고중력 소재 압출 시스템 및 압출 폴리락트산 성능 강화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14224(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

적층 제조(AM)는 전통적인 제조 방법으로는 달성하기 어렵거나 불가능한 복잡한 모양과 기하학적 구조를 빠르고 쉽게 제작할 수 있는 능력으로 인해 최근 몇 년 동안 상당한 주목을 받아 왔습니다. 본 연구에서는 원심 가속을 통해 고중력장을 생성하는 고중력 재료 압출(HG-MEX) 시스템의 개발을 제시합니다. 이 과정에서 재료는 노즐을 가열하여 용해된 후 건설 플랫폼에 쌓입니다. 이 연구의 주요 목적은 AM의 핵심 측면인 재료 압출(MEX)에 대한 중력의 긍정적인 영향을 평가하는 것입니다. 이를 달성하기 위해 MEX 장치와 원심분리기로 구성된 복합 기계가 구성됩니다. 이 HG-MEX 시스템은 재료 압출에 대한 중력의 영향을 분석하고 반영하는 데 사용됩니다. 실험적 평가는 높은 중력의 적용이 MEX를 통해 제작된 부품의 형상 정확도와 성능을 향상시키는 유망한 접근 방식임을 보여줍니다. 특히, 우리의 결과는 AM 공정의 성능을 향상시키기 위해 높은 중력 하에서 MEX를 활용하는 타당성을 확인합니다.

적층 가공(AM)은 일반적으로 재료 층을 순차적으로 추가하여 3차원 물체를 만드는 데 사용됩니다1. 전통적인 제조 방법과 달리 AM은 다른 방법으로는 어렵거나 실행 불가능했던 복잡한 모양과 형상을 쉽게 제작할 수 있습니다2,3,4,5. 또한 AM에 사용되는 재료의 범위는 플라스틱, 금속, 세라믹, 심지어 생물학적 재료까지 포함하여 다양합니다6,7,8,9,10. 결과적으로 AM은 항공우주, 자동차, 의료 등의 산업에서 광범위한 응용 분야를 보유하고 있습니다11. 따라서 AM은 더욱 빠르고 효율적이며 맞춤형 생산을 가능하게 함으로써 제조에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 갖고 있습니다.

AM의 주목할만한 특징은 복잡한 형상의 유연한 제작과 개별 설계 변경을 용이하게 하는 능력입니다12. Sehhat 등13,14은 FDM(융합 증착 모델링)을 통해 제작된 부품의 기계적 특성에 대한 온도 및 재료 변화의 영향을 연구했습니다. 또한 FDM을 통해 적층 제조된 이방성 재료의 응력 변환을 검증했습니다. 더욱이 Mohamed et al.15은 FDM 공정 매개변수의 최적화를 연구했습니다. 또한 Charalampous et al.16은 FFF 공정을 통해 제조된 3D 프린팅 구조물의 기계 학습 기반 기계적 동작 최적화를 조사했습니다. 또한 Li 등17은 융합 ​​증착 모델링에서 공정 매개변수가 결합 정도와 기계적 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. AM은 차세대 제조 시스템의 핵심 기술이 될 것으로 예상됩니다18,19,20. 2010년대에 NASA는 다양한 우주 활동의 지속 가능성을 보장하기 위해 국제 우주 정거장에서 3D 프린팅 테스트를 시작했습니다21. 2020년부터 달 및 화성 임무와 관련된 장기 프로젝트에는 규제된 우주 환경에서 유지 관리 및 수리 기능이 필요합니다. 이와 관련하여 AM은 뛰어난 자원 절약 및 공간 절약 특성으로 인해 상당한 주목을 받았습니다. 지구에서도 미국, 중국, 독일의 포물선 비행 실험을 바탕으로 AM에 대한 미세중력 현장 실험이 진행되어 왔다23.

앞서 언급한 미세중력 AM과 관련된 연구 노력을 통해 미세중력 환경이 제조 공정에 도움이 되지 않는다는 사실이 밝혀졌습니다. 미세 중력 AM에서는 재료를 스테이지에 고정하는 것이 어렵고 부력이 없기 때문에 퇴적물의 잔류 파손을 배출할 수 없습니다. 여러 AM 연구에서는 1G 조건에서도 조밀한 재료 공급을 실현하고 증착물의 미세 기공을 제거하려고 시도했습니다. 보고된 결과를 토대로 1G 조건에서 여러 평가지표가 개선될 것으로 기대된다. 따라서 이러한 결론은 1G 이상의 중력 수준을 활용하는 새로운 AM 기술 개발의 동기가 됩니다. 이러한 점에서 HG-MEX(고중력 재료 압출) 시스템은 높은 환경에서 작동하도록 설계된 특수 시설입니다. -중력 조건으로 인해 상업 및 산업 응용 분야에 새로운 기회가 창출됩니다. HG-MEX는 우주 및 미세 중력 조건에서 AM과 관련된 특정 문제를 잠재적으로 해결할 수 있습니다. 따라서 효율적이고 안정적인 제조 기술 요구 사항을 충족하고 우주 및 미세 중력 환경에서 AM을 발전시키는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.