마이크로 적층 가공

Nature 612권, 685~690페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

금속 적층 가공(AM)을 통해 항공우주2에서 생물의학3 분야에 이르는 응용 분야에서 고부가가치 고성능 부품1을 생산할 수 있습니다. 레이어별 제조는 기존 금속 가공 기술의 기하학적 한계를 우회하여 위상적으로 최적화된 부품을 빠르고 효율적으로 만들 수 있습니다4,5. 기존 AM 기술은 부품 성형을 위해 열적으로 시작되는 용융 또는 소결에 의존하며, 이는 비용이 많이 들고 재료가 제한된 프로세스6,7,8입니다. 우리는 vat 광중합(VP)을 통해 미세한 해상도로 금속 및 합금을 생산하는 AM 기술을 보고합니다. 3차원 구조의 하이드로겔에 금속 전구체를 주입한 다음 하소 및 환원하여 하이드로겔 지지체를 소형화된 금속 복제물로 변환합니다. 이 접근 방식은 VP의 패러다임 전환을 나타냅니다. 재료는 구조가 제작된 후에만 선택됩니다. 인쇄 중에 대상 재료 또는 전구체를 포토수지에 통합하는 기존 VP 전략과 달리9,10,11, 우리의 방법은 다양한 재료에 대한 수지 및 경화 매개변수의 재최적화가 필요하지 않으므로 빠른 반복, 구성 조정 및 다중 재료 제조 기능이 가능합니다. 우리는 기존 공정을 사용하여 제작하기 어려운 약 40μm의 임계 치수를 가진 금속 AM을 시연합니다. 이러한 하이드로겔 유래 금속은 고도로 쌍을 이룬 미세 구조와 매우 높은 경도를 갖고 있어 고급 금속 미세 물질을 생성할 수 있는 경로를 제공합니다.

금속 AM은 대부분 분말층 융합12 및 지향성 에너지 증착13 공정을 통해 달성됩니다. 층별 공정을 통해 금속 다중 재료14 및 기능 등급 복합재15를 제작할 수 있지만 이러한 레이저 기반 공정은 구리와 같은 재료를 생산하는 데 어려움을 겪습니다. 높은 열 전도성과 낮은 레이저 흡수성은 열 개시와 용융 또는 소결의 국지화에 어려움을 야기합니다16. Vat 광중합(VP)은 광 개시 자유 라디칼 중합을 사용하여 부품을 성형하는 유망한 대안입니다. 디지털 광 처리(DLP) 인쇄는 자외선의 2차원 이미지를 포토수지 욕조에 투사하여 3차원(3D) 구조의 전체 층을 동시에 경화함으로써 이를 수행합니다. DLP는 빠른 인쇄 속도가 가능하고17 마이크로미터 이하의 해상도로 시연되었으며18 신발 밑창의 직접 제조19부터 코로나19 테스트 면봉20에 이르기까지 다양한 상업적 응용 분야를 갖고 있습니다. VP는 주로 폴리머21,22,23에 사용하기 위해 개발되었으며 유리9 및 세라믹10에서도 입증되었습니다. 그러나 무기 재료 선택은 용액24, 슬러리25 또는 무기-유기 혼합물26과 같은 포토수지에 적절한 전구체를 통합하는 문제로 인해 여전히 제한적입니다. 결과적으로 VP를 통한 금속 제조는 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. Oranet al. 2광자 활성화가 전구체의 침투를 유도하여 3D 물질을 부피적으로 증착하는 '나노 제조 반응기'로 하이드로겔을 사용하여 나노 규모 은의 AM을 시연했습니다. Vyatskikhet al. 는 2광자 리소그래피를 사용하여 니켈 아크릴레이트를 함유한 무기-유기 수지를 패턴화한 후 열분해 및 H2 환원을 수행하여 나노 규모 니켈의 AM을 시연했습니다. 그러나 이러한 선구적인 작업은 재료 범위가 제한되어 있으며 각각의 새로운 재료에 대해 복잡한 수지 설계 및 최적화가 필요합니다. 직접 잉크 쓰기 및 재료 분사와 같이 덜 일반적으로 사용되는 기타 금속 AM 기술은 각각 노즐에서의 압출 및 바인더의 제어된 증착을 사용하여 부품 모양을 정의합니다. 이러한 방법은 부품 모양을 정의하기 위해 열을 사용하는 문제를 피합니다. 구리 재료는 직접 잉크 쓰기29 및 재료 분사30를 통해 제조되었지만 두 기술 모두 100μm 미만의 형상 크기를 가진 구리 부품을 생산하지 못했습니다.