도쿄 연구원들이 도움 없이 자기 자신을 입증하다

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도쿄대학교 전기 공학 및 정보 시스템학과의 한 그룹은 최근 고해상도 자체 접기 종이접기 구조를 4D 프린팅하는 방법에 관한 기사를 발표했습니다. 그들의 방법은 4D 프린팅, 종이접기 및 화학을 결합하여 융합 증착 모델링(FDM) 4D 프린트보다 해상도가 1200배 더 높은 물체를 만듭니다. 이 프로세스는 수많은 응용 분야에 사용될 가능성이 있으며 향후 Zara 티셔츠를 배송하는 방법이 될 수도 있습니다.

4D 프린팅이 나온 지 10년이 되었는데, 프린팅 후 열, 빛, 전기 등의 자극을 가하면 움직일 수 있는 소재를 3D 프린팅하는 과정이다. 이 기술은 건설, 군사 및 우주 탐사에 사용하기 위해 적극적으로 연구되고 있으며 3D 프린팅의 판도를 바꿀 수 있습니다. 그러나 모든 기술과 마찬가지로 4D 프린팅에도 한계가 있습니다. 한 가지 두드러진 한계는 도움 없이 스스로 접힐 수 있다는 점입니다.

나루미 코야(Koya Narumi) 조교수가 이끄는 도쿄 대학의 그룹은 이 문제를 정면으로 해결하고 자동 접기 프로세스 속도를 높이기 위해 테셀레이션을 활용하는 방법을 모색했습니다. 이 그룹의 아이디어는 시중에서 판매되는 UV 잉크젯 잉크와 프린터를 사용하여 열 수축 시트 위에 2차원 패턴을 인쇄하는 것이었습니다. 인쇄 후 열수축 필름을 물을 통해 가열하면 시트가 원하는 모양으로 자연스럽게 변형됩니다. 패턴화된 테셀레이션을 기반으로 시뮬레이션을 통해 응력과 변형률을 예측하고 원하는 형태로 윤곽을 그리는 방식으로 설계할 수 있습니다.

4D 프린팅된 꽃다발을 이용한 자동 접기 과정 이미지. (이미지 제공: ACM Transactions on Graphics)

그룹은 이 프로세스에 사용할 올바른 하드웨어와 잉크를 찾는 것이 가장 큰 과제라고 말했습니다. 시행착오를 거쳐 결국 UV 프린터로는 Mimaki UJF-6042 MKII, UV 경화 잉크로는 Mimaki LUS150(CMYK+White), LH-100(투명), PR-200(프라이머), Hakko Shrink를 사용하게 되었습니다. 열수축 필름으로는 Film 841-02와 Vilene Iron Shrink Sheet OR-30N이 사용되었습니다. 이러한 선택을 통해 그룹은 표준 FDM 4D 프린트의 해상도를 1200배 향상시켰으며 이전 연구에서 보여준 것보다 더 빠르고 사람의 개입을 최소화하면서 형태 변경 프로세스를 실행했습니다.

나루미 팀은 또한 모자, 재킷, 꽃다발, 병 속의 배, 봉투 등 5가지 데모를 통해 기술의 잠재적인 최종 사용 응용 프로그램을 선보였습니다. 앞으로 팀은 전도성 잉크나 자성 잉크와 같은 다른 기능성 재료를 탐구하고 이 기술을 사용하여 더 매끄러운 표면을 달성하려고 시도하고 싶다고 말합니다.

전반적으로 이는 4D 프린팅 커뮤니티에 큰 도움이 됩니다. 나루미 팀은 패션, 우주 탐사, 의료 등 다양한 산업 분야에서 활용이 가능하고 현장에서 널리 퍼져 있는 문제에 대한 해결책을 찾을 수 있었습니다. 나는 이것이 4D 프린팅의 다른 노력에 합류한다는 것을 확실히 알 수 있으며, 지난 10년 동안 4D 프린팅이 얼마나 많은 관심을 받았는지에 따라 우리는 이 분야에 대한 연구가 계속해서 번성할 것이라고 확신합니다.

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