4D 프린팅

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4차원 인쇄(4D 인쇄, 4D 바이오프린팅, 액티브 종이접기 또는 형상 모핑 시스템이라고도 함)는 연속적인 레이어에서의 컴퓨터 프로그램 재료 증착을 통해 동일한 3D 인쇄 기법을 사용하여 3차원 물체를 만든다. 그러나 4D 프린팅에서는 환경 자극에 대응하여 결과 3D 형상이 다른 형태로 변형될 수 있으며, 4차원은 인쇄 후 시간에 따른 형상의 변화다.^[1] 따라서 그것은 프로그램 가능한 물질의 한 종류인데, 여기서 제조 공정 후에 인쇄된 제품은 환경 내의 파라미터(습도, 온도, 전압 등)와 반응하여 그에 따라 형태를 바꾼다.^[2]

인쇄 기술

스테레오리스토그래피는 3D프린팅 기법으로 광폴리머화를 이용해 층층이 쌓인 기판을 층층이 묶는 방식으로 고분자 네트워크를 만드는 기술이다. 압출된 재료가 즉시 단단해져 층이 형성되는 융접-편향 모델링과는 달리 4D 프린팅은 입체파법을 기본으로 하며, 대부분의 경우 프린팅 공정이 완료된 후 층이 있는 재료를 치료하는 데 자외선을 사용한다.^[3] 음이소트로피는 완성된 인쇄물에 내장된 방향성이 있도록 마이크로소재를 배열하여 주어진 조건 하에서 변환의 방향과 크기를 설계하는 데 필수적이다.^[4][5]

섬유 건축

대부분의 4D 프린팅 시스템은 크기와 재료 특성이 다른 섬유 네트워크를 이용한다. 4D 프린팅된 부품은 마이크로 스케일은 물론 매크로 스케일로 설계할 수 있다. 마이크로 스케일 설계는 표본에 사용된 모든 재료의 통합 재료 특성에 근접한 복잡한 분자/섬유 시뮬레이션을 통해 달성된다. 이들 재료 구성블록의 크기, 형태, 계량, 연결 패턴은 자극 활성화 하의 변형 형태와 직접적인 관계가 있다.^[2][6]

수력-반응성 고분자/수력

스카일러 티빗은 MIT의 자가 조립 연구소의 이사로, 스트라타시스 재료 그룹과 협력하여 고 친수성 원소와 비활성성, 고강성 원소로 구성된 복합 폴리머를 생산했다. 이 두 개의 서로 다른 원소의 독특한 특성은 물 속에서 인쇄된 체인의 특정 부분을 최대 150% 부풀게 하는 반면, 단단한 원소는 변형된 체인의 구조와 각도 구속조건을 설정했다. 그들은 물에 잠길 때 "MIT"라는 철자를 쓸 수 있는 체인을 만들었고, 같은 조건에 처했을 때 철조망 입방체로 변형될 수 있는 체인을 만들었다.^[1]

셀룰로오스 합성물

Tiele 등은 습도에 반응할 수 있는 셀룰로오스 기반 물질의 가능성을 탐구했다. 그들은 셀룰로오스 스테라로일 에스테르를 사용한 빌레이어 필름을 개발했고, 양쪽의 치환도가 달랐다. 한 에스테르는 치환도가 0.3(높은 친수성)이고 다른 에스테르는 치환도가 3(높은 친수성)이었다. 시료를 50 °C에서 22 °C로 냉각하고 상대습도가 5.9%에서 35%로 증가하자 친수성이 수축되고 친수성이 부풀어 올라 시료가 팽팽하게 굴렀다. 온도 및 습도 변화를 되돌리면 샘플이 다시 롤링되지 않기 때문에 이 과정은 되돌릴 수 있다.^[4]

등방성 부기의 이해와 인쇄된 섬유질의 정렬 지도는 A를 허용했다. 시드니 글래드먼 외 연구진. 식물의 성가신 행동을 흉내낸다. 가지, 줄기, 브랙트, 꽃은 세포벽의 내부 터고르와 조직구성을 변화시켜 습도, 빛, 촉감 등의 환경 자극에 반응한다.^[7] 연구팀은 이를 선례 삼아 전형적인 세포벽 구조를 모방한 국소적 비등방성 팽창행동을 가진 복합 하이드로겔 건축물을 개발했다. 셀룰로오스 섬유질은 인쇄 공정 중 단면비(~100)가 높은 마이크로파이브릴과 100GPA 규모의 탄성계수(탄성계수)로 결합된다. 이러한 마이크로파이브릴은 구조를 위해 연성 아크릴아미드 매트릭스에 내장되어 있다.

이 하이드로겔 복합체를 인쇄하는 데 사용되는 점탄성 잉크는 N, N-디메틸아크릴라미드, 나노클레이, 포도당 산화효소, 포도당, 나노섬유소 등의 수용액이다. 나노레이는 액체의 흐름을 개선해주는 레히언 보조제로, 포도당은 물질이 자외선으로 경화되면 산소 억제를 막아준다. 연구팀은 이 잉크로 실험하면서 셀룰로오스 섬유질의 방향을 지시하는 인쇄 경로에 대한 이론적 모델을 만들었는데, 여기서 인쇄의 하단 레이어는 x축과 평행하고, 인쇄의 상단 레이어는 θ 각도로 반시계방향으로 회전한다. 표본의 곡면성은 탄성모듈리, 팽창비, 층 두께 및 빌레이어 두께의 비율에 따라 달라진다. 따라서 평균 곡률과 가우스 곡률을 설명하는 조정된 모델은 각각 다음과 같다.

${\displaystyle H=c_{1}{\frace _{\parallel }-\alpha _{\perp }}}{{h}}{\frac {\sin ^{2}-c_{3}}}\cos(2\tea )+m_{4}cos(4\ta )}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

그리고

${\displaystyle K=-c_{4}{\frac {(\alpha _{\parallel }-\alpha _{\perp })^{2}}{h^{2}}}{\frac {\sin ^{2}(\theta )}{c_{5}-c_{6}\cos(2\theta )+m_{4}\cos(4\theta )}}}$

글래드먼 외 연구진은 θ이 0°에 가까워질수록 곡률성이 고전적인 티모셴코 방정식에 근사하며 바이메탈 스트립과 유사하게 작용한다는 것을 발견했다. 그러나 θ이 90°에 가까워짐에 따라 곡률은 안장 모양으로 변한다. 이를 이해하면, 연구팀은 음이소트로피의 효과와 대칭선의 파단선을 주의 깊게 조절하여 헬리코이드, 주름진 종단 등을 만들 수 있었다.^[5]

열반응성 중합체/수체

폴리(N-이소프로필라크릴아미드) 또는 pNIPAM은 일반적으로 열반응성 물질로 사용된다. pNIPAM의 하이드로겔은 낮은 임계용액 온도인 32°C의 수용액에서 친수성이 되고 부풀어 오른다. 그 이상의 온도는 하이드로겔이 탈수되기 시작하고 수축하게 하여 형상변형을 이루게 된다. pNIPAM과 4-hydroxybutyl 아크릴레이트(4HBA)와 같은 일부 다른 폴리머로 구성된 하이드로겔은 강한 가역성을 보이며, 10 사이클의 형상변화를 하더라도 형상변형이 없다.^[4][8] Shannon E. Bakarich et al.는 표준 이중 네트워크 하이드로겔과 유사한 구조를 가진 이온 공밸런트 결합 하이드로겔로 구성된 새로운 형태의 4D 인쇄 잉크를 만들었다. 첫 번째 폴리머 네트워크는 금속 양이온과 교차 연결되고, 두 번째 폴리머 네트워크는 공동 결합과 교차 연결된다. 이 하이드로겔은 강화 및 열 작동을 위해 pNIPAM 네트워크와 결합된다. 실험실 테스트에서 이 젤은 온도가 20-60°C(68–140°F) 상승했을 때 41%-49%의 형상회복을 보였다가 20°C로 회복되었다. 이 재료에서 출력된 액체를 제어하는 스마트 밸브는 뜨거운 물에 닿으면 닫히고 찬물에 닿으면 열리도록 설계됐다. 그 밸브는 성공적으로 찬물에서 열린 상태를 유지했고 뜨거운 물의 유량을 99%까지 감소시켰다. 이 새로운 형태의 4D 프린팅 하이드로겔은 다른 열 구동 하이드로겔보다 기계적으로 튼튼하며 자가 조립 구조, 의료 기술, 소프트 로보틱스, 센서 기술 등의 응용 분야에서 잠재력을 보여준다.^[9]

디지털 형태-메모리 폴리머

형상기억폴리머(SMP)는 일정 기간 온도에 노출되는 등 특정 상황에서 변형된 형태에서 원형을 회복할 수 있다. 폴리머에 따라 재료가 여러 온도 조건에서 취할 수 있는 다양한 구성이 있을 수 있다. 디지털 SMP는 3D 프린팅 기술을 활용해 유리 전이나 결정융제 전환 온도 등 특성이 다른 SMP의 배치, 기하학, 혼합 및 양생 비율을 정밀하게 설계한다.^[10] 이키 마오 외 이를 통해 규정된 열-기계 및 형상 메모리 동작이 서로 다른 일련의 디지털 SMP 힌지를 만들 수 있으며, 견고한 비활성 재료에 접목된다. 따라서 연구팀은 스스로 간섭하지 않고 접을 수 있는 자가 접이식 샘플을 개발할 수 있었고, 심지어 연동까지 시켜 보다 견고한 구조를 만들 수 있었다. 그 프로젝트들 중 하나는 USPS 우편함을 본뜬 셀프 폴딩 박스를 포함한다.^[11]

Ji Ge 등은 기존의 인쇄 가능한 소재보다 최대 300% 더 큰 초고장질 계수를 가진 다양한 고무재질 모듈리와 유리 변환 온도를 가진 성분을 기반으로 디지털 SMP를 설계했다. 이를 통해 그들은 온도 입력에 따라 물체를 잡고 방출할 수 있는 복합 재료 그리퍼를 만들 수 있었다. 두꺼운 이음매는 견고함을 위해 SMP로 제작되었고, 마이크로그리퍼의 끝부분은 운송 대상의 안전한 접촉을 위해 별도로 설계할 수 있었다.^[3]

스트레스 완화

4D 프린팅의 응력 이완은 재료 안에 "저장"되는 응력 하에서 재료 어셈블리가 만들어지는 과정이다. 이 스트레스는 나중에 방출될 수 있으며, 전체적인 재료 모양 변화를 야기할 수 있다.^[12]

열광반응성 고분자

이러한 유형의 중합체 작동은 광에 의한 스트레스 완화라고 설명할 수 있다.

이 기술은 강렬한 빛의 집중 스트립에 원하는 벤딩 솔기를 노출시켜 온도 구동 폴리머 벤딩을 활용한다. 이러한 벤딩 솔기는 응력 상태로 인쇄되지만 빛에 노출될 때까지 변형되지 않는다. 물질의 휨을 유도하는 활성제는 강렬한 빛에 의해 전달되는 열이다. 그 물질 자체는 화학 광반응성 고분자로 만들어진다. 이 화합물들은 광인티네이터와 결합한 고분자 혼합물을 사용하여 비정형, 공발효성 교차연계 고분자를 만든다. 이 재료는 시트로 형성되어 원하는 벤딩 주름에 수직인 장력으로 적재된다.

이 물질은 빛의 특정 파장에 노출되며 광 이니시에이터가 소비됨에 따라 나머지 혼합물을 중합하여 사진 시작 응력 완화를 유도한다. 빛에 노출된 물질의 부분은 스텐실로 조절하여 특정한 휨 패턴을 만들 수 있다. 또한 하중 조건이 다른 동일한 재료 샘플 또는 각 반복에 대한 스텐실 마스크를 사용하여 이 프로세스의 여러 번 반복을 실행할 수도 있다. 최종 양식은 각 반복의 순서와 결과 양식에 따라 달라진다.^[12]

현재 응용 프로그램

바이오메디컬

조지 워싱턴 대학의 Lijie Grace Zhang 박사의 연구팀은 새로운 형태의 4D 프린팅이 가능하고 광택이 있는 액체 레진을 만들었다. 이 수지는 재생 가능한 콩기름 에폭시드 아크릴레이트 화합물로 만들어졌으며, 이 화합물은 또한 생체 적합성이 있다. 이 수지는 3D 프린팅이 가능한 작은 레진 그룹에 추가되며 생체 적합성이 있는 몇 안 되는 레진 중 하나이다. 이 수지의 레이저 3D 프린팅 표본은 -18°C에서 37°C까지의 온도 변동을 겪었으며, 원래의 모양이 완전히 회복되었다. 이 재료의 인쇄된 비계가 인간 골수 중간 줄기 세포(hMSC) 성장의 성공적인 기초임이 입증되었다. 이 물질은 형상기억 효과와 생체적합성이라는 강한 성질을 가지고 있어 연구자들이 생체의학 비계(biomical scraft)의 개발을 강하게 진전시킬 것으로 믿게 한다. 이 연구 논문은 식물성 오일 폴리머를 생체의학 응용에서 입체적인 생산을 위한 액체 레진으로 사용하는 것을 탐구한 최초의 연구 논문 중 하나이다.

레오니드 이오노프(Bayreuth University of Bayreuth) 연구팀이 살아있는 세포로 형상을 변형하는 생체적합성/생물분해성 하이드로겔을 인쇄하는 새로운 접근법을 개발했다. 이 접근방식은 고해상도 구조와 직경을 전례 없이 제어하는 속이 빈 자가 접히는 관을 제작할 수 있게 한다. 접근방식의 다용성은 두 개의 서로 다른 생물 중합체(알갱이 및 히알루론산)와 마우스 골수 스트롬 셀을 사용하여 입증된다. 인쇄 및 인쇄 후 매개변수를 활용하면 최대 20μm의 평균 내부 튜브 직경을 얻을 수 있으며, 이는 현존하는 다른 바이오 인쇄 접근법으로는 아직 달성할 수 없으며 가장 작은 혈관의 직경과 유사하다. 제안된 4D 바이오프린팅 프로세스는 인쇄된 세포의 생존능력에 부정적인 영향을 미치지 않으며, 자가 접이식 하이드로겔 기반 튜브는 세포 생존능력의 저하 없이 최소 7일간 세포 생존을 지원한다. 결과적으로, 제시된 4D 바이오프린팅 전략은 적절한 재료와 셀의 선택에 따라 조정 가능한 기능성과 대응성을 가진 동적으로 재구성 가능한 아키텍처의 제작을 가능하게 한다.^[14]

가능한 응용 프로그램

4D 인쇄에 잠재적으로 적용 및 조정할 수 있는 기존 기술/기술이 있다.

셀 견인력

세포 견인력(CTF)은 살아있는 세포들이 마이크로 구조물을 접어서 그들의 디자인된 형태로 이동하는 기술이다. 이것은 세포 내에서 액틴 중합과 액토모신 상호작용으로 발생하는 수축을 통해 가능하다. 자연적인 과정에서 CTF는 상처 치유, 혈관신생, 전이, 염증을 조절한다. Takeuchi 등 2개의 마이크로플레이트에 걸쳐 씨앗을 뿌린 세포가 유리 구조를 제거하면 마이크로플레이트를 가로지르는 간격이 좁아져 자가 접힘이 시작된다. 그 팀은 이 방법으로 선박과 같은 기하학적 구조와 심지어 높은 처리량의 도데카헤드론도 만들 수 있었다. 이 같은 세포 종이접기 기법을 활용하면 비합성자를 흉내낼 수 있는 세포가 많은 구조물을 프린팅 공정이 끝난 뒤 설계하고 프린팅하는 결과를 가져올 것이라는 추측이 나온다.^[4]

전기 및 자기 스마트 재료

오늘날 존재하는 전기적 반응 물질은 외부 전기장 또는 적용된 전류의 강도 및/또는 방향에 따라 크기와 모양이 변한다. 특히 폴리아닐린과 폴리피롤(PPY)은 전도성이 좋은 재료로 테트라플루오보트를 도핑해 전기 자극에 의해 수축·팽창할 수 있다. 이들 물질로 만들어진 로봇은 3V의 전기 펄스를 이용해 5초간 움직여서 한쪽 다리가 연장된 뒤 10초간 자극을 제거해 다른 한쪽 다리가 앞으로 움직이도록 했다. 생체적합성이 높고 전도성이 높은 탄소나노튜브에 대한 연구는 탄소나노튜브와 형상기억시료로 만들어진 복합체가 어느 한 시편에만 비해 전기전도도와 전기-능동 반응속도가 높다는 것을 보여준다.

전도성이 높은 금속 표면 층을 포함하는 형상 메모리 복합 구조도 전기적 반응성이 높은 것으로 입증되었다. 무전기로 도금된 금속 표면에 의해 활성화되는 높은 전기 전도성으로 인해 이러한 복합 재료는 온도 감지용 전기 장치(온도 응답 형상 메모리 폴리머 매트릭스를 사용하는 경우) 또는 전기 안전 장치로 사용될 수 있다. B.Q.Y. Chan 외.는 다양한 스위치가 서로 다른 온도에서 트리거된 다온 감지 장치를 제작했다. 금속 코팅의 결합은 스위치의 형상 메모리 성능에 부정적인 영향을 미치지 않는 것으로 입증되었다.^[15]

자기 반응 페로겔은 강한 자기장이 있는 곳에서 수축하므로 약물과 세포 전달에 응용된다. 탄소 나노튜브와 자력 반응 입자의 조합은 강한 전도성을 유지하면서 세포 성장과 접착을 촉진하는 데 사용할 수 있도록 바이오프린팅되었다.

무역과 교통

스카일러 티빗은 4D 프린팅 재료를 특정 환경에 맞게 조절하고 체온, 습도, 압력, 신체나 환경의 소리 등의 요인에 대응할 수 있는 프로그램 가능한 제품으로 향후 적용에 대해 상세히 기술하고 있다. Tibbits는 또한 배송 애플리케이션을 위한 4D 인쇄의 이점에 대해 언급하고 있다 - 그것은 나중에 단순한 자극에 의해 현장에서 디자인된 모양을 활성화하기 위해 제품들을 평평하게 포장할 수 있게 할 것이다. 또한 4D 프린터로 인쇄된 운송 컨테이너가 하중을 균일하게 분배하기 위해 운송 중 힘에 반응할 가능성도 있다. 4D 프린팅 재료가 고장 난 뒤 스스로 수리할 수 있을 가능성이 크다. 이 물질들은 자가 분해되어 구성 부품을 재활용하기 쉽게 만들 수 있을 것이다.^[1]

참고 항목

• 4차원 제품
• 응답성 아키텍처

참조