사마귀 새우 구조는 3D 프린팅 기술로 놀라운 견고성을 제공합니다.

Oct 09, 2023

국제 연구진으로 구성된 팀이 생체에서 영감을 받은 강화 특성을 지닌 세라믹 복합 재료를 3D 프린팅하기 위해 대자연을 향해 눈을 돌렸습니다.

다양한 산업 응용 분야에서 인성이 핵심 요구 사항이기 때문에 손상 방지 특성을 지닌 세라믹 복합재에 대한 수요가 높습니다. 또한 이러한 소재는 화학적, 기계적 안정성이 결합되어 자동차, 항공우주부터 에너지 시스템까지 모든 분야에 사용할 수 있는 자격을 갖추고 있습니다.

불행하게도 얼음 템플릿이나 동결 주조와 같은 오늘날의 기존 세라믹 복합재 가공 기술 중 다수는 금형 제조의 한계로 인해 복잡하고 맞춤형 형상의 부품을 만들 수 없습니다.

국제 팀은 현재 사마귀 새우에서 발견된 보호 구조를 디지털 광 처리(DLP) 3D 프린팅과 함께 사용하여 기하학적으로 복잡한 세라믹 복합 부품을 만드는 방법을 연구하고 있습니다.

사마귀 새우의 특별한 점은 무엇입니까?

구각류라고도 알려진 사마귀 새우는 작은 다색 해양 갑각류의 일종입니다. 그들은 공격적인 성격과 dactyl club이라고 불리는 주먹 모양의 특징적인 부속물로 잘 알려져 있습니다.

내장된 무기는 게나 달팽이와 같은 단단한 껍질을 가진 먹이를 부수고 죽이는 데 사용되며, 가장 방어적인 껍질조차 뚫을 만큼 놀라운 힘으로 움직입니다. 실제로 dactyl club은 최대 10,000g의 가속도에 도달할 수 있어 .22구경 총알의 속도에 버금가는 충격을 가할 수 있다고 믿어집니다.

하지만 무엇이 그토록 내구성을 갖게 하는 걸까요? Dactyl 클럽은 땀을 흘리지 않고도 충격을 흡수하고 해로운 전단파를 걸러내는 데 도움이 되는 이중 연속 구조를 갖추고 있습니다. 유기상은 곤충과 갑각류 껍질에서 흔히 발견되는 화합물인 키틴으로 구성되는 반면, 무기상은 무정형 인산칼슘과 탄산칼슘으로 구성됩니다.

이중 트러블 구조가 결합되어 곤봉을 보호하는 균열 방지 차폐 효과를 형성하여 사마귀 새우의 먹이가 될 수 있습니다.

116배의 경도 향상

본 연구에서 연구팀은 자연 선택과 이중 연속 지르코니아/에폭시 상을 갖춘 3D 프린팅 복합 세라믹 복합 구조에 경의를 표했습니다.

생체 모방 인쇄 구조가 얼마나 견고한지 테스트하기 위해 그들은 이 개념을 수복 치과학, 75% 부피의 일련의 폰틱 브릿지 3D 프린팅에 적용했습니다. 지르코니아. 브릿지의 등급별 세라믹 벽은 두께가 0.3mm에서 0.7mm로 선형적으로 증가하여 부품의 압축 응력을 균일하게 분산시키는 등급별 응력 분포를 보여줍니다.

일련의 압축 테스트에서 팀은 프린팅된 세라믹 복합재가 순수 세라믹에 비해 강도가 최대 213% 증가한다는 사실을 발견했습니다. 인쇄된 부품에서는 영률이 약간만 증가했습니다. 놀랍게도 인쇄된 구조의 경도도 최대 116배까지 증가했으며, 동시에 기존 기술로는 제조가 불가능했던 독특한 기하학적 구조를 가능하게 했습니다.

궁극적으로 이 연구는 사마귀 새우의 이중 연속 구조를 생체모방하는 데 큰 가능성을 보여줍니다. 3D 프린팅된 세라믹 복합재는 뛰어난 인성과 압축 강도 특성을 나타내었으며 이는 맞춤형 치과 복원 응용 분야에 특히 유용합니다.

연구에 대한 자세한 내용은 '생체 모방 강화 디자인을 갖춘 세라믹 복합재의 3D 프린팅'이라는 제목의 논문에서 확인할 수 있습니다.

이것은 확실히 생체모방을 중심으로 한 적층 제조 연구의 첫 번째 작품은 아닙니다. 최근 미국 연구진은 3D 프린팅 기술을 사용하여 문어에서 영감을 얻은 접착식 빨판을 만들었습니다. 버지니아 공대(Virginia Tech)가 이끄는 팀은 물체를 감지하고 밀리초 만에 자동으로 접착력을 켤 수 있는 자연에서 영감을 받은 신경계를 개발했습니다. 접착 피부는 웨어러블 장갑에 통합되어 수중 환경에서 물체를 조작하는 새로운 방법을 제공합니다.