자기 보조 낙하

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5015(2022) 이 기사 인용

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3차원(3D) 프린팅으로 제작된 계층적으로 배열된 필러가 있는 미세 구조 복합재는 필러의 정렬 방향을 따라 향상된 특성을 나타냅니다. 그러나 필러 배열을 효과적으로 제어하는 ​​동시에 높은 필러 농도를 달성하는 것은 여전히 ​​어려운 일이며, 이는 인쇄물의 특성을 제한합니다. 본 연구에서는 정렬된 미세판 강화 복합재를 인쇄하기 위해 자기 보조 드롭 온디맨드 3D 프린팅 기술(MDOD)을 개발합니다. 외부 자기장을 적용하는 동안 수성 슬러리 잉크를 사용하여 주문형 드롭 인쇄를 수행함으로써 MDOD는 최대 50vol%의 높은 필러 농도로 설정된 각도로 정렬된 마이크로판 필러가 있는 복합재를 인쇄할 수 있습니다. 또한 MDOD를 사용하면 복셀 제어를 통해 다중 재료 인쇄가 가능합니다. 우리는 국지적 미세 구조 및 구성을 기반으로 조정 가능한 성능을 갖춘 다중 재료 압전 저항 센서를 인쇄하여 MDOD의 기능을 선보입니다. 따라서 MDOD는 광범위한 재료를 사용하여 3D 인쇄된 전자 또는 감지 장치의 기계적 및 기능적 특성을 향상시키기 위한 대규모 설계 공간을 만듭니다.

3차원(3D) 프린팅은 층별 증착을 사용하여 자유형 3D 구조를 생성하는 제조 기술입니다. 전통적으로 3D 프린팅은 재료 호환성이 제한된 소규모 배치 프로토타입 제작에 사용되었습니다. 그러나 최근의 발전으로 인해 항공우주, 로봇 공학, 생물 의학 및 전자 응용 분야1,2,3,4와 같은 종합 분야에서 사용하기 위해 더 많은 종류의 재료를 3D 프린팅할 수 있게 되었습니다. 최근에는 3D 프린팅이 규칙적으로 배열된 1D 섬유질 또는 2D 판형 이방성 강화 필러로 구성된 미세 구조 복합재를 제작하기 위해 확장되었습니다. 미세구조 복합재는 뛰어난 특성을 제공하므로 흥미롭습니다. 예를 들어, 생체 영감을 받은 Bouligand 및 진주층과 같은 구조는 부드러운 매트릭스 내에 각각 정렬된 딱딱한 섬유와 혈소판이 쌓인 층으로 형성됩니다. 이러한 구조는 필러 함량이 높기 때문에 강성이 높으며, 다층 구조는 구조를 강화합니다5. 기계적 특성 외에도 정렬된 그래핀 또는 육방정계 질화붕소(hBN) 마이크로판과 같은 기능성 필러를 포함하는 미세 구조 복합재는 향상된 열적 및 전기적 특성을 나타냅니다6,7. 3D 프린팅 분야에서 흥미로운 진전이 이루어졌지만 복잡한 이방성 및 다중 재료 층 구조가 필요하기 때문에 이러한 미세 구조 복합재를 제작하는 것은 여전히 ​​​​어려운 일입니다.

미세 구조 복합재를 인쇄하는 한 가지 전략은 폴리젯 인쇄 또는 융합 증착 모델링과 같은 다중 재료 방법을 사용하여 부드럽고 단단한 재료의 조합을 인쇄하는 것입니다8,9,10. 그러나 이러한 기술은 일반적으로 다양한 기계적 특성을 가진 폴리머를 인쇄하는 데 제한되며 실제 강성 필러를 포함하는 복합재와 동일한 특성을 완전히 실현할 수 없습니다. 딱딱한 필러가 포함된 잉크를 활용하는 현재 방법은 일반적으로 필러11,12의 전단 유도 또는 현장 보조 정렬을 사용합니다. 1D 필러로 강화된 미세 구조 복합재의 3D 프린팅은 필러를 한 방향으로만 정렬하면 되므로 달성하기가 더 쉽습니다. 반대로, 미세 구조의 2D 혈소판 기반 복합재의 제조는 필러에 정렬할 추가 축이 있기 때문에 더욱 까다롭습니다. 그럼에도 불구하고 혈소판 기반 복합재의 3D 프린팅은 다양한 연구 그룹에서 이루어졌습니다. Yanget al. 전기장 보조 광조형(SLA) 방법을 사용하여 광경화성 수지 내에 3D 프린팅된 진주층에서 영감을 받은 그래핀 나노판 구조. 자기장은 또한 3D 인쇄된 광경화성 폴리머14,15에서 알루미나 마이크로판을 이축으로 정렬하는 유사한 방식으로 사용되었습니다. 이러한 방법은 미세 구조 재료를 인쇄하는 데 효과적이지만, 광경화성 폴리머 잉크를 사용하면 필러 로딩이 제한됩니다. 필러 로딩이 높으면 잉크 점도가 높아져 정렬 중 미세판의 회전을 방해하기 때문입니다. 결과적으로, 최종 복합재는 종종 15vol% 미만의 낮은 고체 부하를 가지게 되어 그 특성이 제한됩니다. 더 높은 고체 부하를 갖는 복합재를 제작하기 위해 Feilden et al. 알루미나 기반 하이드로겔 잉크를 사용하여 세라믹 복합재를 인쇄하기 위해 DIW(직접 잉크 쓰기)를 사용했습니다. 인쇄 중에 발생하는 전단력은 분배 노즐16의 원형 원주를 따라 미세판을 정렬했습니다. ~50vol%의 고형분 함량이 높은 샘플이 인쇄되었지만 필러 정렬을 자유롭게 제어할 수 없습니다. 따라서 인쇄된 구조에서 높은 고체 부하를 유지하면서 필러 배향을 제어할 수 있는 인쇄 기술이 매우 바람직할 것입니다.