[📪정보] 3D 프린팅이 더 크고 빠르며 강력 해집니다

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00271-6

연구 발전은 한 번의 틈새 기술의 이미지를 변화시키고 있습니다.

HARP는 대형 3D 객체를 수직으로 연속적으로 인쇄하므로 실제로 작동합니다.

일리노이 주 노스 웨스턴 대학교 (Northwestern University)의 채드 미르 킨 (Chad Mirkin) 연구소의 레진 프린터는 몇 시간 안에 사람과 같은 크기의 구조물을 만들 수 있습니다 (이미지 시퀀스 속도 향상). 크레딧 : Northwestern University

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금속 플랫폼이 액체 수지 통에서 상승함에 따라 라군에서 나오는 왁스 같은 생물과 같이 액체에서 복잡한 흰색 모양을 끌어냅니다. 이 기계는 세계에서 가장 빠른 수지 기반의 3D 프린터이며 몇 시간 만에 사람처럼 큰 플라스틱 구조를 만들 수 있다고 일리노이 주 에반 스턴에있는 노스 웨스턴 대학의 화학자 인 채드 미킨 (Chad Mirkin)은 말합니다. Mirkin과 그의 동료들이 지난 10 월 1 일에보고 한 기계, 3D 프린팅의 수많은 연구 발전 중 하나로서 기술의 전망을 한 번에 작고 품질이 낮은 프로토 타입 부품 제작에 유용한 것으로 확대 한 기술 중 하나입니다. 3D 프린팅이 더 빨라지고 더 큰 제품을 생산할뿐만 아니라 과학자들은 혁신적인 방법으로 인쇄하고 더 강한 재료를 만들고 때로는 같은 제품에 여러 재료를 혼합하고 있습니다.

운동복 회사, 항공 및 항공 우주 제조업체 및 의료 기기 회사가 활용하기를 열망하고 있습니다. 케임브리지의 하버드 대학교 소재 과학자 인 제니퍼 루이스 (Jennifer Lewis)는“집에 앉아서 차를 수리하려고하는 것을 정확하게 인쇄 할 수는 없지만 곧 주요 기술 회사가이 기술을 채택하고 있습니다. , 매사추세츠.

최신 기술은 연구자에게 유리할 수 있으며, 그중 많은 사람들이 Lewis와 Mirkin은 이미 자신의 연구를 상용화하고 있습니다. 영국 셰필드 대학의 야금학자인 이언 토드 (Iain Todd)는 또한 근본적으로 흥미 진진하다고 말했다. “우리는 우리가 얻을 수 없을 것이라고 생각한 이러한 자료를 통해 성능을 얻을 수 있습니다. 이것이 재료 과학자에게 정말 흥미로운 일입니다. 이로 인해 사람들이 새로운 이상한 것에 익숙해졌습니다.”

장신구에서 제품까지

3D 프린팅 기술은 더 큰 블록에서 모양을 자르거나 밀링하거나 금형에서 용융 된 재료를 주조하는 대신 아래에서 위로 물건을 만드는 과정을 포함하기 때문에 '가산 제조'라고도합니다. 장점은 낭비가 적고 복잡한 격자 구조와 같은 사용자 정의 디자인을 인쇄하기 어려운 인쇄 기능이 있습니다. 저가형 애호가 기계는 가열식 노즐에서 얇은 플라스틱 필라멘트를 짜내 어 FDM (Fused Deposition Modeling)이라고하는 방법으로 층별로 구조를 구축하여 인쇄합니다. 그러나 3D 프린팅이라는 용어는 훨씬 광범위한 기술을 포함합니다. 가장 오래된 것 중 하나는 자외선 레이저를 사용하여 감광성 수지를 층별로 스캔하고 고형화 (또는 '경화')합니다. 이 개념은 Charles Hull이 출원 한 특허에서 1984 년까지 거슬러 올라갑니다.2 , 사우스 캐롤라이나 주 록힐에 3D Systems라는 회사의 설립자.

미르 킨을 포함한 최신 기술은 여전히 감광성 수지를 사용하지만 채플 힐 3 노스 캐롤라이나 대학교의 화학자 및 재료 과학자 인 조셉 데 시몬 (Joseph DeSimone)이 이끄는 팀에 의해 2015 년에보고 된 개선에 따라 여전히 감광성 수지를 사용하지만 더 빠르고 대규모입니다. . 초기 프린터는 느리고 소규모였으며 층이 있고 불완전하며 약한 구조를 만드는 경향이있었습니다. 이들은 빠른 프로토 타입 제작의 틈새를 발견하여 기존의 방법으로 나중에 생산할 수 있도록 플라스틱 모델 부품을 모형으로 만들었습니다. 호주 멜버른에 위치한 모나 쉬 대학교 (Monash University)의 고분자 과학자 인 티모시 스캇 (Timothy Scott)은 연구 분야에서 이런 종류의 인쇄는 스릴이 아니라고 말했다. 고분자 화학자에게는 꽤 지루했습니다.”

2015 년 채플 힐에있는 노스 캐롤라이나 대학교 (University of North Carolina)의 Joseph DeSimone은 3D 인쇄 속도를 높이는 기술을 발표했습니다. 크레딧 : Carbon 3D Inc.

그런 다음 DeSimone은 기존 프린터보다 최대 100 배 빠른 감광성 수지 인쇄 방법을 발표했습니다 3 . 수지 통에 담긴 스테이지를 사용합니다. 디지털 프로젝터는 통 바닥의 투명한 창을 통해 미리 프로그램 된 이미지를 무대에 비 춥니 다. 빛은 전체 수 지층을 한 번에 경화합니다. DeSimone의 발전은 창문을 산소 투과성으로 만드는 것이었다. 이로 인해 경화 반응이 중단되고 창 표면 바로 위에 얇은 완충 층 또는 '데드 존'이 생성되어 층이 인쇄 될 때마다 수지가 통의 바닥에 달라 붙지 않습니다. 새로운 층이 바닥에 추가됨에 따라 스테이지가 지속적으로 상승하여 액체를 통해 완성 된 부품을 위로 당깁니다.

다른 연구실도 당시 비슷한 개념을 연구하고 있었다고 Lewis는 말했다. 그러나 DeSimone 수지에 대해 가장 인상적인 것은 인쇄 후 열처리에서 두 번째 반응을 거쳐 완제품을 강화할 수 있다는 것입니다. Lewis는“이것은 훨씬 더 광범위한 재료를 엽니 다.

3D 프린팅에 대해 알고있는 모든 것을 잊어 버리십시오.

많은 연구 그룹과 회사가 그 작업을 기반으로 구축되었습니다. Mirkin의 프린터는 통의 바닥을 가로 질러 투명한 오일 층을 펌핑하여 중합체의 반응을 억제합니다. 또한 냉각제 역할을하여 인쇄 부품을 변형시킬 수있는 열을 제거합니다. 즉, 장비가 산소에 의해 억제되는 수지로 인쇄하는 것으로 제한되지 않습니다. 그는 프린터가 DeSimone보다 10 배 빠른 재료를 생산한다고 말합니다. 마지막 월 스콧 앤 아버 미시간 대학에서 그의 동료 마크 번즈 수지에 빛의 다른 파장 방출 제 램프에 의해 활성화 될 수있는 화학 물질을 혼합하여 반응을 저해하는 프린터보고 4. 두 광원의 강도 비율을 변경함으로써 연구원들은 광 차단 영역의 두께를 제어하여 씰이나 로고가 엠보싱 처리 된 표면과 같은보다 복잡한 패턴을 만들 수 있습니다.

3D 프린팅의 발명은 종종 상업적으로 빠른 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어, DeSimone의 논문은 같은 날 캐나다 밴쿠버 에서 열린 TED 강연 에서 발표되었으며 2 년 전 회사를 조용히 등록했지만 캘리포니아 주 레드 우드 시티에서 벤처 기업인 Carbon 3D를 공식적으로 시작했습니다. . 이 회사는 이제 3D 프린팅에서 가장 큰 스타트 업 중 하나입니다. 이미 공개 자금 조달 라운드에서 6 억 6 천 6 백만 달러를 모금했으며 24 억 달러로 평가되었습니다. 운동화를위한 고무 같은 미드솔을 만들기 위해 Adidas와 계약을 맺었으며, 스포츠 장비 회사 인 Riddell과 미국 축구 선수를위한 맞춤형 헬멧 패딩을 제조했습니다.

아디다스 퓨처 크래프트 4D 신발의 합성 이미지와 다양한 미식 축구 헬멧 패드

Carbon 3D의 기술은 아디다스 신발 (왼쪽)과 미식 축구 헬멧 용 패딩 (오른쪽)을 인쇄하는 데 사용됩니다. 크레딧 : Carbon 3D Inc.

Mirkin과 그의 동료 James Hedrick과 David Walker는 또한 일리노이 주 Evanston에서 Azul 3D를 시작하여 기술을 상용화하기 위해 HARP (high-area rapid printing)라고 불렀습니다. Scott과 Burns는 Ann Arbor 기반의 스타트 업 Diplodocal을 사용하여 그리스에서 '이중 빔'이라는 이름으로 상용 프로토 타입 프린터를 준비하고 있습니다.

새로운 수지 인쇄 기술이 여전히 떠오르고 있습니다. 액체 수지를 담는 작은 회전 유리로 시작합니다. 유리가 회전함에 따라 프로젝터는 원하는 물체의 2D 슬라이스에 해당하는 비디오 루프를 그 위에 비 춥니 다. 몇 초 안에 최종 물체가 액체 수지 내부에서 응고되어 층이 필요하지 않습니다 5 . 이 방법은 X- 선 및 컴퓨터 단층 촬영 스캔에서 영감을 얻었으며, 이는 고체 물체의 단면을 이미징합니다. 이는 반대입니다. 3D 객체를 형성하기위한 역 투영 횡단면.

프로젝터는 액체 수지에 비디오 루프를 비추어 전체 객체가 한 레이어 씩이 아니라 한 번에 만들어집니다. 크레딧 : UC Berkeley

이처럼 빠르게 변화하는 분야 에서도이 기술은 Lewis가“기-위즈 팩터”라고 부르는 방향으로 향 했습니다. 사용 된 수지는 투명해야하며, 인쇄 된 물체는 빛이 통과하여 경화 될 수있을 정도로 작아야합니다. 그러나 그것은 또한 잠재적 인 이점이있다 : 다른 수지 기반 프린터는 좁은 데드 존을 빨아 들이기 위해 고점도의 수지를 처리 할 수있다. 그것은 더 강한 재료와 더 정확한 인쇄를 만들 수 있다는 것을 의미합니다.

캘리포니아에 소재한 로렌스 리버모어 국립 연구소 (LLL)의 재료 및 제조 엔지니어 인 크리스토퍼 스파 다 치니 (Christopher Spadaccini)는이 접근 방식이 업계에서 큰 관심을 끌고 있다고 말했다. Spadaccini는 지난 1 월 5 일에 작품을 발표 한 팀원이었습니다 . 로잔에있는 스위스 연방 기술 연구소 (EPFL)의 한 그룹은 동일한 개념을 독립적으로 개발했으며 6 시연도보고했습니다 . Spadaccini는이 기술이 하드웨어 요구 사항이 적기 때문에 엄청난 상업적 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다. "결국, 필요한 것은 중간 정도의 프로젝터와 회전 스테이지입니다."라고 그는 말합니다.

큰가

화학자들은 복잡한 수지를 3D 프린팅하는 데 더 현명한 방법으로 작업하는 동안 엔지니어들은 컴퓨터와 로봇을 사용하여 쏟아지는 공정을 정확하게 자동화하는 콘크리트의 3D 프린팅의 경계를 넓히고 있습니다.

칭화대 학교 (Tsinghua University)가 개발 한 3D 인쇄 콘크리트 보행자 다리를 밟는 사람들

Tsinghua University에서 개발 한 3D 인쇄 콘크리트 보행자 다리. 크레딧 : Imaginechina / Shutterstock

세계 최초의 3D 인쇄 콘크리트 보행자 다리는 스페인 바르셀로나 카탈로니아 고급 건축 연구소의 연구원들에 의해 만들어졌으며 2016 년 마드리드 근처 Alcobendas에있는 공원에 설치되었습니다. 12 미터 길이의 다리는 격자 구조를 특징으로합니다. 강도를 최대화하고 필요한 재료의 양을 줄이는 알고리즘으로 설계되었습니다. 베이징 칭화대 학교 (Tsinghua University)의 엔지니어들이 제작 한 중국 상하이의 26 미터 길이의 다리를 포함한 다른 팀도 비슷한 구조를 만들었습니다. 중국과 네덜란드의 팀과 회사에는 3D 인쇄 데모 하우스가 있습니다.

그러나 이러한 구조는 하나의 인쇄 작업으로 구성되지는 않습니다. 별도의 세그먼트가 인쇄 된 다음 연결됩니다. 교량 및 주택을보다 저렴하고 효율적으로 생산함으로써 3D 인쇄는 콘크리트의 탄소 발자국을 줄일 수 있지만 엔지니어가 더 많이 건설하도록 장려 할 수도 있습니다.

암스테르담 기업 MX3D는 스테인레스 스틸로 다리를 인쇄했습니다. 2018 년에 처음 공개 된이 브리지는 현재 테스트되고 있으며 암스테르담 운하를 통해 예정된 설치보다 센서를 설치했습니다.

금속 브리지를 인쇄하는 과정에서 MX3D 프린터보기. 크레딧 : Olivier de Gruijter / MX3D

그리고 로스 앤젤레스에있는 캘리포니아 신생 기업인 Relativity Space는 거의 3D 프린트 로켓을 건설하고 있다고 밝혔다. 이 로켓은 1,250 킬로그램을 낮은 지구 궤도로 들어올 리도록 설계되었으며 2021 년에 첫 시험 발사가 예정되어 있습니다. 인쇄 된 금속이 인쇄되지 않은 금속과 동일한 방열 성능을 갖는 것은 아니라고 Tim Ellis의 Relativity Space 최고 경영자는 말합니다. 인쇄 프로세스는 일반적으로 제조 할 수없는 형상에 냉각 채널을 추가 할 수 있습니다. Ellis는 로켓이 한 번 또는 몇 번만 사용되기 때문에 비행기 부품의 합금만큼 장기적으로 강할 필요는 없으며 수만 번의 압력 사이클에 걸친 고장에 견뎌야한다고 Ellis는 말했다.

창업 회사 인 Relativity Space의 금속 프린터는 2021 년에 대부분 3D 인쇄 로켓을 테스트하는 것을 목표로합니다. 크레딧 : Relativity Space

이 대규모 금속 인쇄 프로젝트는 재료를 용접하는 레이저에 얇은 금속 와이어를 공급하는 로봇 암으로 제작됩니다. 금속을 인쇄하는 다른 확립 된 방법은 레이저 또는 전자 빔을 사용하여 분말 층을 완제품 층으로 용융 시키거나 융합시킨다. 다른 기술은 분말 층을 액체 접착제로 묶은 다음 용광로에서 구조를 소결합니다. 또한 지난 몇 년 동안 설계된 프린터는 FDM에서와 거의 같은 방식으로 노즐을 통해 용융 금속을 압출합니다.

Boeing, Rolls Royce 및 Pratt & Whitney와 같은 항공 회사는 주로 제트 엔진 용 금속 부품을 만들기 위해 3D 인쇄를 사용하고 있습니다. 금속 블록을 밀링하는 것보다 저렴할 수 있으며 복잡한 구성 요소는 종종 기존 제품보다 무게가 작습니다.

그러나 3D 인쇄 금속은 최종 제품을 약화시킬 수있는 결함이 발생하기 쉽습니다. Spadaccini와 다른 사람들은 열이나 변형의 핫스팟과 같은 이상을 관찰하기 위해 센서와 고속 카메라 배열을 사용하고 실시간으로 조정하려고 노력하고 있다고 그는 말했다.

실험실에서 3D 프린팅을 사용하는 5 가지 혁신적인 방법

많은 과학자들은 또한 때때로 재료의 미세 구조를 제어함으로써 인쇄 금속의 고유 강도를 향상시키기를 희망하고 있습니다. 예를 들어 10 월 2017 년, 미국 팀은 3 차원 인쇄 스테인레스 스틸에 사용되는 강렬한 열 및 급속 냉각이 제품이 그 주조 종래보다 더 강한 것을 금속의 미세 구조는 바꿀 수 있다고보고 7 . 그리고 두 달 전 호주와 미국의 연구원들은 비슷한 강도 이점을 가진 티타늄 구리 합금을보고했습니다 8 . 이들이 고형화되면서 기존의 3D 인쇄 티타늄 합금은 기둥 모양의 구조로 자라는 입자를 형성하는 경향이있었습니다. 구리는 응고 과정을 가속화하여 곡물이 작고 모든 방향으로 싹이 나게하여 전체 구조를 강화시킵니다.

멜버른에있는 RMIT University의 재료 엔지니어이자 합금 작업의 리더 중 하나 인 Mark Easton은 이미 재료의 용도 탐색에 관심이있는 항공 우주 회사와 대화를 나누었습니다. 그는 관절 교체와 같은 의료용 임플란트에도 사용될 수 있다고 말했다.

치과 용 크라운 또는 정형 외과 임플란트 제작을 포함한 잠재적 인 응용 분야와 함께 금속에 적용되는 많은 인쇄 기술을 세라믹에도 적용 할 수 있습니다. 이러한 물체의 금형은 3D 프린팅으로 이미 만들어졌으며 재료는 일반적인 방식으로 주조되었습니다. 그러나 전체 물체를 3D로 인쇄하면 치과 의사 나 외과 의사의 사무실에서 시간을 절약 할 수 있습니다.

그러나 임페리얼 칼리지 런던의 재료 과학자이자 도예가 인 에두아르도 사이즈 (Eduardo Saiz)는 3D 프린트 세라믹의 미세 구조를 제어하기가 더 어렵다고 말했다. 거의 모든 실제 세라믹 인쇄 기술에는 부품을 변형 시키거나 변형시킬 수있는 광범위한 인쇄 후 소결이 포함됩니다. “제 생각에 세라믹은 실제적인 응용에있어 폴리머와 금속보다 뒤떨어져 있습니다.

시간이지 나면서 바뀌다

이 분야의 미래는 인공 근육과 유사하게 기계적 작용을 수행 할 수있는 3D 인쇄 물체 인 '4D 인쇄'에도 속할 수 있습니다. 종종 이들은 형상 기억 폴리머, 열 또는 습기와 같은 환경 변화에 반응 할 수있는 물질을 포함합니다.

2018 년 5 월 취리히에있는 스위스 연방 기술 연구소 (ETH)와 패서 디나에있는 캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 연구원들은 따뜻한 물에 넣을 때 뒤로 밀리는 패들을 사용하여 전진하는 잠수함을 인쇄한다고보고했습니다 9 . 이 작업은 자율적으로 바다를 탐험 할 수있는 마이크로 로봇으로 이어질 수 있습니다. 그러나 현재로서는 각 스트로크 후에 패들을 리셋해야합니다. 이러한 장치는 배터리 전원을 사용하여 스스로 재설정 할 수 있지만 기존의 장치보다 효율이 떨어지게된다고 호주 울 런공 대학 (University of Wollongong) 소재 재료 엔지니어 Geoff Spinks는 말합니다. "4D 프린팅에는 여전히 큰 어려움이 있습니다."라고 그는 말합니다.

4D 인쇄 장치에 대한 또 다른 접근 방식은 변화하는 외부 자기장으로 동작을 트리거하는 것입니다. 미국 연구원들은 자기장 ( 10) 에 반응하여 강성을 변화시키는 액체로 채워진 3D 인쇄 격자 구조를 가지고 있는데, 이는 아마도 카시트가 충격에 강하게하는데 도움이 될 수있다.

자기장에 반응하여 강성화 된 유체가 3D- 프린트 격자의 중공 스트럿 및 빔에 주입된다. 재료는 뻣뻣하거나 유연하게 만들 수 있습니다. 크레딧 : Julie Mancini / LLNL

다른,보다 수동적 인 잠재적 인 4D 프린팅 응용은 스텐트를 포함하며, 스텐트는 이식되도록 이식 된 후 혈관 내의 원하는 부위에 도달 할 때 팽창되어 개방되도록한다. 지난 7 월 스위스와 이탈리아의 연구원들은 11 인치 너비가 50 마이크로 미터에 불과한 4D 프린팅 스텐트를 기존보다 훨씬 작게 묘사했습니다 . 이 장치는 너무 작기 때문에 언젠가 요로 협착과 같은 태아의 합병증을 치료하는 데 사용될 수 있으며 때로는 치명적일 수 있습니다.

아마도 4D 프린팅의 가장 야심 찬 예는 움직일뿐만 아니라 살아있는 것입니다. 현재, 이러한 생체 인쇄 기술은 실험실 연구에 적합한 인간 피부와 같은 조직뿐만 아니라, 쥐에 성공적으로 이식 된 간 및 다른 기관을위한 조직 패치를 인쇄 할 수있다. 그러나 이러한 기술은 여전히 인체에 통합 할 준비가되어 있지 않습니다. 연구원들은 장기 기증자의 장기 대기자 명단을 완화 할 수있는 모든 기능을 갖춘 장기 인쇄를 꿈꿉니다. 루이스는“개인적으로는 우리가 적어도 10 년 이상 떨어져 있다고 생각합니다.

이제 모두 함께

이동하거나 변경되는 인쇄 물질에 대한 많은 창의적인 아이디어는 여러 재료를 함께 인쇄하는 데 의존합니다. Scott은“이 분야가 절대적으로 향하고 있습니다.

지난 11 월, 루이스와 그녀의 실험실은 단일 개체 인쇄로 빠르게 그들을 다른 폴리머 잉크 사이를 전환하거나 혼합 할 수있는 프린터 설명 (12) . 즉, 유연하고 단단한 부품으로 개체를 인쇄 할 수 있습니다. Lewis는 복합 재료 프린터에 대한 이전 연구를 매사추세츠 주 서머 빌에서 창업 한 Voxel8이라는 회사로 분사했습니다. 그녀의 복합 소재 프린터는 Voxel8이 개발하고있는 운동복에 도움이 될 수 있다고 Lewis는 말합니다. 웨어러블 장치는 조인트 주변에서 유연해야하며 전자 부품을 보관할 수있는 단단한 부품이 있어야합니다. Saiz는 프린터를“아름다운 작품”이라고 불렀으며“세라믹이나 금속에는 그런 것이 없습니다.”

그리고 2018 년 3 월 애틀랜타 소재 Georgia Institute of Technology 소재 재료 엔지니어 Jerry Qi가 이끄는 팀이 4 대 1 프린터를 공개했습니다 . 이것은 용융 된 중합체를 압출하는 노즐과 감광성 수지를 인쇄하는 노즐, 자외선 램프 또는 레이저로 경화 할 준비가 된 노즐, 그리고 작은 금속 점 ( 13) 으로부터 와이어 및 회로를 인쇄하는 노즐을 결합합니다 . 프린트 헤드는 함께 작동하여 견고한 보드 또는 유연한 폴리머 인클로저 내부에 회로가 내장 된 통합 장치를 만듭니다. Qi는 그의 그룹이 기존의 방법보다 더 빠른 회로 기판 프로토 타입 인쇄에 관심이있는 전자 회사들과 협력하고 있다고 말했다.

4 개의 서로 다른 프린터를 하나의 플랫폼에 연결하는 것만 큼 간단하지 않았습니다. 연구원들은 각 프린트 헤드가 다른 프린트 헤드와 통신하고 진행 상황을 추적 할 수있는 소프트웨어를 개발해야했습니다.

이 분야는 여전히 대량 생산을 사람들의 가정으로 가져 오는 초기 비전을 제시하는 것과는 거리가 멀다. 지금은 고급 프린터가 비전문가에게 호소하기에는 너무 비쌉니다. 그러나 지난 20 년 동안 3D 프린팅은 먼 길을 왔습니다. Todd는 2000 년대 초에 실험실을 방문한 사람들이 금속 먼지의 얼룩을 서로 뭉쳐서 부품을 키우는 기술을 보았습니다. 이웃 실험실의 기존 밀링 머신 및 금속 절단 시스템과 비교하여 그의 3D 프린팅 머신은 방문객을 완전히 이상하게 여겼습니다. 그는“우리가 바에서 피아노를 연주하는 일종의 개와 같았다”고 회상했다. 이제 많은 회사에서이 방법은 표준 관행입니다.

[📪정보] 3D 프린팅이 더 크고 빠르며 강력 해집니다

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