도쿄대학교 연구진, 보다 효율적이고 지속 가능한 제조를 위한 새로운 4D 프린팅 방법 개발

도쿄대학교 연구원들은 재료 낭비를 발생시키지 않고 신속한 3D 물체 제작을 달성하기 위해 2D 프린팅, 종이접기, 화학을 결합한 새로운 방법을 공개했습니다.

4D 프린팅으로 알려진 이 방법은 한계를 극복하고 다양한 산업에 대한 흥미로운 전망을 열어줄 수 있는 잠재력을 지닌 독특한 3D 제조 접근 방식을 도입합니다. 생산 시간이 길어지고 재료 낭비가 발생하는 기존의 레이어별 3D 프린팅 기술과 달리 연구진은 4D 프린팅에서 영감을 얻었습니다. 여기에서 고유한 특성을 지닌 재료는 특정 조건에서 복잡한 3D 모양으로 자체적으로 접혀 변환의 중요한 측면으로 시간을 활용합니다.

"우리의 가장 큰 과제는 하드웨어 및 재료에 대한 옵션을 개선하는 것이었습니다. 최종 선택으로 범위를 좁히는 데 1년 이상이 걸렸습니다."라고 도쿄 대학 전기 공학 및 정보 시스템학과 프로젝트 조교수인 나루미 코야(Koya Narumi)는 말했습니다. “하지만 모든 시행착오는 그만한 가치가 있었습니다. 동일한 기본 아이디어에 대한 이전 연구와 비교하여 출력 해상도를 1,200배 향상시켰습니다. 즉, 우리가 만들 수 있는 디자인은 참신할 뿐만 아니라 실제 응용 프로그램에도 사용할 수 있습니다. 미래에는 기계와 기타 기능성 장치를 가능하게 하는 전도성 잉크나 자성 잉크와 같은 기능성 소재를 탐구할 수도 있습니다.”

신속하고 낭비 없는 제조를 위한 새로운 방법

이 기술의 핵심에는 UV 반응성 재료를 처리하도록 설계된 특수 잉크젯 프린터가 있습니다. 이러한 프린터는 비용이 더 많이 들 수 있지만 제작자 커뮤니티 및 공유 워크샵에서 쉽게 접근할 수 있습니다. 프린터는 열수축 플라스틱 시트의 양면에 정밀한 2D 종이접기 디자인을 적용합니다. 또한 인쇄 공정에 사용되는 잉크는 후속 수축 중에 영향을 받지 않아 건조 후에도 유연성을 유지합니다. 양쪽의 잉크 섹션 사이에 간격을 전략적으로 통합함으로써 디자이너는 시트의 접는 방향을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

자동 접힘 과정은 뜨거운 물을 사용하여 평평한 시트에 열을 가함으로써 시작됩니다. 이러한 열 노출의 결과로 베이스 시트는 수축됩니다. 이 과정에서 수축에 대한 저항력을 보이는 잉크는 재료가 자발적으로 복잡한 종이접기 같은 구조로 접히도록 하는 중추적인 역할을 합니다.

Narumi는 “저희 팀과 저는 접근 가능한 도구와 재료를 사용하여 자동으로 접히는 4D 물체를 만드는 방법을 발견했습니다.”라고 덧붙였습니다. “기본적으로 우리는 종이접기 패턴이 있는 평면 시트를 만들고 있는데 이러한 패턴은 복잡할 수 있어 숙련된 종이접기 예술가라도 형성하는 데 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 하지만 우리의 특별한 공정 덕분에 이 평평한 시트 위에 뜨거운 물을 부으면 몇 초 만에 복잡한 3D 모양으로 튀어오르는 것을 볼 수 있습니다.”

연구자들은 다양한 응용 분야에서 독특한 기술의 중요한 잠재력에 대해 열정을 표명했습니다. 그중에서도 패션 산업은 특히 맞춤형 디자인의 맥락에서 재료 낭비 문제로 어려움을 겪기 때문에 이익을 얻을 수 있습니다. 4D 프린팅된 품목을 평평한 상태로 운송할 수 있는 기술의 용량은 물류 및 보관 장애를 해결할 수 있는 매력적인 해결책을 제공하여 재해 복구 조건에 대한 실용적인 옵션을 제공합니다. 의료 장비와 같은 필수 품목은 평평한 모양으로 프린팅하고 현장에서 완전한 기능을 갖춘 3D 개체로 변환할 수 있습니다.

연구원들이 언급한 바와 같이, 4D 프린팅 공정은 현재 지속적인 탐구와 개발을 진행하고 있으며, 신속하고 낭비 없는 제작이 현실이 될 수 있는 잠재적인 미래에 대한 통찰력을 제공합니다. 연구원들은 이의 실제적인 구현과 다양한 산업에 대한 영향을 “간절히 기대”한다고 밝혔습니다.

4D 프린팅: 3D 제조의 차세대 개척지

중국 텐진대 연구진이 독립적으로 움직일 수 있는 자체 추진 소프트 로봇을 4D 프린팅하는 데 성공했다. 액정 엘라스토머 소재로 제작된 이 로봇은 열에 노출되면 자체 조립되는 튜브형 구조를 특징으로 합니다. 연구진은 교묘하게 프로그래밍된 접기 패턴을 통해 로봇 본체 내부에 변형을 유도하여 로봇이 통나무와 유사한 방식으로 굴러갈 수 있도록 했습니다. 특히, 이 4D 프린팅 소프트 로봇은 평평한 표면 횡단, 20° 경사 상승, 자체 질량의 최대 40배에 달하는 하중을 성공적으로 운반하는 등 뛰어난 기능을 선보였습니다.