[권박사의 테크사전] 4D 프린팅 : 미래에서 온 기술

4D 프린팅 개념

3D 프린팅 기술은 거의 30 년 동안 존재 해 왔습니다. 그러나 적층 제조 산업은 여전히 ​​새로운 응용 프로그램, 새로운 재료 및 새로운 3D 프린터를 발견하고 있지만  또 다른 기술이 등장하고 있습니다. 

그것은 4D 프린팅이라고 불리며 미래에서 곧바로 나올 것입니다! 3D 프린팅에 4 차원을 어떻게 추가 합니까?  이전 에이 기술로 재료 가 어떻게 변화하는지에 대해 소개 했더라도이  블로그 게시물에서는 4D 프린팅 기술 자체를 살펴보고 그 잠재력과 향후 응용 분야를 조사 할 것입니다.

 

4D 프린팅이란?

4D 프린팅은 3D 프린팅 된 물체  가 온도, 빛 또는 기타 환경 자극과 같은 외부 에너지 입력의 영향에 대해 다른 구조로 자신을 변형하는 과정  입니다.

이 기술은 MIT 자체 조립 연구소 프로젝트의 일부입니다  .  이 프로젝트 의 목적은 기술과 디자인을 결합하여 건설, 제조, 제품 조립 및 성능을 재 구상하기위한 자체 조립 및 프로그래밍 가능한 재료 기술을 발명하는 것입니다.

위의 비디오에서 우리는 한 번 뜨거운 물에 넣으면 서서히 다른 구조로 접히는 평면 인쇄 구조를 볼 수 있습니다. 아래 동영상은 형상 변환의 기능 시연 MIT Selfassembly 실험실에서 테스트입니다  자기 접는 표면 큐브 : 4D 인쇄  에서  MIT 자기 조립 (self-assembly) 연구소 

 

4D 인쇄 : 자동 접이식 표면 큐브  에서 MIT 자기 조립 (self-assembly) 연구소 

 

 

3D 프린팅과 4D 프린팅의 차이점은 무엇입니까?

분명히 4D 프린팅은 3D 프린팅보다 "D"가 하나 더 많습니다. 이것이 의미하는 바는 무엇이며 기술에 그토록 많은 부가가치를 가져 오는 이유는 무엇입니까? 3D 프린팅은 3D 볼륨이 생성 될 때까지 인쇄 경로에서 레이어별로 2D 구조를 아래에서 위로, 레이어별로 반복하는 것입니다. 4D 프린팅은 시간이 지남에 따라 변형되는 3D 프린팅이라고합니다 . 따라서 네 번째 차원 인 시간이 추가됩니다. 따라서 3D 프린팅 기술보다 4D 프린팅 기술 의  큰 발전은 시간이 지남에 따라 모양을 변경할 수 있다는 것 입니다.

온도가 최적 일 때 4D 인쇄 그리퍼가 물체를 잡습니다.

4D 인쇄 된 개체는 3D 인쇄 된 모양과 마찬가지로 인쇄됩니다. 차이점은 4D 프린팅 기술은 온수, 빛 또는 열을 추가하여 다른 기능을 수행하는 프로그래밍 가능한 고급 재료를 사용한다는 것입니다. 그것이 무생물이 시간이 지남에 따라 3D 모양과 동작을 변경할 수있는 이유입니다. 

 

4D 프린팅은 어떻게 작동합니까?

4D 인쇄 기술은 Polyjet  3D 프린터 와 같은 상업용 3D 프린터를 사용  합니다. 입력은 하이드로 겔  또는  형상 기억 폴리머 일 수있는 "스마트 소재"  입니다. 열역학적 특성 및 기타 재료 특성 덕분에 스마트 재료는 모양 변화의 속성이 부여되며 일반적인 3D 프린팅 재료 와 차별화됩니다  .

반면에 3D 프린팅 기술로 인쇄 된 물체는 강성이 특징입니다. 즉, 3D 프린팅 된 객체는 일단 프린팅 된 3D 모양을 유지합니다.

[F. Momeni et al. / Materials and Design 122 (2017) 42–79], Jean-Claude André가 다시 그린 | INSIS의 과학 고문

 

4D 프린팅의 장점

1) 크기 변경

4D 프린팅의 가장 분명한 장점은 계산 접기 를 통해  프린터보다 큰 물체를 하나의 부품으로 만 인쇄 할 수 있다는 것입니다. 4D 프린팅 된 개체는 모양이 변할 수 있고 축소 및 펼쳐질 수 있으므로 프린터에 맞지 않는 너무 큰 개체는 3D 프린팅을 위해 압축하여 보조 형태로 만들 수 있습니다.

두 배로 부피 87 % 감소 | nervous.com의 사진

2) 새로운 재료 = 새로운 속성

4D 프린팅 기술의 또 다른 장점은 가능한 적용 재료 의  사용입니다 . 4D 프린팅은 오늘날 우리가 알고있는 재료 세계를 혁신 할 수있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 오늘날 우리가 상상조차 할 수없는 다양한 스마트 재료에 4D 프린팅이 적용되고 있다고 상상해보십시오! 

지금까지 우리는 Multimaterial Shape Memory Polymers의 실험을 보았습니다. 아래 비디오에 나오는 것과 같은 재료는 모양을 "기억"  하여 환경 자극에 대응하여 시간이 지남에 따라 구성을 적극적으로 변형시킵니다 . 이 형상 기억 폴리머는 맞춤형 형상과 유사 할 것이며 건강 산업에 매우 중요합니다. 예를 들어, 환자의 수가 적을 때 모양을 바꾸는 장치를 방출하는 약으로 만들 수 있습니다. 

 

4D 프린팅의 잠재적 인 응용

위의 비디오는 4D 프린팅 프로세스를 매우 간단한 방식으로 보여줍니다. 비록 이러한 예가 매우 복잡하지 않더라도 우리는이 기술의 큰 잠재력을 예견 할 수 있습니다.

1) 자가 수리 배관 시스템

실제 세계에서 4D 프린팅의 잠재적 인 응용 분야 중 하나는 유량과 물 수요에 따라 직경을 동적으로 변경하는 배관 시스템의 파이프입니다. 환경의 변화에 ​​대응하여 변화하는 능력으로 인해 깨지거나 부러지면 자동으로 치유 될 수있는 파이프.

2) 자체 조립 가구

3D 프린팅 가구는 프린터의 크기에 의해 제한되기 때문에 4D 프린팅은 물이나 빛을 추가하는 것만으로 의자에 구부러지는 평판을 인쇄 할 수 있습니다. 아래 비디오의 좀 더 복잡한 버전이라고 상상해보십시오.  프로그램 목재  에서 자기 조립 (self-assembly) 연구소, MIT .  

3) 극한 조건에서 XL 4D 인쇄

 4D 인쇄 : 사인 웨이브 표면  에서 자기 조립 (self-assembly) 연구소, MIT . 4D 프린팅은 대규모 프로젝트에서 훨씬 더 유용 할 것입니다. 예를 들어 우주와 같은 극한 환경에서는 매우 유망한 응용 프로그램을 가질 수 있습니다. 현재 우주에서 건물의 3D 프린팅 프로세스는 비용, 효율성 및 에너지 소비와 관련된 몇 가지 문제를 야기합니다. 따라서 3D 인쇄 재료를 사용하는 대신 4D 인쇄 재료를 사용하여 변형 가능한 모양을 활용할 수 있습니다. 다리, 대피소 또는 모든 종류의 시설을 건설 할 수있는 솔루션을 제공 할 수 있습니다. 날씨가 손상 될 경우 스스로 건설하거나 수리 할 수 ​​있기 때문입니다. 

4) 의료 산업

반면에 4D 프린팅이 의약 분야와 같은 분야에서 매우 작은 규모로 적용되고 있다고 상상해보십시오  . 4D 프린팅 된 단백질은 다음 비디오에 설명 된자가 재구성 단백질 예제와 같이 훌륭한 응용 프로그램이 될 수 있습니다. 연구자들이 연구하고있는 또 다른 특수 재료는자가 접힘 단백질입니다.  4D 인쇄 : 자기 접는 단백질  의 자기 조립 (self-assembly) 연구소, MIT . 의료 분야에서 4D 프린팅의 또 다른 응용 분야는 센드 디자인 일 수 있습니다. 프로그래밍 된 스텐트는 인체를 휩쓸고 목적지에 도달하면 열릴 것입니다. 

5) 패션

4D 프린팅은 패션의 얼굴도 바꿀 수 있습니다. MIT의 Self-Assembly Printing Lab은 4D 기술의 잠재적 인 응용을 연구하고 있습니다. 아이디어 중 하나는 날씨 나 활동에 따라 옷이 바뀔 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 더 나은 편안함과 상환을 제공하기 위해 달리기 시작하면 신발의 모양이 바뀔 수 있습니다.

 

현재 4D 프린팅 연구

1) MIT의 자체 조립 실험실

MIT는 많은 3D 프린팅 혁신의 선구자이며, 확실히 거기서 멈추지 않습니다. 조교수 Skylar Tibbits는 Self'Assembly Printing Lab을 발견했습니다. 2014 년부터 Tibbits는 Autodesk와 협력하여 3D 프린팅 구조 및 프린팅 후 동작을 연구하고 있습니다. 그들의 프로젝트 중 하나는 위에서 언급 한 조절 가능한 옷입니다.

2) 하버드의 생물학적 영감을받은 공학을위한 Wyss Institute

Harvard의 Wyss Institute에서 생물학적으로 영감을받은 공학을위한 연구 그룹이 만들어 하이드로 겔이라는 특수 물질을 개발하고 있습니다. 소재는 환경에 따라 모양이 바뀌는 꽃에서 영감을 받았습니다. 그것은 나무에서 나온 셀룰로오스 섬유로 구성됩니다. 그들의 목적은 꽃의 모양을 바꿀 수있는 능력을 부여하는 꽃의 미세 구조를 닮은 것입니다. 과학 보고서는 4D 프린팅이 얼마나 혁신적인지 증명합니다. 
그런 다음 하이드로 겔은 온도, 습도 등에 따라 꽃의 구조를 수정하는 능력을 모방 할 수 있습니다. 3D 프린팅을 사용하면 과학자가 하이드로 겔로 복잡한 디자인을 제조 할 수 있습니다.

3) 울런 공대 학교

호주 울 런공 대학교의 과학자 팀이 최초의 4D 프린트 워터 밸브를 개발했습니다. 뜨거운 물을 부으면 밸브가 저절로 닫히고 온도가 내려 가면 밸브가 넓어지기 때문에 큰 성과입니다. 이러한 현상은 고온에 빠르게 반응하는 3D 프린팅 하이드로 겔 잉크 덕분에 가능합니다.

4) 싱가포르 기술 및 디자인 대학교

싱가포르 기술 및 디자인 대학의 연구원들은 4D 프린팅과 관련하여 상용화라는 또 다른 문제를 다루었습니다. 문제는 생산이 복잡한 재료에 있습니다. 이 팀은 시판되는 다중 재료 3D 프린터를 사용하고 5 단계의 재료 준비를 단 하나에 결합하기로 결정했습니다!
그들은 뜨거운 물에 넣으면 구부러지고 꽃과 같은 물체로 변하는 평평한 별을 4D 프린팅하여이 개발을 발표했습니다.

 

4D 프린팅은 여전히 ​​더 많은 연구와 개발이 필요하며 모든 사람이 사용할 수있는 것은 아닙니다. 그러나 3D 프린팅은 컴퓨터에 적합합니다! 으로  온라인 3D 프린팅 서비스  당신은 당신의 3D 모델은 시간에 최고의 품질로 생산 얻을 수 있습니다. 재료 에 대해 자세히 알아보고   프로젝트에 가장 적합한 재료 를 선택하십시오!