3D 프린터에서 색상, 음영, 질감 정밀 처리…MIT, 3D 인쇄 향상 열처리 반응 기술 개발

"3D 프린터를 다리미처럼 사용하면 단 하나의 재료를 사용하여 다양한 색상과 질감의 물체를 높은 정밀도로 제작할 수 있다. 이번에 개발한 기술을 활용하면 열 반응형 소재 하나로 여러 색상, 음영 및 질감을 가진 물체를 한 번에 제작할 수 있어서 속도가 빠르고 폐기물도 적다.”

MIT와 델프트(Delft) 공과대학의 연구진이 기존의 3D 프린터와는 소재와 인쇄 방법이 다른 새로운 3D 프린팅 기술을 공개했다. 기존의 3D 프린팅은 여러 개의 노즐을 사용하며 소재에 따라 노즐을 전환하는 방식이 많이 사용된다. 하지만 이번에 개발한 기술은 하나의 노즐로 소재를 인쇄한 후 열처리를 담당하는 노즐을 통해 색상이나 질감을 구현한다.

속도 조절 다림질이라는 새로운 3D 프린팅 기술을 사용하면 다양한 색상, 질감, 음영을 가진 인쇄물을 빠르게 인쇄할 수 있다. (자료 : MIT News)

이번에 개발한 기술의 핵심은 ‘속도 조절 다림질(speed-modulated ironing)’이라고 부르는 3D 인쇄 기술이다. 이를 적용한 3D 프린터에는 두 개의 노즐이 사용된다. 첫째는 기존의 3D 프린터처럼 재료를 녹여 원하는 모양을 제작하는 데 사용하는 인쇄용 노즐이다. 둘째는 이렇게 인쇄된 재료의 표면을 다림질하듯이 열처리를 가하는 가열 노즐이다.

인쇄 노즐이 재료를 녹여 인쇄를 하고 나면, 그 뒤를 따라가는 가열 노즐이 표면에 뜨거운 열을 가하며 따라간다. 말 그대로 다림질하듯이 인쇄된 재료 표면을 이동하면서 열을 가하는 것이다. 이때 특정 온도로 가열하면서 노즐이 이동하는 속도를 조절하면서 재료에 가하는 열의 양을 조절한다.

‘다림질의 속도’를 제어해서 인쇄된 소재 표면에 열을 가하고, 이를 통해 색상, 음성, 거칠기 등을 미세하게 조절할 수 있다는 것이 연구진의 설명이다. 이를 위해 열을 가하는 노즐이 재료에 전달하는 열의 양을 예측하는 모델을 개발하고, 이 모델을 기반으로 원하는 색상, 음영, 질감에 따라 인쇄 설정을 자동으로 생성하는 사용자 인터페이스를 개발했다.

연구진은 "속도를 조절하면 다림질하는 인쇄물 층의 온도가 달라질 수 있다. 이는 불꽃 위에서 손가락을 움직일 때 일어나는 현상과 비슷하다. 손가락을 빨리 움직이면 화상을 입지 않을 수 있지만 천천히 불꽃을 가로질러 움직이면 손가락이 더 높은 온도에 도달하게 된다"고 설명했다.

이를 위해 연구진은 인쇄 재료에 적당한 열전달 계수를 결정해 이를 모델로 만들고, 냉각팬에 의해 소산 될 수 있는 열과 인쇄되는 과정의 실내 기온과 같은 다양한 변수를 고려하는 작업을 거쳤다. 또한, 적합한 인쇄 소재와 이들 재료의 특성을 알기 위해 가열되는 확장되는 입자가 있는 발포 폴리머, 나무 섬유, 코르크 섬유 등을 활용했다.

 

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