4D 프린팅: 종합 가이드

개요

2011년 2월, 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)의 자기조립 연구소 소장인 스카일라 티비츠 교수는 미국의 비영리 단체인 TED(Technology, Entertainment, Design) 강연에서 재료의 자기조립을 통한 조형 개념을 소개했습니다.

2013년 티비츠 교수는 TED 무대에 복귀하여 4D 프린팅의 개념을 전 세계에 처음으로 소개했습니다. 그의 강연은 다양한 산업 분야에서 폭넓은 관심을 받으며 4D 프린팅의 발명가로 인정받았습니다.

그 이후로 4D 프린팅은 전 세계의 관심을 끌며 빠르게 기술이 발전하고 더 광범위한 응용 분야로 확장되었습니다. 티비츠 교수와 그의 셀프 어셈블리 연구소는 스트라타시스와 협력하여 연구를 계속하여 그림 8-1에서 8-4에 표시된 것처럼 4D 프린팅의 수많은 물리적 모델을 개발했습니다.

현재 4D 프린팅 기술은 아직 탐색 단계에 머물러 있으며 대규모 생산에 적용되지 않고 있습니다.

그러나 제조 기술을 혁신할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있어 미국과 중국을 중심으로 세계 여러 나라에서 주목하고 있으며, 연구 성과가 잇따라 나오고 있습니다.

2011년 MIT는 4D 프린팅 기술에 대한 연구를 시작했고, 2014년 미국 기업 Nervous System은 최초의 4D 프린팅 중공 드레스를 공개했으며, 2017년 NASA는 4D 프린팅을 사용하여 접이식 금속 직조를 만들어 다양한 우주선 제조에 사용할 준비를 했고, 2016년 중국 제4군 의과대학 시징 병원 전문가 팀은 현지 국가 핵심 실험실과 함께 중증 양측 기관 협착증을 동반한 복잡한 선천성 심장 질환을 가진 유아의 치료에 4D 프린팅 기관 스텐트를 최초로 적용하는 데 성공했습니다.

요약하자면, 4D 프린팅은 패러다임을 바꾸고 사고를 확장하며 미래에 대한 기대와 흥분을 불러일으킬 준비가 되어 있습니다.

4D 프린팅의 개념과 의미

2013년 스카일라 티비츠 교수가 4D 프린팅의 개념을 처음 소개한 이후, 이 정의는 점점 더 많은 학자들에 의해 해석되어 다양한 설명과 논쟁이 이어져 왔지만 합의에 이르지 못했습니다. 4D 프린팅 기술이 계속 발전함에 따라 그 개념적 내용도 더욱 풍부해지고 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

먼저, 이 책은 스카일라 티비츠 교수가 설명하는 4D 프린팅에 대한 포괄적인 설명을 제공합니다. 4D 프린팅은 적층 제조의 급진적인 변화를 보여주는 새로운 프로세스입니다. 여기에는 시간이 지남에 따라 변형할 수 있는 다중 재료 프린트 또는 프린트 베드에서 직접 한 모양에서 다른 모양으로 변경할 수 있는 맞춤형 재료 시스템이 수반됩니다.

이 기술은 머티리얼에 직접 내장된 성능 중심 기능을 통해 아이디어에서 현실로 이어지는 간소화된 경로를 제공합니다.

여기서 4차원은 시간에 따른 변화로 설명되며, 인쇄된 구조물이 더 이상 단순히 정적이고 죽은 물체가 아니라 프로그래밍이 가능하며 독립적으로 변형할 수 있다는 점을 강조합니다.4D 프린팅은 사용자의 요구나 환경 변화에 대응할 수 있는 진화 가능한 재료의 세계를 처음으로 엿볼 수 있는 기술입니다.

이 기술의 핵심에는 기계, 재료, 기하학적 '프로그램'이라는 세 가지 핵심 기능이 있습니다.

스카일라 티비츠 교수는 4D 프린팅을 3D 프린팅(적층 제조)과 근본적으로 다른 프로세스라고 설명합니다. 4D 프린팅은 3D 프린팅으로 생산된 후 시간이 지나면서 계속 진화하거나 한 모양에서 다른 모양으로 변형할 수 있는 진화 가능한 다중 재료 또는 맞춤형 재료 시스템을 필요로 합니다.

4D 프린팅은 성능 중심의 기능을 재료 시스템에 직접 내장함으로써 개념에서 현실로 가는 지름길을 제공합니다. 시간에 따른 진화로 설명할 수 있는 4D 프린팅의 4차원은 3D 프린팅으로 생성된 구조가 더 이상 정적인 것이 아니라 자율적으로 변형되도록 프로그래밍할 수 있다는 점을 강조합니다.

4D 프린팅에는 하드웨어, 재료, 기하학적 "프로그래밍"이라는 세 가지 핵심 기술이 있습니다.

스카일라 티비츠 교수가 설명한 4D 프린팅의 개념을 완전히 이해하려면 다음과 같은 뉘앙스를 이해해야 합니다:

소위 4차원은 시간이 지남에 따라 진화 가능한 재료 시스템의 진화를 의미하며, 티비츠 교수에 따르면 이는 소프트웨어 정의 모델을 기반으로 설정된 시간 내에 재료 시스템이 원하는 모양으로 변화할 수 있다는 의미의 자기 조립과 동일합니다.

3D 프린팅과의 근본적인 차이점은 주로 제조 방식의 혁신적 전환에 있습니다. 3D 프린팅은 미리 디자인된 3차원 모델을 만든 다음 해당 재료를 사용하여 모양을 만드는 반면, 4D 프린팅은 3차원 모델 디자인을 재료 시스템에 직접 내장하여 "디자인"에서 "물리적 물체"로의 프로세스를 간소화합니다.

언급된 세 가지 핵심 기술은 다음과 같습니다: 장비의 경우 일반적으로 기존 3D 프린터를 직접 사용하거나 약간의 수정을 거쳐 사용할 수 있으며, 재료의 경우 일반적으로 다상 복합 재료 또는 스마트 재료 또는 자극 반응 재료라고도 하는 진화 가능한 재료가 사용됩니다.

미리 정해진 자극(물에 담그거나 열, 압력, 전기, 빛 등에 노출되는 등)에 따라 물리적 또는 화학적 특성(모양, 밀도, 색상, 탄성, 전도도, 광학적 특성, 전자기적 특성 등)이 자율적으로 변하는 물질을 말합니다.

현재는 주로 필라멘트 형태의 단일 사슬과 시트와 같은 얇은 물질에 초점을 맞추고 있으며, 다음 연구 목표는 더 복잡한 3차원 구조를 만드는 것입니다.

현재 4D 프린팅은 필라멘트 단일 사슬 프린팅에 특히 능숙합니다. '기하학적 프로그래밍'은 위에서 언급한 재료 자극과 물리적 특성 간의 반응 관계를 말하며, 주요 반응 메커니즘은 프린팅 프로세스 중 또는 이후에 프린팅된 물체 내에서 국소화된 특성 변형(또는 불일치 변형)을 생성하는 것입니다.

스카일라 티비츠 교수와 그의 셀프 어셈블리 연구소의 경우 4D 프린팅에 사용되는 장비와 재료는 스트라타시스에서 제공하고, 기하학적 '프로그래밍'은 오토데스크의 연구 개발팀에서 제공합니다. 이들은 또한 사이보그라는 새로운 소프트웨어를 설계했습니다. 그림 8-5는 스카일라 티비츠 교수의 4D 프린팅에 대한 설명을 보다 직관적으로 보여줍니다.

2014년 시안교통대학교의 리 디청 교수는 4D 프린팅에 대한 간결한 개념을 제시했습니다: 4D 프린팅은 스마트 소재의 적층 제조를 의미하며, 3D 프린팅 기술로 만든 구조물이 외부 환경 요인에 의해 자극을 받으면 시간이 지남에 따라 모양과 구조가 변할 수 있다는 것을 의미합니다. 4D 프린팅 기술이 3D 프린팅에 추가하는 또 다른 차원은 시간입니다.

따라서 4D 프린팅의 초기 개념은 '3D 프린팅 + 시간'으로 간단히 이해할 수 있으며, 스마트 소재를 사용하여 시간에 따른 부품의 형태 변화에 초점을 맞추고 있습니다. 4D 프린팅에 대한 연구가 계속 심화됨에 따라 그 개념과 본질은 더욱 고도화될 것으로 예상됩니다.

4D 프린팅용 재료

4D 프린팅의 핵심 구성 요소는 스마트 소재입니다. 1980년대 후반, 미국과 일본의 과학자들은 자연에서 발견되는 특정 기능에서 영감을 받아 재료 및 구조 분야에 지능 개념을 처음 도입하여 스마트 재료 구조라는 혁신적인 아이디어를 제안했습니다.

지능형 또는 반응형 구조라고도 하는 이러한 시스템은 감지 요소, 액추에이터, 관련 신호 처리 및 제어 회로를 재료 구조 내에 통합합니다. 이러한 시스템은 기계적, 열적, 광학적, 화학적, 전기적, 자기적 자극과 제어에 반응하도록 설계되었습니다.

이러한 소재는 하중을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 인식, 분석, 처리, 제어 기능을 갖추고 있어 자가 진단, 자가 적응, 자가 학습, 자가 수리 등의 다기능 기능을 제공합니다.

스마트 재료 구조는 역학, 재료 과학, 물리학, 생물학, 전자공학, 제어 과학, 컴퓨터 과학 및 기술 등 다양한 분야를 아우르는 학제 간 경계를 나타냅니다. 전 세계 각 분야의 수많은 전문가들이 이 분야를 발전시키기 위해 활발히 활동하고 있습니다.

스마트 소재는 기능과 구성에 따라 크게 형상 기억 소재, 전기 활성 고분자, 압전 소재, 전기 유체, 자기 변형 소재 등으로 분류할 수 있으며, 그 중 형상 기억 소재가 가장 널리 사용되고 있습니다.

형상 기억 재료에는 형상 기억 폴리머(SMP), 형상 기억 합금(SMA), 형상 기억 하이드로젤(SMH), 형상 기억 세라믹(SMC), 형상 기억 복합재료(SMC)가 있습니다.

형상 기억 고분자라고도 하는 형상 기억 고분자(SMP)는 특정 조건에서 초기 형태를 변경 및 고정했다가 열, 전기, 빛, 화학 유도 등의 외부 조건에 의해 자극을 받으면 원래 형태를 회복할 수 있는 고분자 소재입니다.

SMP 기술은 최신 고분자 물리학 이론과 고분자 합성 및 변형 기술을 활용하여 폴리에틸렌, 폴리이소프렌, 폴리에스테르, 코폴리에스테르, 폴리아미드, 코폴리 아미드, 폴리우레탄 등 일반적인 고분자 소재의 분자 구조를 설계하고 조정하는 기술입니다.

이러한 재료는 특정 조건(초기 상태)에서 특정 형상을 부여받으며, 외부 조건이 변하면 변형되어 고정될 수 있습니다(변형된 상태). 외부 환경이 다시 특정 방식으로 변화하면 가역적으로 초기 상태로 돌아갈 수 있어 초기 상태를 기억하고 변형된 상태를 고친 다음 다시 초기 상태로 돌아가는 사이클을 완료할 수 있습니다.

SMP는 반응하는 자극의 유형에 따라 열 유도 SMP, 전기 유도 SMP, 빛 유도 SMP, 화학적 유도 SMP 등으로 분류됩니다.

형상 기억 폴리머, SMP

열에 의해 유도된 SMP는 실온 이상으로 변형되며 장기간 보관하는 동안 변형을 고정할 수 있습니다. 특정 반응 온도로 가열하면 구성 요소는 빠르게 초기 모양을 회복합니다.

이러한 폴리머는 의료 기기, 발포 플라스틱, 시트 쿠션, 광학 정보 저장 매체, 경보기 등 의료, 스포츠, 건축, 포장, 자동차, 과학 실험 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

열 유도 SMP의 형상 기억 기능은 주로 성형 제품의 모양을 유지하는 고정 상과 온도 변화에 따라 연화 및 경화되는 가역 상이라는 재료 내의 양립할 수 없는 두 가지 상에서 비롯됩니다. 고정상은 원래 모양을 기억하고 복구하는 역할을 하는 반면 가역상은 제품의 모양을 변경할 수 있게 해줍니다.

고정상의 구조적 특징에 따라 열유도형 SMP는 열경화성 및 열가소성 카테고리로 더 나눌 수 있습니다. 또한 소위 "냉간 변형 성형" 형상 기억 폴리머가 있는데, 이는 특정 열가소성 수지를 온도 T 이하에서 냉간 가공하여 높은 탄성 변형을 달성한 다음 냉각하여 변형된 상태를 얻는 것입니다.

온도 T 이상으로 재가열 시_g를 누르면 머티리얼이 원래 모양으로 돌아갈 수도 있습니다.

전기 유도 형상 기억 폴리머는 전도성 카본 블랙, 금속 분말, 전도성 폴리머와 같은 전도성 물질과 열 유도 형상 기억 폴리머 물질의 합성물입니다. 메모리 메커니즘은 열 유도 형상 기억 폴리머와 동일합니다. 이 복합 재료는 전류에서 발생하는 열을 사용하여 시스템의 온도를 높이고 형상 회복을 유도합니다.

따라서 전자 음극선관, 전자파 차폐재 등 전자, 통신, 계측 분야에서 주로 사용되는 전도성 특성과 우수한 형상 기억 기능을 모두 갖추고 있습니다.

광반응성 SMP는 폴리머의 주쇄와 측쇄에 특정 광변색기(PCG)를 통합합니다. 자외선에 노출되면 PCG는 광이성질화 반응을 일으켜 분자 사슬 상태에 큰 변화를 일으킵니다.

거시적으로 보면, 이 소재는 빛에 의해 형태가 변형되는 현상을 보입니다. 빛 노출이 중단되면 PCG는 가역적으로 반응하여 분자 상태와 물질을 원래의 형태로 되돌립니다. 이러한 재료는 인쇄, 광학 기록, 광 구동 분자 밸브, 제어 약물 방출 시스템 등에 활용됩니다.

화학적으로 유도된 SMP는 주변 매체의 변화에 의해 활성화되어 재료 변형과 형태 회복을 가능하게 합니다. 일반적인 화학적 자극에는 pH 변화, 이온 교환 평형, 킬레이트화 반응, 상 전이 및 산화 환원 반응이 포함됩니다.

이러한 소재에는 부분적으로 비누화된 폴리 아크릴 아미드, 폴리 비닐 알코올 및 필름 형태의 폴리 아크릴산 혼합물이 포함되며 단백질 또는 효소용 분리막, 화학 엔진과 같은 특수 분야에서 사용됩니다.

형상 기억 합금, SMA

형상 기억 합금(SMA)은 두 가지 이상의 재료로 구성된 재료입니다. 금속 요소 열탄성 마르텐사이트 상변환과 그 반대를 통해 형상 기억 효과(SME)를 나타내는 물질입니다.

SMA는 형상 기억 재료 중 최고의 형상 기억 성능을 제공합니다. 열탄성 마텐사이트는 일단 형성되면 온도가 낮아지면서 계속 커지다가 가열하면 감소하여 완전히 가역적인 과정을 거쳐 사라집니다. 자유 에너지의 차이가 위상 변환의 원동력으로 작용합니다.

SMA는 변형 특성에 따라 세 가지 등급으로 분류됩니다:

단방향 형상 기억 효과: SMA는 낮은 온도에서 변형되었다가 가열하면 원래 모양을 회복하여 가열 과정 중에만 형상 기억 효과를 나타냅니다.

양방향 형상 기억 효과: 특정 합금은 가열 시 고온 상 형상을 회복하고 냉각 시 저온 상 형상으로 되돌아갑니다.

완전한 형상 기억 효과: 가열하면 재료가 고온 상 형상을 회복하고 냉각하면 동일한 형상이지만 방향이 반대인 저온 상 형상으로 전환됩니다.

현재까지 형상 기억 효과가 있는 50가지 이상의 합금이 발견되었습니다. 1969년 니켈-티타늄 합금의 형상 기억 효과가 산업적으로 처음 적용되어 독특한 파이프 커플링 장치가 탄생했습니다.

니켈-티타늄 합금에 다른 원소를 추가하여 니켈-티타늄-구리, 니켈-티타늄-철, 니켈-티타늄-크롬과 같은 새로운 니켈-티타늄 기반 형상 기억 합금이 추가로 개발 및 연구되었습니다. 이 외에도 구리-니켈, 구리-알루미늄, 구리-아연, 철 기반 합금(Fe-Mn-Si, Fe-Pd) 등 다른 유형의 형상 기억 합금이 있습니다.

SMA는 항공우주, 기계 전자, 생명 공학, 교량 건설, 자동차 산업, 일상 생활 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

형상 기억 하이드로겔(SMH)

하이드로겔은 물속에서 빠르게 부풀어 오르고 부풀어 오른 상태에서 녹지 않고 상당한 양의 물을 보유할 수 있는 친수성이 높은 3차원 네트워크 젤의 일종입니다. 수분 흡수는 가교 정도와 밀접한 관련이 있으며, 가교가 높을수록 수분 흡수율이 낮아집니다. 하이드로젤은 외부 자극에 대한 반응에 따라 전통적인 하이드로젤과 환경 반응형 하이드로젤로 분류할 수 있습니다.

기존의 하이드로젤은 온도나 pH와 같은 환경 변화에 민감하지 않으며, 고분자의 가교 결합을 변경하여 물을 포집하고 방출함으로써(자극을 제공함으로써) 구조적 전환을 촉진하는 수축과 팽창을 달성하여 적응합니다.

반면에 환경 반응형 하이드로젤은 외부 환경(온도, pH, 빛, 전기, 압력 등)의 사소한 변화나 자극을 감지하여 물리적, 화학적 특성 변화, 심지어 급격한 변형에도 반응할 수 있습니다. 이러한 하이드로젤의 특징은 환경적 요인에 따라 부풀어 오르는 특성이 눈에 띄게 변화한다는 점입니다.

이 두 가지 유형의 하이드로젤의 서로 다른 반응 메커니즘을 기반으로 형상 기억 하이드로젤이 개발되어 센서, 제어 스위치 등으로 사용할 수 있습니다.

형상 기억 세라믹(SMC)

SMC는 다음과 같은 점에서 SMP 및 SMA와 다른 형상 기억 효과를 나타냅니다: 첫째, SMC는 변형 용량이 더 작고, 둘째, 형상 기억 및 복구 사이클마다 다양한 정도의 비가역 변형을 경험하며, 사이클 수가 증가할수록 누적 변형이 증가하여 궁극적으로 균열이 형성됩니다.

SMC는 형상 기억 효과 생성 메커니즘에 따라 점탄성 형상 기억 세라믹, 마르텐사이트 상변환 형상 기억 세라믹, 강유전 형상 기억 세라믹, 강자성 형상 기억 세라믹으로 분류할 수 있습니다.

점탄성 형상 기억 세라믹에는 산화 코발트, 산화 알루미늄, 탄화 규소, 질화 규소 및 운모 유리 세라믹이 포함됩니다. 이러한 소재는 특정 온도로 가열되면 하중을 받아 변형되며, 외력에 의해 변형이 유지됩니다. 냉각 후 특정 온도로 재가열하면 세라믹의 변형은 원래 상태로 회복됩니다.

연구에 따르면 점탄성 형상 기억 세라믹은 결정질과 유리질의 두 가지 구조로 이루어져 있으며, 형상 회복을 이끄는 탄성 에너지는 이 중 한 구조에 저장되고 변형은 다른 구조에서 발생한다고 합니다.

마르텐사이트 형상 기억 세라믹(예: ZrO)₂, BaTiO₃, KNbO₃, PbTiO₃는 주로 에너지 저장 액추에이터 요소와 특수 기능성 소재에 사용됩니다.

강유전 형상 기억 세라믹은 외부 전기장에 의해 방향이 변할 때 형상 기억 특성을 나타내는 세라믹을 말합니다. 강유전 형상 기억 세라믹의 상 영역에는 부유전, 강유전, 반유전 물질이 포함되며, 부유전-강유전 및 반유전-강유전 변환과 같은 상전이 유형이 있습니다.

이러한 상 전이는 전기장 또는 극 자기 영역의 전환 또는 방향 전환에 의해 유도될 수 있습니다. 강유전 형상 기억 세라믹은 형상 기억 합금에 비해 변형이 작지만 빠른 응답 시간을 자랑합니다.

또한 상자성-반상성, 상자성-반자성, 또는 정렬된 궤도 상태에서 무질서한 궤도 상태로 가역적으로 전환될 수 있으며, 일반적으로 복구 가능한 격자 변형이 동반될 수 있습니다.

4D 프린팅의 응용 분야

4D 프린팅으로 제조된 물체는 적응 및 자가 치유 기능을 갖춘 스마트한 제품입니다. 인공 조직 및 장기, 의료 기기, 자동차 운송, 정밀 기계, 항공 우주, 방위 산업은 물론 패션, 가구, 건축 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 다음은 7가지 구체적인 적용 사례입니다:

(1) 4D 프린트 격자 드레스

제시카 티비츠 교수와 같은 학교에서 건축학 학위를 받은 제시카와 제시가 2007년에 미국에서 설립한 Nervous System은 2014년부터 특수 원단을 사용하여 4D 프린팅을 통해 드레스를 제작하기 시작했습니다. 이 드레스는 그림 8-6에 표시된 것처럼 2,279개의 삼각형과 3,316개의 힌지 포인트로 구성된 격자 구조로 구성되어 있습니다(그림 8-7 참조).

삼각형과 힌지 포인트 사이의 장력이 착용자의 체형에 맞게 조정되어 체중 변화에도 드레스가 잘 맞습니다. 이 드레스는 피팅 문제를 해결할 뿐만 아니라 착용자의 체형에 맞게 조정됩니다. 이 드레스는 SLS 3D 프린팅 기술을 사용하여 제작되어 인쇄 후 소결되지 않은 파우더가 떨어져 나가면서 섬유 구조가 서로 맞물려 만들어집니다.

또한 사용자가 자신의 신체를 3D 스캔하고 원단 크기와 모양을 선택하여 독특한 4D 프린트 드레스를 맞춤 제작할 수 있는 애플리케이션을 개발했습니다. 현재 이 4D 프린팅 드레스는 박물관이나 갤러리 4곳에서 영구 소장하고 있습니다.

4D 프린팅 스페이스 메탈 패브릭

2017년 NASA 제트 추진 연구소의 라울 폴리 카시야스가 이끄는 연구팀은 그림 8-8과 같이 4D 프린팅 기술을 사용하여 접이식 금속 패브릭을 만들었다고 보고했습니다. 이 직물은 그림 8-9에 표시된 것처럼 앞면에는 작은 은색 금속 사각형이 있고 뒷면에는 검은색 직조 금속 와이어가 있습니다.

이 구조는 외부 충격에 견디는 능력을 크게 향상시키며 우주선이나 우주 비행사의 우주복 표면에 적용하기에도 편리하게 설계되었습니다. 이 구조는 빛을 반사(금속 사각형면)하고 열을 흡수(금속 와이어면)하여 물리적 충격 저항, 천과 같은 접힘 능력, 강철과 같은 인장 강도, 강렬한 빛의 굴절, 패시브 열 관리 등 5가지 기능을 포괄할 수 있습니다.

패시브 열 관리를 통해 우주선은 외부 환경과의 온도 차이를 최소화하여 이 소재를 덮개로 사용할 때 동적 평형을 이룰 수 있습니다.

NASA는 이 금속 패브릭이 접을 수 있고 모양이 변형되는 대형 안테나, 춥고 얼음이 많은 행성/달을 방문하는 우주선을 위한 단열재, 유연한 우주 비행사 격리 매트, 우주선용 소형 운석 보호막, 우주복 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 예상하고 있습니다.

또한 이 혁신적인 소재는 얼음이 많은 달/행성에서 항공기에 사용할 수 있으며, 거친 행성 표면에 맞는 접이식 '발'을 만들어 특정 물리적 손상을 방지하고 샘플 수집을 용이하게 합니다.

4D 프린팅 생분해성 기관 스텐트

2016년 3월 28일, 제4군 의과대학 부속 당두병원의 흉부외과 의사들은 기관지 내 기관지 결핵으로 인한 기관연화증 환자의 고통을 덜어주기 위해 최첨단 4D 프린팅 기술을 사용했습니다. 해당 기관 부분은 절제가 허용되는 최대 길이를 초과하여 제거가 불가능했습니다.

기존의 스텐트 이식은 객담 배출 장애와 같은 합병증을 유발할 수 있습니다. 미시간 대학교에서는 뉴잉글랜드 의학 저널에 비슷한 사례를 보고했는데, 이 환자의 기관지 병변이 6cm에 달해 더 큰 어려움을 겪었던 반면, 전문가들은 왼쪽 기관지 질환이 있는 환자를 위해 1~1.5cm에 불과한 외부 스텐트 현탁액을 설계했습니다.

리샤오페이 박사, 황리준 부원장, 탕두병원 흉부외과 왕레이 박사는 질병의 특성을 면밀히 분석한 후 제4군 의과대학 3D 프린팅 연구센터의 차오 티에셩 교수, 양관잉 의사와 협력하여 3D 프린팅 기관 모형을 제작했습니다.

철저한 평가 후 외부 스텐트 현탁 수술을 진행하기로 결정했습니다. 또한 시안교통대학의 허젠캉 교수팀과 협력하여 그림 8-10과 같이 환자를 위한 4D 프린팅 생분해성 기관 스텐트를 맞춤 제작했습니다.

4D 프린팅된 생분해성 기관 스텐트를 사용하여 약해진 기관을 감싸고 제자리에 봉합하여 무너진 기관을 지지하고 좁아진 기도를 열었습니다. 그림 8-11과 같이 수술 전 환자 및 가족과의 철저한 의사소통이 이루어졌습니다.
수술은 성공적이었고 환자는 수술 후 잘 회복했습니다.

생체 재료의 종류와 분자량을 조절하여 스텐트의 분해 기간을 조절할 수 있어 향후 2~3년에 걸쳐 서서히 분해되어 체내에 흡수되므로 환자는 스텐트 제거를 위한 2차 수술의 고통에서 벗어날 수 있습니다.

이 수술은 매우 길쭉한 기관의 연부 부위에 외부 스텐트를 삽입하는 세계 최초의 수술이었습니다. 또한 그해 9월에는 제4군 의과대학 시징 병원의 의사들이 시안 자오퉁 대학의 허젠캉 팀과 협력했습니다.

연구팀은 이와 유사한 4D 프린팅 흡수성 기관 스텐트를 사용하여 심각한 양측 기관지 협착증을 동반한 복합 선천성 심장 질환을 앓고 있는 생후 5개월 영아에게 스텐트 현탁 수술을 시행하여 세계 최초로 질환을 완치하는 데 성공했습니다.

4D 프린팅 SMP 오클루더

2019년 하얼빈 공과대학의 리우 리우 교수는 하얼빈 의과대학 제1부속병원의 임상 전문가들과 협력하여 형상 기억 폴리락트산 매트릭스에 Fe3O4 자성 입자를 통합했습니다. 이들은 특정 자기장 강도에서 원격으로 제어 가능하게 배치할 수 있는 맞춤형 생분해성 SMP 오클루더를 설계하고 4D 프린팅했습니다.

또한 그림 8~12에서 보는 바와 같이 4D 프린팅된 SMP 폐색기로 체외 타당성 실험을 수행하여 배치 과정의 단순성을 테스트했습니다. SMP 폐색기는 카테터를 통해 원활하게 포장, 전달 및 방출될 수 있었으며, 16초 이내에 배치 프로세스가 완료되었습니다.

4D 프린팅 로봇 자가 조립 시스템

2013년 IEEE 로봇 및 자동화 국제 컨퍼런스에서 하버드 공학 및 응용과학대학의 생물학 영감 공학 연구소의 사무엘 M. 펠튼은 4D 프린팅 기술을 사용하여 만든 로봇 자가 조립 시스템을 선보였습니다.

높은 구조적 성능, 자동화 및 지능을 요구하는 로봇 공학 분야에서는 형상 기억 폴리머를 결합할 때 놀라운 효과를 볼 수 있으며, 특히 로봇 자체 조립 시스템이 중요한 역할을 합니다. 이 4D 프린팅 자체 조립 시스템은 단단한 평면 재료와 SMP를 결합하여 외부 자극에 따라 순차적으로 접기, 각도 제어 및 슬롯팅 동작을 구현합니다.

그림 8-13(a)는 4D 프린팅 로봇 자가 조립 시스템이 장착된 벌레 모양의 로봇으로, 적절한 전류가 흐르면 기능적인 형태로 접혀 움직일 수 있습니다. 그림 8-13(b)는 동일한 벌레 모양의 로봇이 2µm/s의 속도로 자가 추진을 시연하는 모습을 보여줍니다. 이러한 자가 조립 로봇은 재료, 가공 및 운송 비용을 절감할 수 있으며 제한된 지역을 탐험하는 데 유망한 전망을 가지고 있습니다.

(6) 4D 프린트 습도 감지 스포츠웨어

2017년 매사추세츠 공과대학의 자오 쑤안허 교수는 3D 프린팅 공정을 통해 유전적으로 이동 가능한 미생물을 습도 불활성 물질에 증착하여 미생물 밀도가 고르지 않은 다층 구조의 바이오하이브리드 필름을 만들었습니다. 이 바이오하이브리드 필름은 살아있는 세포의 흡습성 및 생체 발광 특성을 활용하여 수초 내에 환경의 습도 변화에 반응할 수 있습니다.

그림 8-14에 표시된 것처럼 다층 구조의 모양과 바이오 발광의 강도를 가역적으로 변경하여 습도가 높은 환경에서 개방형 통풍 플랩을 형성합니다. 이 바이오 하이브리드 필름은 그림 8-15와 같이 운동 경험을 향상시키기 위해 습도에 민감한 스포츠웨어로 제작되었습니다.

이 다층 구조의 증착은 습도에 민감한 스마트 소재의 적층 제조를 구성하기 때문에 이 3D 프린팅 프로세스는 4D 프린팅이라고도 할 수 있습니다.

(7) 큰 변형, 높은 탄성률의 자기 변형 구조

2020년 조지아 공과대학교의 H. Jerry Qi 교수팀은 큰 변형과 높은 모듈러스가 가능한 자가 변형 구조물을 설계하고 제조하는 방법을 시연했습니다. 연구팀은 다량의 용매, 광중합성 수지, 짧은 유리 섬유, 기체 실리카로 구성된 복합 잉크를 사용하여 다중 재료 DIW 공정을 통해 설계된 구조물을 프린팅했습니다.

인쇄하는 동안 유리 섬유는 노즐을 통해 전단 유도를 통해 정렬되어 이방성이 높은 기계적 특성을 갖게 됩니다. 그런 다음 용매를 증발시켜 정렬된 유리 섬유가 평행 및 수직 방향으로 이방성 수축을 일으켰습니다. 이후 경화 후 단계에서는 복합 재료의 강성이 약 300MPa에서 약 4.8GPa로 더욱 증가했습니다.

그림 8-16에 설명된 인쇄 및 변형 과정은 위에 설명되어 있습니다. 용매, 섬유 함량 및 섬유 방향이 형태 변화에 미치는 영향을 예측하기 위해 유한 요소 분석 모델이 개발되었습니다.

그 결과 이방성 체적 수축이 액티브 힌지 역할을 하여 큰 변형과 높은 모듈러스를 가진 복잡한 구조의 자가 변형이 가능하다는 것을 확인했습니다. 이러한 구조는 하중을 견딜 수 있는 경량 구조물에 적용될 수 있는 가능성을 보여줍니다.