두 가지 금속으로 구조물을 제작하는 새로운 3D 프린팅 방법

May 29, 2024

워싱턴주 풀먼 — 워싱턴 주립대학교 엔지니어들은 나무와 뼈의 구조적 복잡성에서 힌트를 얻어 두 대의 용접 기계를 사용하여 동일한 원형 레이어에 두 가지 유형의 강철을 3D 프린팅하는 방법을 만들었습니다. 그 결과 바이메탈 소재는 금속이 함께 냉각될 때 발생하는 압력 덕분에 금속 단독보다 33~42% 더 강한 것으로 입증되었습니다.

새로운 방법은 평범하고 상대적으로 저렴한 도구를 사용하므로 제조업체와 수리점에서는 가까운 시일 내에 이 도구를 사용할 수 있습니다. Nature Communications 저널에 발표된 이번 연구의 수석 저자인 Amit Bandyopadhyay는 추가 개발을 통해 고성능 의료용 임플란트 또는 우주 여행용 부품을 만드는 데 잠재적으로 사용될 수 있다고 말했습니다.

WSU 대학의 교수인 Bandyopadhyay는 "모든 종류의 용접을 수행하는 모든 장소에서 이제 설계 개념을 확장하거나 매우 단단한 재료와 부드러운 재료를 거의 동시에 결합할 수 있는 응용 프로그램을 찾을 수 있기 때문에 매우 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다."라고 말했습니다. 기계 및 재료 공학.

연구팀은 나무와 뼈가 서로 다른 물질의 고리가 겹겹이 쌓여 상호작용을 하면서 힘을 얻는다는 점에 착안해 자연에서 아이디어를 얻었다. 이를 금속으로 모방하기 위해 WSU 연구원들은 컴퓨터 수치 제어 또는 CNC 기계 내부에 통합된 자동차 및 기계 공장에서 흔히 볼 수 있는 용접 장비를 사용했습니다. 새로운 하이브리드 설정은 정밀한 컴퓨터 프로그래밍과 두 개의 용접 헤드를 사용하여 부품을 생성합니다.

시연에서는 두 개의 용접 헤드가 원형 레이어에서 차례로 작동하여 각각 특정한 장점이 있는 두 개의 금속을 인쇄했습니다. 부식 방지 스테인리스강 코어는 교량이나 철도에 사용되는 것과 같은 값싼 "연강" 외부 케이스 내부에 만들어졌습니다. 금속은 냉각되면서 서로 다른 속도로 수축하기 때문에 내부 압력이 생성되어 본질적으로 금속을 함께 고정시킵니다. 결과에 대한 테스트에서는 스테인레스 스틸이나 연강이 자체적으로 가지고 있는 것보다 더 큰 강도를 보여주었습니다.

현재 용접 설정에서 여러 금속을 사용하는 3D 프린팅을 수행하려면 금속 와이어를 중지하고 변경해야 합니다. 새로운 방법은 이러한 일시 중지를 제거하고 금속이 여전히 뜨거운 동안 두 개 이상의 금속을 동일한 층에 배치합니다.

“이 방법은 금속을 선이 아닌 원형으로 증착합니다. 그렇게 함으로써 근본적으로 가능했던 것에서 벗어났습니다.”라고 WSU 기계 공학 박사 과정 학생이자 연구의 첫 번째 저자인 Lile Squires가 말했습니다. "원형으로 이동하면 본질적으로 한 재료가 다른 재료를 껴안을 수 있습니다. 이는 직선이나 샌드위치 레이어로 인쇄할 때 발생할 수 없습니다."

3D 프린팅된 금속 부품을 층별로 강화하는 기능은 강력한 맞춤형 강철 부품을 신속하게 제작할 수 있는 기능과 함께 자동차 매장에 새로운 옵션을 곧 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 토크에 강한 바이메탈 액슬 샤프트나 비용 효율적인 고성능 브레이크 로터를 개발할 수 있습니다.

미래에 연구원들은 외부에는 내구성 있는 티타늄을, 치유 특성을 지닌 자성강과 같은 내부 재료를 사용하여 관절 교체품을 인쇄하는 의료 제조 공정의 잠재력을 확인했습니다. 마찬가지로, 우주 구조물은 내부 재료를 둘러싸고 냉각 특성을 지닌 고온 저항성 재료를 사용하여 구조물이 일정한 온도를 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Bandyopadhyay는 "이 개념에는 두 용접공 모두 인쇄가 포함되어 있으므로 동일한 레이어 자체에서 여러 재료를 사용할 수 있어 결합 시 이점을 얻을 수 있습니다."라고 말했습니다. “그리고 단지 두 가지 재료에만 국한될 필요는 없습니다. 확장될 수 있다” 연구원들과 WSU는 이 개발에 대한 임시 특허 신청서를 제출했습니다. Bandyopadhyay와 Squires 외에도 연구팀에는 WSU 기계 공학 학부생인 두 번째 저자인 Ethan Roberts가 포함되어 있습니다. 이 연구는 국립과학재단의 지원을 받았습니다.