변형성을 희생시키면서 플라스틱으로 인쇄된 물체를 강화하는 기존의 열처리와 비교할 때 CityU 접근 방식은 물체를 부분적으로만 탄화하여 더 견고하고 두 배 더 연성을 만든다. 그들의 프로세스를 사용하여 팀은 관상 동맥 스텐트 또는 바이오 임플란트와 같은 특정 응용 분야에 맞게 조정된 기계적 특성을 가진 정교한 3D 인쇄를 실현할 수 있다고 말한다.

"우리는 약하고 부서지기 쉬운 3D 인쇄된 포토폴리머를 적절한 조건에서 가열하여 금속 및 합금에 필적하는 초강력 3D 아키텍처로 변환하는 방법을 찾았다. 이는 놀라운 일이다."라고 CityU의 Lu Yang 교수가 말했다. "우리의 작업은 거의 모든 형상으로 가볍고 강하며 연성이 있는 기계적 메타물질을 만들기 위한 저렴하고 간단하며 확장 가능한 경로를 제공한다."

물질의 '성배'를 쫓다

CityU 과학자들에 따르면 매우 높은 수준의 강도와 연성을 갖는 동시에 가벼운 폴리머를 개발하는 것은 재료 R&D의 "성배"로 간주되지만 이러한 특성은 종종 "상호 배타적"이다.

이는 불활성 분위기에서 가열을 통해 플라스틱 부품을 강화 탄소로 변환하는 데 자주 사용되는 공정인 열분해가 원래 폴리머에서 거의 모든 변형성을 박탈하기 때문이다. 팀은 다른 플라스틱 강화 방법의 존재를 인정하지만 이것이 "[결과 부품의] 구조적 적용을 제한"하는 "본질적인 취성 및 낮은 인성"으로 이어진다고 말한다.

특히, 이러한 결점은 자연 발생 공급원료에서 볼 수 없는 특성을 갖도록 설계된 '메타물질'로 부품 제조를 제한했다. 이들의 특정 반복은 경량 구조 설계와 구성 재료의 품질을 결합하는 미세 격자를 만드는 데 사용할 수 있지만 연구원들은 3D 인쇄 가능성이 여전히 제한적이라고 말한다.

"강하고 견고한 구조의 구성 요소는 일반적으로 금속 또는 합금을 3D 인쇄해야 하지만 상업용 금속 3D 프린터 및 원자재의 높은 비용과 저해상도로 인해 쉽게 접근할 수 없다."라고 Yang이 덧붙인다. "폴리머는 더 쉽게 접근할 수 있지만 일반적으로 기계적 강도나 인성이 부족하다."

부분적으로 탄화된 재료의 강화된 강도를 나타내는 그래픽 요약. James Surjadi 외, CityU를 통한 이미지.

100배 더 강한 폴리머 개발

3D 프린팅 고분자 격자에 대한 연구 과정에서 CityU 팀은 부분 탄화의 "마법과 같은" 상태로 가열하는 방법을 생각해 냈다고 말한다. 열분해 과정의 가열 속도, 온도, 지속 시간 및 가스 환경을 주의 깊게 제어함으로써 과학자들은 단일 단계에서 미세 격자의 강성, 강도 및 연성을 향상시킬 수 있음을 발견했다.

연구원들은 일련의 특성화 기술을 통해 발견했는데, 이는 느린 가열이 열분해 전환 동안 재료의 중합체 사슬의 불완전한 전환으로 이어진다는 것을 밝혀냈다. 이것은 구조적으로 강화된 탄소 조각과 복합재가 부서지는 것을 방지하는 느슨하게 가교된 폴리머 사슬이 시너지적으로 공존하는 하이브리드 재료를 산출한다.

추가 R&D를 통해 연구원들은 폴리머 대 탄소 조각의 비율이 강도와 연성이 최적화된 부품 생산에 매우 중요하다는 사실을 계속 발견했다. 그들의 이론을 테스트하기 위해 팀은 이전보다 100배 더 강하고 2배 더 연성이 있는 탄화 격자를 반복적으로 개발할 수 있었던 여러 테스트 프린트를 만들었다.

추가 이점으로, 연구원의 '하이브리드-탄소' 미세 격자는 기본 폴리머보다 더 나은 생체 적합성을 보였고 심지어 세포 생체 활성을 지원할 수 있는 능력이 더 뛰어남을 입증했다. 이를 염두에 두고 연구팀은 그들의 프로세스가 앞으로 나아가는 다양한 다른 폴리머의 기능을 확장하고 새로운 의료, 로봇 및 에너지 장치 3D 프린팅 재료의 잠금을 해제하는 데 사용될 수 있다고 믿는다.

과학자들의 부분 탄화 공정을 사용하여 처리된 3D 인쇄된 관상 동맥 스텐트. 사진 제공: James Utama Surjadi et al, CityU.

3D 프린팅의 격자 강화

충격 흡수 및 재료 효율성을 향상시키면서 무게를 줄이기 위해 격자 형상을 가진 부품을 개발하는 개념은 3D 프린팅 업계에서 오랫동안 사용되어 왔다. 2022년 6월에 도입된 nTopology의 새로운 격자 설계 도구를 통해 사용자는 고급 DfAM 기술을 적용하여 격자 생성 프로세스를 간소화할 수 있으며 파이프라인에서 더 많은 업그레이드가 있다고 한다.

General Lattice는 고급 격자 형상을 가진 3D 인쇄 에너지 흡수 전투 헬멧을 개발하기 위해 미 육군으로부터 계약을 수주했다. 현재 시카고에 있는 General Lattice 시설에서 진행 중인 이 프로젝트는 회사가 개선된 격자 재료를 설계하고 생성하기 위한 예측 모델링 도구 세트를 개발하는 것을 보았다.

보다 실험적인 수준에서 생산 서비스 제공업체인 Rapid Product Manufacturing(RPM)은 소비재 애플리케이션을 위한 복잡한 3D 인쇄 격자를 개발하기 위한 연구 보조금을 받았다. 탄소 디지털 광 합성(DLS) 기술과 EPU41/EPU40 재료를 사용하여 RPM은 산업 및 소비재 잠재력이 있는 복잡한 탄성 구조를 만들기 위해 노력하고 있다.

연구원들의 발견은 "경량, 초강력, 3D 구조의 하이브리드 탄소 미세 격자"라는 제목의 논문에 자세히 설명되어 있다.