진동을 차갑게 멈추는 과학자들의 3D 프린팅 재료

이제 과학자들은 점진적인 여정의 전환점에 도달했을 수 있습니다. 미시간 대학과 공군 연구소(AFRL)의 연구원들은 독특한 내부 기하학적 구조를 통해 천연 소재에서는 볼 수 없는 방식으로 진동을 억제할 수 있는 복잡한 관형 구조를 3D 프린팅하는 방법을 시연했습니다. 이러한 창조물은 기계적 메타물질, 즉 구성이 아닌 디자인에서 전적으로 나오는 특성을 지닌 공학적 물질로 알려진 클래스에 속합니다.

진동을 차단하거나 줄이는 기능은 운송에서 건설에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 유용할 수 있습니다. 팀의 연구 결과는 다음과 같이 발표되었습니다. 실제 검토 적용수십 년간의 이론과 컴퓨터 모델링을 바탕으로 진동을 수동적으로 방해할 수 있는 실제 구조를 생성합니다.

AFRL의 연구원인 James McInerney는 “여기가 진짜 참신함입니다. 우리는 실제로 이러한 것들을 만들 수 있다는 것을 깨달았습니다.”라고 말했습니다. McInerney는 이전에 새로운 연구의 저자이기도 한 물리학 교수인 Xiaoming Mao와 함께 일하면서 UM의 박사후 연구원이었습니다.

McInerney는 “우리는 이것이 좋은 목적으로 적용될 수 있다고 낙관하고 있습니다. 이 경우 진동 차단이 가능합니다”라고 말했습니다.

이 프로젝트는 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)와 해군 연구실로부터 부분 자금을 지원받았으며 국립 과학, 공학 및 의학 아카데미가 관리하는 미국 국립 연구 위원회 연구 연합 프로그램의 지원도 포함했습니다.

기고자에는 um의 기계 공학 부교수인 Serife Tol이 포함되었습니다. 텍사스 대학의 Othman Oudghiri-Idrissi; 그리고 Afrl의 Carson Willy와 Abigail Juhl도 있습니다.

“수세기 동안 인간은 화학을 변경하여 재료를 개선해 왔습니다. 우리의 연구는 특이하고 유용한 특성을 생성하는 것이 화학이 아닌 기하학인 메타물질 분야를 기반으로 합니다.”라고 Mao는 말했습니다. “이러한 기하학적 원리는 나노 규모에서 거시 규모까지 적용할 수 있어 탁월한 견고성을 제공합니다.”

구조적 기초

McInerney에 따르면 이번 연구는 고전 구조 공학, 현대 물리학, 3D 프린팅과 같은 최첨단 제조 도구를 결합한 것입니다.

“우리가 처음부터 엄청나게 정밀하게 재료를 제조할 수 있을 가능성이 실제로 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “비전은 우리가 매우 구체적으로 구성된 재료를 만들 수 있다는 것입니다. 그리고 우리가 묻는 질문은 ‘그것으로 무엇을 할 수 있습니까? 우리가 사용하던 것과 다른 새로운 재료를 어떻게 만들 수 있습니까?’입니다.”

Mao가 지적했듯이, 팀은 재료의 화학적 성질이나 분자 구성을 변경하지 않습니다. 대신 그들은 모양과 구조를 미세하게 제어하여 새롭고 유리한 기계적 특성을 생성할 수 있는 방법을 탐구하고 있습니다.

실제로 이러한 접근 방식은 이미 존재합니다. 예를 들어, 인간의 뼈와 플랑크톤 껍질은 복잡한 기하학적 구조를 사용하여 단순한 재료에서 놀라운 강도와 탄력성을 얻습니다. 3D 프린팅과 같은 기술을 통해 과학자들은 이제 금속, 폴리머 및 기타 물질의 자연스러운 디자인 원리를 복제하고 향상하여 이전에는 불가능했던 효과를 얻을 수 있습니다.

McInerney는 “강철과 플라스틱을 대체하려는 것이 아니라 이를 보다 효과적으로 사용하려는 아이디어입니다.”라고 말했습니다.

뉴스쿨과 올드스쿨의 만남

이 작업은 현대적인 혁신에 의존하지만 중요한 역사적 토대를 가지고 있습니다. 그 중 하나는 19세기의 유명한 물리학자 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)의 연구입니다. McInerney는 전자기학과 열역학 분야의 연구로 가장 잘 알려져 있지만 역학에도 손을 대고 Maxwell 격자라고 불리는 반복 하위 단위를 사용하여 안정적인 구조를 만들기 위한 유용한 설계 고려 사항을 개발했다고 말했습니다.

새로운 연구의 또 다른 핵심 개념은 20세기 후반에 물리학자들이 재료의 가장자리와 경계 근처에서 흥미롭고 난해한 행동이 나타난다는 것을 발견하면서 나타났습니다. 이로 인해 토폴로지(topology)라는 새로운 연구 분야가 탄생했습니다. 이 분야는 여전히 활발히 활동하고 있으며 이러한 동작을 설명하고 현실 세계에서 이를 활용하는 데 도움을 주고 있습니다.

McInerney는 “약 10년 전에 Maxwell 격자가 위상 위상을 나타낼 수 있다는 사실을 발견한 중요한 출판물이 있었습니다.”라고 말했습니다.

지난 몇 년 동안 McInerney와 동료들은 진동 절연과 관련된 연구의 의미를 탐구했습니다. 팀은 해당 동작을 설명하는 모델과 이를 표시할 실제 개체를 디자인하는 방법을 구축했습니다. 이제 팀은 실제로 3D 프린팅된 나일론으로 그러한 물체를 만들어 모델이 가장 발전된 단계에 있음을 입증했습니다.

구조물을 대략적으로 살펴보면 이전에 구조물을 만드는 것이 왜 그토록 어려웠는지 알 수 있습니다. 그들은 내부와 외부 레이어가 연결된 튜브로 접혀서 말아 올려진 체인 링크 울타리와 유사합니다. 물리학자들은 유사한 패턴을 사용하는 전통적인 일본 바구니 직조를 참조하여 이러한 카고메 튜브라고 부릅니다.

그러나 이것은 그러한 구조의 잠재력을 실현하는 첫 번째 단계일 뿐이라고 McInerney는 말했습니다. 예를 들어, 이 연구는 또한 구조가 진동을 더 잘 억제할수록 지탱할 수 있는 무게가 줄어든다는 사실도 보여주었습니다. 이는 애플리케이션 측면에서 비용이 많이 들고 잠재적으로 수용할 수 없는 절충안이지만 근본적인 수준에 남아 있는 흥미로운 기회와 질문을 강조한다고 그는 말했습니다.

이러한 새로운 구조가 만들어짐에 따라 과학자와 엔지니어는 이를 테스트하고 특성화하고 평가하기 위한 새로운 표준과 접근 방식을 구축해야 하며 이는 McInerney를 흥분시키는 과제입니다.

“우리는 이러한 새로운 동작을 가지고 있기 때문에 모델뿐만 아니라 모델을 테스트하는 방법, 테스트에서 도출할 결론, 이러한 결론을 설계 프로세스에 구현하는 방법을 여전히 밝혀내고 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “애플리케이션에 대한 질문에 답하기 전에 솔직하게 대답해야 할 질문이라고 생각합니다.”