4D프린터원리와 출현
3D프린팅 기술에 4차원의 도입을 이룬 것이 4D 프린팅 이라고 합니다. 이 새로운 차원에서 3D프린팅의 개체는 빛, 열, 전기, 자기장 등과 같은 외부 자극의 영향에 대해 자체적으로 모양을 변형할 수 있는 기능을 가지고 있습니다. 시간의 차원을 통합하여 인쇄 된 개체는 동적으로 모양을 변경합니다. 전기 기계 부품이나 움직이는 부품없이 상황의 필요와 요구에 따라 3D 인쇄 된 개체의 모양 변화 현상은 특정 자극에 반응하여 시간이 지남에 따라 변형되는 재료의 능력을 기반으로 하며 프로세스를 돕기 위해 사람의 개입이 필요하지 않습니다. 적층 제조 기술인 3D 프린팅은 현대 제조 분야에서 가장 파격적인 혁신 중 하나로 간주됩니다. 이는 설계 및 개발과 함께 업계에서 부품 및 구성 요소, 장비가 제조되는 방식에 현식이었습니다. 3D 프린팅을 통해 제조업체와 연구원은 기존의 제조 방법으로는 불가능하다고 생각했던 복잡한 모양과 구조를 개발할 수 있게 되었습니다. 3D 프린팅 기술은 지난 30년 동안 지속적으로 발전해 왔으며 크게 발전했습니다. 하지만 안타까운 것은 이러한 능력에도 불구하고 3D 프린팅은 아직 대규모 제조에 채택 될 준비가 되지 않았습니다. 셀프 폴딩, 패키징, 풍력터빈 등과 같은 다양한 응용 분야에서 유연한 물체에 대한 요구가 증가함에 따라 새로운 4D 프린팅이 등장했습니다. 연구자들은 현재 메타 물질 구조를 개발하기 위해 단일 재료로 구조를 제작하는 기존의 3D 프린팅을 앞두고 있습니다. 메타 물질 구조는 외부 자극에 의해 활성화 될 때 중첩 된 구조적 반응을 제공하는 다양한 물질을 결합하여 생성됩니다. 서로 다른 재료의 합동 프린팅은 재료 동질성 형성하여 물체가 축을 따라 구부리고, 늘어나고, 비틀고, 주름 져 구조를 변경할 수 있습니다. 연구원들은 사물함, 리프터, 마이크로 튜브, 소프트 로봇, 장난감 등을 만들기 위해 이러한 구조적 변화를 확장하기 위해 더욱 노력하고 있습니다. 즉 시간이 지남에 따라 서로 다른 재료의 동작을 사용하여 구조를 변형하는 물체의 이러한 능력을 4D 프린팅 이라고 합니다. 3D 프린팅과 4D 프린팅의 주요 차이점은 인쇄 할 재료의 사용과 인쇄 장비입니다. 4D 프린팅 기술은 아직 초기 단계이므로 사용되는 재료에 한계가 있습니다. 그러나 3D 프린팅의 연구와 발전은 4D 프린팅에 새로운 기회를 제공 할 것으로 예상됩니다. 4D 프린팅과 관련하여 현재 중점을 두고있는 분야 또한 소재와 관련된 섹터입니다. 스마트 머티리얼은 다양한 외부 자극에 대한 반응에 따라 다양한 소재의 변형 메커니즘이 합성되는 4D 프린팅 분야에서 고도로 집중된 연구 분야 중 하나입니다. 장비 설계는 여러 재료를 합동으로 인쇄 할 수 있는 고급 프린터 기술을 개발이 필요합니다. 현재 연구자들은 4D 프린팅을 위해 직접 잉크젯 경화, 융합 증착 모델링, 스테레오 리소그래피, 레이저 지원 바이오 프린팅 및 선택적 레이저 용융 방법 등을 사용합니다. 수학적 모델링에 대한 연구는 4D 인쇄 개체의 기능적 구조를 이해하는 데 필수적입니다. 자극에 의해 촉발 된 물체의 변형 및 형성 과정을 스스로 예측합니다. 4D 프린팅 용 재료는 환경 또는 반응하는 외부 자극에 따라 분류됩니다. 현재 스마트 재료의 클래스는 현재 여러 범주로 분류됩니다. 열 반응 재료는 SME(형상 기억 효과)의 메커니즘에서 작동합니다. SMA (형상 기억 합금), SMP (형상 기억 폴리머), SMH (형상 기억 하이브리드), SMC (형상 기억 세라믹) 및 SMG (형상 기억 젤)로 분류됩니다. 대부분의 연구자들은 이렇듯 재료를 조금 더 쉽게 인쇄 할 수 있는 환경을 선호합니다. 열 또는 열 에너지가 자극으로 적용될 때 형성되고 변형됩니다. 수분 반응 물질은 물이나 습기와 접촉했을 때 반응하는 물질로 분류됩니다. 이러한 물질은 물이 풍부하고 광범위한 응용 분야에서 사용될 수 있기 때문에 연구자들이 널리 선호합니다. 하이드로 겔은 물과 격렬하게 반응하기 때문에 범주에 속하는 스마트 소재에 속합니다. 예를 들어 하이드로 겔은 물과 접촉 할 때 원래 부피의 200 %까지 크기를 늘릴 수 있습니다. 다시 이쯤에서 3D프린터 재료에 대해 살펴보겠습니다. 초기부터 가용의 용이성이 필요했고 다양한 문제로 대부분 플라스틱이 이용이 되었습니다. 그런데 점차 그 소재 또한 다양화 되었습니다. 종이, 고무, 콘크리트, 식품에 이르기까지 재료의 범위는 넓어지고 있습니다. 또한 단순한 조형물 뿐만이 아닌 건축과 설계에도 응용이 될 것으로 예상이 되는 분야가 3D프린터 입니다. 또한 상품의 다양성까지 갖추게 되었는데요. 바로 3D펜이 그렇습니다. 초창기에는 RP(Rapid Prototyping)이라는 인쇄기술로 시작이 되었습니다. 1981년에 나고야 건설 산업 연구소에서 고다마히대오 박사가 출원을 하였지만 1년 내에 매뉴얼을 작성할 수 없어 특허는 취소되었습니다. 3D System의 공동창립자 Charles Whull이 1983년 본격적인 3D프린터라는 명칭으로 정식적인 시작이 이루어졌습니다. 1986년 3D 프린터에 대한 최초의 승인이 이루어 졌으며 SLA(광경화성수지라미네이션)기계를 만든 Chuck Hull 이 그 주인공이었습니다. 그 후 3D프린터는 더욱 시스템화 되어 1988년 본격적인 사용화에 접하기 시작했습니다. 본 글을 통해 4D프린터의 원리와 3D프린터의 역사에 대해 알아보았습니다. 더욱 발전할 분야이기 때문에 어떻게 진화가 될 지 기대가 되는 바입니다.
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