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더 가볍고 안전한 자동차 디자인 등을 목표로 하는 새로운 형태의 3D 인쇄 재료

폴리올레핀 수지와 다중벽 탄소 나노튜브를 결합하여 만든 새로운 형태의 3D 인쇄 복합 재료는 유사한 형태의 알루미늄보다 더 강하고 가벼운 글래스고 대학교 엔지니어가 이끄는 연구팀에 의해 개발되었습니다. 팀은 이것이 자동차, 항공 우주, 재생 에너지 및 해양 산업에서 사용하기 위한 보다 안전하고 가볍고 내구성 있는 구조의 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대합니다. 새 논문에서 나노 엔지니어링된 3D 인쇄 판 격자의 영향 동작 재료 및 디자인 저널에 게재 , 팀은 충격에 대한 인상적인 저항을 할 수 있는 새로운 판-격자 세포 '메타물질'을 어떻게 개발했는지 설명합니다.

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메타 물질은 인공적으로 생성된 세포 고체의 일종으로 자연계에서는 발생하지 않는 특성을 나타내도록 설계 및 엔지니어링되었습니다. 판 격자로 알려진 메타 물질의 한 형태는 판 사이에 상당한 공간이 있음에도 불구하고 비정상적으로 높은 강성과 강도를 나타내는 판의 교차 층으로 만들어진 입방체 구조입니다. 속성 엔지니어가 다공성이라고 부르는 이러한 공간은 판 격자를 비정상적으로 가볍게 만듭니다.

연구원들은 그들이 개발한 플라스틱-나노튜브 합성물로 제조된 새로운 형태의 판-격자 디자인이 강성, 강도 및 인성의 훨씬 더 진보된 특성을 가진 메타물질을 만들 수 있는지 조사하기 시작했습니다. 그들은 일련의 판-격자 디자인을 만들기 위해 필라멘트를 함께 융합한 3D 프린터의 공급 원료로 나노공학 필라멘트 합성물을 사용했습니다. 그런 다음 이러한 설계는 물리적 충격을 견딜 수 있는 능력을 결정하기 위해 다양한 높이에서 16.7kg의 질량을 떨어뜨리는 일련의 충격 테스트를 거쳤습니다.

먼저, 팀은 설계하고 제작한 세 가지 유형의 일반적인 판 격자를 테스트했습니다. 추가 교차 플레이트가 있는 더 복잡한 큐브; 그리고 더 다면적인 디자인. 이러한 전형적인 판 격자는 폴리프로필렌과 폴리에틸렌의 두 가지 배치로 만들어졌습니다.

그런 다음 첫 번째 실험에서 더 단순한 디자인의 기능을 통합한 3개의 '하이브리드' 플레이트 격자를 추가로 테스트했습니다. 단순 큐브/다중면 하이브리드; 그리고 세 가지를 모두 합친 것. 다시, PP와 PE로 만든 배치가 만들어졌습니다.

세 가지 전형적인 판격자 디자인의 요소를 모두 융합한 하이브리드 디자인은 mos t 충격 흡수에 효과적이며 PP 버전은 가장 큰 충격 저항을 나타냅니다. 과학자들이 질량에 대한 에너지를 흡수하는 재료의 능력을 결정하는 데 사용하는 특정 에너지 흡수로 알려진 측정을 사용하여 팀은 PP 하이브리드 판 격자가 그램당 19.9줄을 견딜 수 있음을 발견했습니다. 알루미늄을 기반으로 설계된 마이크로 아키텍처 메타 물질.

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University of Glasgow의 James Watt School of Engineering에서 복합 재료 및 적층 제조 분야의 리더인 Shanmugam Kumar 박사가 연구 프로젝트를 주도했습니다. 연구팀은 또한 아부다비에 있는 칼리파 대학교와 미국 칼리지 스테이션에 있는 텍사스 A&M 대학교의 기계 및 화학 엔지니어도 참여했습니다.

Kumar는 "이 작업은 역학과 재료의 교차점에 있습니다. 우리가 3D 프린팅을 위한 공급원료로 개발한 탄소 나노구조 공학 필라멘트와 우리가 만든 하이브리드 복합 판-격자 디자인 사이의 균형은 정말 흥미로운 결과를 만들어냈습니다. 경량 엔지니어링을 추구하면서 고성능을 특징으로 하는 초경량 소재를 끊임없이 찾고 있습니다. 당사의 나노 엔지니어링 하이브리드 판 격자는 탁월한 강성과 강도 특성을 달성하고 알루미늄으로 제작된 유사한 격자보다 우수한 에너지 흡수 특성을 나타냅니다. 3D 프린팅의 발전으로 판-격자 디자인을 뒷받침하는 맞춤형 다공성이 있는 복잡한 형상을 그 어느 때보다 쉽고 저렴하게 제작할 수 있게 되었습니다. 이러한 종류의 디자인을 산업적 규모로 제조하는 것이 현실화되고 있습니다.”

Kumar와 팀에 따르면 이 새로운 종류의 판 격자의 핵심 응용 프로그램은 충돌 시 안전을 희생하지 않으면서 더 가벼운 차체를 만들기 위한 끊임없는 노력이 있는 자동차 제조에 있을 수 있습니다. “알루미늄은 많은 현대 자동차 디자인에 사용되지만 우리의 판 격자는 더 큰 내충격성을 제공하므로 미래에 이러한 종류의 응용 분야에서 유용할 수 있습니다. 우리가 이 판 격자에 사용하는 플라스틱의 재활용 가능성도 순환 경제 모델이 지구를 보다 지속 가능하게 만드는 데 핵심이 될 순 제로(net-zero) 세계로 나아갈 때 그것들은 매력적입니다.”라고 Kumar는 말했습니다.


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