과학자들은 3D 프린팅 대신 금속을 성장시켜 20배 더 강해졌습니다.

일부 연구자들은 이러한 인쇄된 폴리머를 금속 및 세라믹과 같은 더 강한 재료로 바꾸는 기술을 개발했지만 EPFL 공과대학 재료 및 제조 화학 실험실을 이끄는 Daryl Yee는 이러한 접근 방식에 큰 결함이 있다고 말합니다. “이러한 재료는 다공성 경향이 있어 강도가 크게 감소하며 부품은 과도한 수축으로 인해 뒤틀림이 발생합니다.”라고 그는 말합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Yee와 그의 팀은 다음과 같은 논문에 설명된 새로운 접근 방식을 도입했습니다. 첨단소재. 연구진은 이미 금속 화합물과 혼합된 수지를 경화시키는 대신 먼저 하이드로겔이라고 알려진 간단한 수성 젤을 사용하여 프레임워크를 3D 프린팅했습니다. 그런 다음 이 “빈” 구조를 금속염에 담그면 화학적으로 젤 전체에 퍼지는 작은 금속 함유 나노입자로 변환됩니다. 이 과정을 여러 번 반복하면 금속 함량이 매우 높은 복합재를 만들 수 있습니다.

이러한 “성장 주기”가 5~10회 후에 가열을 통해 남은 하이드로겔이 제거되고 원래 인쇄된 젤의 모양과 정확하게 일치하는 조밀한 금속 또는 세라믹 물체가 남습니다. 금속염은 인쇄 후에만 첨가되기 때문에 동일한 하이드로겔 템플릿을 사용하여 다양한 금속, 세라믹 또는 복합 재료를 만들 수 있습니다.

Yee는 “우리의 작업은 접근 가능하고 저렴한 3D 프린팅 프로세스를 통해 고품질 금속 및 세라믹을 제작할 수 있을 뿐만 아니라 3D 프린팅 이전이 아닌 3D 프린팅 후에 재료 선택이 이루어지는 적층 제조의 새로운 패러다임을 강조합니다”라고 요약합니다.

고급 3D 아키텍처 타겟팅

연구를 위해 팀은 철, 은, 구리로 자이로이드라고 불리는 복잡한 수학적 격자 모양을 제작하여 강력하면서도 복잡한 구조를 생성하는 기술의 능력을 입증했습니다. 재료의 강도를 테스트하기 위해 그들은 만능 시험기라는 장치를 사용하여 자이로이드에 점점 더 많은 압력을 가했습니다.

“우리의 재료는 이전 방법으로 생산된 재료에 비해 20배 더 많은 압력을 견딜 수 있었으며 수축률은 60~90%에 비해 20%에 불과했습니다”라고 박사 과정 학생이자 제1저자인 Yiming Ji는 말했습니다.

과학자들은 그들의 기술이 센서, 생체 의학 장치 또는 에너지 변환 및 저장 장치와 같이 강력하고 가벼우며 복잡해야 하는 고급 3D 아키텍처를 제작하는 데 특히 흥미롭다고 말합니다. 예를 들어, 금속 촉매는 화학 에너지를 전기로 변환하는 반응을 활성화하는 데 필수적입니다. 다른 응용 분야에는 에너지 기술을 위한 고급 냉각 특성을 갖춘 고표면적 금속이 포함될 수 있습니다.

앞으로 팀은 특히 재료의 밀도를 더욱 높여 업계의 활용을 촉진하기 위해 프로세스를 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 또 다른 목표는 속도입니다. 반복적인 주입 단계는 더 강한 재료를 생산하는 데 필수적이지만 폴리머를 금속으로 변환하는 다른 3D 프린팅 기술에 비해 시간이 더 많이 걸립니다. Yee는 “우리는 이미 로봇을 사용하여 이러한 단계를 자동화함으로써 총 처리 시간을 단축하기 위해 노력하고 있습니다”라고 말합니다.