글래스고 엔지니어, 초경량·고충격 3D 프린팅 복합소재 개발... 자동차·항공우주 적용 기대

글래스고 대학교(University of Glasgow) 엔지니어들이 폴리올레핀 레진과 다중벽 탄소 나노튜브를 혼합한 3D 프린팅 복합소재를 개척했습니다. 이 소재는 기존 알루미늄보다 더 가볍고 더 튼튼합니다. 최근 Materials & Design에 게재된 "나노엔지니어드 3D 프린팅 플레이트 격자의 충격 거동(Impact Behaviour of Nanoengineed, 3D-Printed Plate-Lattices)" 논문에서 팀은 뛰어난 충격 저항성을 보이는 새로운 플레이트 격자 메타물질을 상세히 설명합니다.

메타물질은 자연계에 없는 특성을 나타내도록 설계된 엔지니어드 셀룰러 고체입니다. 이의 하위 집합인 플레이트 격자는 교차하는 판으로 이루어진 입방 프레임워크로, 높은 다공성을 유지하면서 놀라운 강성과 강도를 달성해 경량화를 실현합니다.

팀은 새로운 플라스틱-나노튜브 복합소재로 제작된 플레이트 격자 형상이 기존 소재를 강성, 강도, 인성에서 능가할 수 있는지 탐구했습니다. 복합 필라멘트를 3D 프린팅 원료로 사용해 여러 격자 구성을 프린팅하고 각각을 드롭 임팩트 테스트(16.7kg 추를 다양한 높이에서 낙하)에 적용해 충격 회복력을 평가했습니다.

초기에 연구자들은 세 가지 정식 플레이트 격자 변형을 제작했습니다: 세 개의 교차 판으로 이루어진 기본 입방체 단위; 추가 판 교차점을 가진 더 복잡한 입방체; 다면체 설계. 각 변형은 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸렌(PE) 두 소재 시리즈로 제작되었습니다.

이후 초기 설계의 특성을 결합한 세 가지 하이브리드 플레이트 격자를 평가했습니다: 단순 입방체/복잡 입방체 하이브리드, 단순 입방체/다면체 하이브리드, 세 요소를 모두 통합한 복합 하이브리드. 이 하이브리드들도 PP와 PE로 제작되었습니다.

올인원 하이브리드가 가장 높은 충격 흡수를 보였으며, 특히 PP 변형이 두드러졌습니다. 단위 질량당 흡수 에너지(비에너지 흡수) 지표로 평가했을 때 PP 하이브리드는 19.9 J g⁻¹을 유지해 비교 가능한 알루미늄 기반 마이크로아키텍처 메타물질을 능가했습니다.

글래스고 대학교 제임스 와트 공학부 복합재 및 적층 제조 그룹 리더 샨무감 쿠마르(Dr Shanmugam Kumar) 박사가 연구를 주도했습니다. 프로젝트에는 아부다비 칼리파 대학교(Khalifa University)와 미국 텍사스 A&M 대학교(College Station)의 기계 및 화학 엔지니어도 참여했습니다.

쿠마르는 "이 연구는 역학과 재료 과학의 교차점에 있습니다. 나노엔지니어드 필라멘트 원료와 정교한 하이브리드 격자 설계를 균형있게 결합해 전례 없는 강성, 강도, 에너지 흡수 성능을 달성했습니다. 3D 프린팅의 발전으로 이제 이러한 복잡하고 고다공성 형상을 비용 효율적으로 제작할 수 있어 산업 규모 생산이 가시권에 들어왔습니다."라고 설명했습니다.

쿠마르는 자동차 제조를 주요 사용 사례로 강조하며, 차량 차체 경량화 추구가 충돌 안전을 해치지 않는 소재를 요구한다고 지적했습니다. "알루미늄이 널리 사용되지만 우리의 플레이트 격자는 우수한 충격 저항성을 제공해 미래 자동차 구조의 유망한 후보가 됩니다. 또한 관련 플라스틱의 재활용성은 넷제로와 순환 경제로의 글로벌 전환과 일치합니다."라고 덧붙였습니다.