4D 프린팅이란 무엇입니까?

발에 맞게 스스로 조절되는 신발을 구입하거나 특정 자극에 의해 유발될 때 환자의 해부학적 구조에 완벽하게 적응할 수 있는 의료 기기를 개발하는 것을 상상해 보십시오. 이는 흥미롭고 성장하는 연구 분야인 4D 프린팅의 잠재적인 용도 중 일부일 뿐입니다.

4D 프린팅은 공상과학 소설에서나 나올 법한 일이지만, Gartner는 기술이 상용화되기까지는 아직 멀었지만 2023년까지 3억 달러가 4D 프린팅에 투자될 것이라고 예측합니다.

4D 프린팅이란 정확히 무엇이며 제조업체에 어떤 이점이 있습니까?

오늘의 기사에서는 4D 프린팅이 작동하는 방식과 이 기술의 현재 및 미래 응용 프로그램을 살펴봅니다.

4D 프린팅이란 무엇입니까?

4D 프린팅은 3D 프린팅된 개체에 시간이 지남에 따라 모양을 변경할 수 있는 기능을 제공합니다. "4D 프린팅"이라는 용어는 이 추가적인 4차원인 시간을 나타냅니다.

신흥 기술은 3D 프린팅 기술과 높은 수준의 재료 과학, 엔지니어링 및 소프트웨어를 결합합니다.

재료는 특정 자극에 반응하도록 특별히 설계된 재료를 사용하기 때문에 4D 프린팅에서 중요한 역할을 합니다.

조작된 물체를 변형시킬 수 있는 일반적인 자극에는 온도 변화, 빛, 물, 자기장뿐만 아니라 화학적 및 기타 환경적 요인이 포함됩니다.

외부 소스에 의해 작동될 때 4D 인쇄된 개체는 미리 결정된 모양으로 접히거나 펼쳐져 아래에서 탐색할 다양한 흥미로운 응용 프로그램의 문을 열 수 있습니다.

4D 프린팅은 3D 프린팅과 어떻게 다릅니까?

3D 프린팅은 3차원 물체를 만들기 위해 재료를 레이어별로 증착하는 신속한 프로토타이핑 및 제조 기술입니다.

기본적으로 4D 프린팅은 3D 프린팅과 동일한 기술을 사용하여 부품을 만듭니다. 주요 차이점은 4D 인쇄된 개체는 한 번 인쇄되면 시간이 지남에 따라 모양이 변하는 반면 3D 인쇄된 개체는 동일한 고정된 형태를 유지한다는 것입니다.

4D 프로세스 동안 자극에 의해 트리거되면 모양이 어떻게 이동하거나 변경되는지에 대한 "지시"가 포함된 기하학적 코드가 추가됩니다. 이 사전 프로그래밍 단계를 통해 특정 환경 요인에 적응할 수 있는 똑똑하고 반응이 빠른 개체를 만들 수 있습니다.

4D 프린팅은 어떻게 작동합니까?

4D 프린팅을 이해하려면 먼저 재료가 특정 자극에 어떻게 반응하는지 이해해야 합니다. 이러한 재료 거동에 대한 지식을 사용하여 엔지니어는 재료 구조가 다양한 물체를 설계할 수 있습니다.

디지털 CAD 설계를 기반으로 단일 또는 복합 재료로 모델을 3D 인쇄합니다.

인쇄 프로세스가 완료되면 미리 프로그래밍된 기하학적 코드가 물체의 다른 영역이 특정 자극에 어떻게 반응해야 하는지 지시합니다.

이 접근 방식을 통해 엔지니어는 미리 결정된 모양을 취하거나 특정 자극에 의해 트리거될 때 특정 방식으로 접히고 펼쳐지는 구성 요소를 만들 수 있습니다.

프로그래밍 가능하거나 '스마트'한 재료를 처리하는 데 적합한 여러 3D 프린팅 기술이 있습니다.

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광석판(SLA),

FFF(Fused Filament Fabrication),

재료 분사,

선택적 레이저 용융(SLM).

처음 세 가지는 일반적으로 폴리머 기반 재료와 함께 작동하지만 일반적인 SLM 재료는 금속입니다.

특히 최근 4D 프린팅의 발전은 복합재료 프린팅을 가능하게 하는 Material Jetting 기술의 발전에 크게 기인한다고 할 수 있다. 이 기술은 재료 방울을 분사하여 작동하여 증착을 엄격하게 제어할 수 있습니다.

4D로 인쇄할 수 있는 재료는 무엇입니까?

우리가 보았듯이 이 기술은 외부 트리거에 의해 변경될 수 있는 하나 이상의 속성을 가진 특별히 설계된 '스마트' 재료를 사용합니다.

4D 프린팅 재료의 포트폴리오는 기술의 초기 단계로 인해 여전히 다소 제한적이지만 아래에 4D 프린팅에 사용할 수 있는 가장 유망한 재료 중 일부를 요약했습니다.

하이드로겔

하이드로겔은 다량의 물을 보유할 수 있는 고분자 사슬의 친수성 네트워크입니다. 하이드로겔은 UV 경화형 3D 프린팅 기술에 사용될 수 있으며 온도 변화에 따라 모양이 바뀌도록 프로그래밍할 수 있습니다.

히드로겔은 주로 물을 구성하기 때문에 생체 적합성이 있어 의료용으로 특히 적합합니다. 하이드로겔은 소프트 로봇 공학 및 유연한 전자 장치와 같은 응용 분야에도 사용할 수 있습니다.

작년에 Rutgers 대학의 엔지니어들은 4D 프린팅 방법을 개발하여 인간 장기의 살아있는 구조 생성을 도울 수 있는 스마트 젤을 개발했습니다. 및 티슈 사용된 재료는 무엇입니까? 하이드로겔.

이 응용 프로그램에서 하이드로겔 물질은 온도 변화에 노출되면 모양이 바뀝니다. 이 개발은 생물의학 애플리케이션을 발전시키는 것 외에도 유연한 센서 및 액추에이터를 포함하여 소프트 로봇의 새로운 애플리케이션을 가능하게 할 수 있습니다.

자세한 내용은 아래 Rutgers의 비디오를 확인하세요.

형상 기억 폴리머

형상기억고분자(SMP)는 외부 자극에 노출되면 고정된 임시 모양에서 원래 모양으로 변하는 능력이 있는 고분자 스마트 재료입니다.

능동 작동 기능(메커니즘 또는 시스템을 이동하고 제어하는 ​​능력)으로 인해 SMP는 항공 우주, 소프트 로봇, 생물 의학 및 기타 분야에서 다양한 응용 분야를 발견했습니다.

형상 기억 합금

형상기억합금(SMA)은 스마트 금속 재료로, SMP와 유사하게 원래 모양의 "기억"을 유지하고 자극을 받은 변형 후에 원래 모양으로 되돌아갈 수 있습니다.

SMA는 항공 우주, 토목 공학 및 생물 의학 기기와 같은 다양한 분야에서 용도를 찾을 수 있습니다.

도자기

작년에 홍콩시립대학교 연구팀은 폴리머와 세라믹 나노입자를 결합한 새로운 세라믹 잉크를 시연했다.

이 잉크로 인쇄된 3D 인쇄 세라믹 전구체는 부드럽고 초기 길이보다 3배 이상 늘어날 수 있습니다. 이 물질의 유망한 응용 분야에는 전자 장치와 항공우주 산업 분야가 포함됩니다.

4D 프린팅의 흥미로운 적용

4D 프린팅은 오늘날 제품 제조 방식에 대한 흥미로운 잠재력을 갖고 있습니다. 4D 프린팅의 가능성을 더 자세히 살펴보겠습니다.

항공우주

외부 요인에 반응하는 지능형 재료를 생산하는 능력은 항공우주 산업의 핵심 이점입니다. 여기에서 4D 프린팅은 환기, 엔진 냉각 및 기타 유사한 용도를 위한 자체 전개 구조를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

Airbus SAS는 MIT의 Self-Assembly Lab과 협력하여 이미 4D 프린팅으로 온도 및 기타 요인에 따라 엔진을 냉각시키는 솔루션을 개발하고 있습니다.

한 예로, Airbus와 MIT는 공기 저항을 줄이기 위해 공기역학적 조건에 반응하여 변형할 수 있는 공기 흡입구 부품을 개발했습니다.

만든 공기 흡입구는 자동 조절되어 엔진 냉각에 사용되는 공기 흐름을 자동으로 제어할 수 있습니다. 탄소 섬유를 사용하여 엔지니어는 압력에 반응할 수 있도록 재료를 프로그래밍했습니다.

유입구는 풍동에서 성공적으로 테스트되었으며 현재 이 작업을 수행하는 중장비 시스템 대신 미래에 사용될 수 있습니다.

우주 임무도 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다. 4D 프린팅. 예를 들어, Georgia Institute of Technology의 연구원들은 스트럿으로 만들어진 구조를 3D 인쇄하기 위해 형상 기억 폴리머를 사용했습니다. 이 구조는 일시적으로 평평하게 접혀 있지만 열에 노출되면 펼칠 수 있습니다. 연구원들은 그들의 발명이 우주선과 모양을 바꾸는 소프트 로봇용 안테나를 만드는 데 사용될 수 있다고 믿습니다.

방어

방위 산업을 위한 3D 프린팅의 이점은 광범위합니다. 이제 업계는 더 많은 응용 분야를 위해 4D 프린팅을 찾고 있습니다.

4D 프린팅의 더 유망한 용도 중 하나는 위장을 변경하거나 접촉 시 유독 가스 또는 파편으로부터 보호할 수 있는 군복을 포함할 수 있습니다.

연구원들은 또한 스스로 조립되는 대피소나 다리의 가능성을 포함하여 군대가 자가 조립 물체를 사용할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다.

의료

의료 분야에서 4D 프린팅의 잠재력은 엄청납니다. 여기에서 이 기술은 조직 공학 및 스마트 생체 의학 장치에서 화학 요법을 위한 나노 입자 및 나노 로봇 제작에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

예를 들어, MIT의 연구원들은 자성 미세 입자가 주입된 3D 인쇄 가능한 잉크를 개발했습니다. 이 재료로 3D 인쇄된 구조물은 자성을 띠므로 원격으로 제어할 수 있습니다.

이 기술은 이미지를 촬영하고, 조직 샘플을 추출하고, 막힌 부분을 제거하거나, 특정 약물을 신체의 특정 부위에 전달하기 위해 위장관을 통해 자석에 의해 유도될 수 있는 장치를 만드는 데 사용될 수 있습니다. .

4D 프린팅의 또 다른 잠재적 응용은 조직 공학에 있습니다. 이 분야에서 생체적합성 하이드로겔은 이식을 위한 인공 피부를 인쇄하고 외부 개입 없이도 모양과 기능을 변경할 수 있는 임플란트를 인쇄하는 데 사용할 수 있습니다.

자동차

2016년, BMW는 4D 프린팅을 포함하는 컨셉트 카의 미래 비전을 선보였습니다. 요소 중 하나는 4D 프린팅을 사용하여 변화하는 환경 조건에 적응할 수 있는 자동차 부품을 생산하는 것입니다.

이것은 단지 개념이었지만 2년 후 자동차 제조업체는 MIT의 자체 조립 연구소와 협력하여, 기압의 변화에 ​​따라 스스로 조절할 수 있는 팽창식 4D 구조의 생성을 발표했습니다. 실리콘으로 제작된 팽창성 소재는 적응형 디자인에 대한 BMW의 비전을 반영합니다.

4D 구조가 활용될 수 있는 한 가지 방법은 적응형 지지와 편안함을 제공하거나 심지어 에어백 형태의 충격 성능을 제공하는 카시트에 사용하는 것입니다.

소비재

소비재 생산은 4D 프린팅으로 재구성할 수 있는 또 다른 영역입니다. 예를 들어, 이 기술을 사용하여 트리거될 때 자체 조립되는 의자 및 테이블과 같은 플랫팩 가구를 만들 수 있습니다.

4D 인쇄 가구는 일단 구입하면 저절로 당겨지기 때문에 상자를 열고 모든 부품을 수동으로 조립할 필요가 없습니다. 궁극적으로 이는 더 적은 저장 공간을 필요로 하고 더 쉽게 운송할 수 있는 제품으로 이어질 수 있습니다.

4D 프린팅:차세대 제품은?

4D 프린팅은 제조에 흥미진진한 가능성을 열어주는 매력적인 분야입니다. 프로그래밍 가능한 기능으로 물건을 만드는 능력은 상품 생산 방식을 변화시킬 수 있습니다.

그러나 여기서 논의된 대부분의 프로젝트는 아직 연구 및 실험 단계에 있으며 이 기술이 비즈니스에서 상업적으로 실행 가능하게 되려면 아직 갈 길이 멉니다.

그러나 연구가 계속됨에 따라 4D 프린팅의 영향은 막대할 수 있으며 다양한 산업 분야의 응용 분야에 영향을 미칠 수 있습니다.

현실적으로 4D 프린팅의 주류 응용 프로그램을 보기까지 몇 년 또는 심지어 10년 이상이 걸릴 것입니다. 그렇긴 하지만 이 기술은 3D 프린팅의 진화를 따라 제조 분야의 차세대 혁신 기술이 될 것으로 보입니다.