 단단한 나노 구조의 정렬을 효과적으로 유도하는 3D프린팅기술을 개발했다. 연구자들은 인쇄 속도와 제어된 과소 압출을 사용하여 인쇄된 재료의 물리적 특성을 제어하는 ​​방법을 분석했다.

프린스턴 대학의 대학원생이자 이 기사의 주저자인 앨리스 퍼거슨은 이 기술과 열 어닐링(재료의 제어된 가열 및 냉각)이 수행하는 주요 역할에 대해 이야기했다.

"나는 이 기술의 가장 멋진 부분 중 하나가 열 어닐링이 수행하는 여러 역할이라고 생각한다. 인쇄 후 특성을 크게 개선하고 인쇄한 물건을 여러 번 재사용할 수 있게 하며, 품목이 손상되거나 깨져도 자체 복구할 수 있다."

데이비슨은 이 프로젝트의 목표 중 하나가 산업에서 저렴하고 확장 가능한 방식으로 국소적으로 조정할 수 있는 기계적 특성을 가진 연성 소재를 만드는 것이라고 말했다. 액정 엘라스토머와 같은 소재를 사용하여 국소적으로 제어되는 특성을 가진 유사한 구조를 만드는 것이 가능하다. 하지만 데이비슨은 이러한 소재가 비싸고(그램당 2.50달러 이상) 신중하게 제어된 압출과 자외선 노출을 포함하는 다단계 처리가 필요하다고 말했다. 데이비슨 연구실에서 사용하는 열가소성 엘라스토머는 그램당 약 1센트이며 상업용 3D프린터로 인쇄할 수 있다.

연구자들은 이 기술이 소재 특성을 제어하는 ​​능력을 저하시키지 않고 열가소성 엘라스토머에 기능성 첨가제를 통합할 수 있는 능력을 보여주었다. 한 예로, 그들은 자외선에 노출되면 플라스틱이 붉게 빛나도록 하는 린 루 교수의 그룹이 개발한 유기 분자를 추가했다. 그들은 또한 프린터가 작은 플라스틱 꽃병과 날카로운 회전을 사용하여 PRINCETON을 철자하는 인쇄된 텍스트를 포함하여 복잡하고 다층 구조를 생성할 수 있는 능력을 보여주었다.

어닐링은 내부 나노 구조의 질서를 완벽하게 하는 데 있어 프로세스에서 핵심적인 역할을 한다. 데이비슨은 어닐링이 재료의 자가 치유 특성도 가능하게 한다고 말했다. 연구자들은 작업의 일환으로 인쇄된 플라스틱의 유연한 샘플을 잘라내고 재료를 어닐링하여 다시 부착할 수 있다. 수리된 재료는 원래 샘플과 동일한 특성을 보였다. 연구자들은 원래 재료와 수리된 재료 사이에 "큰 차이가 없다"고 말했다.

다음 단계로 연구팀은 웨어러블 전자 장치 및 생체 의료 기기와 같은 응용 프로그램과 호환되는 새로운 3D프린팅 아키텍처를 탐색하기 시작할 것으로 예상한다.