스마트 부품의 미래: 4D 프린팅 기계적 메타물질 기술 가이드

본 기술 요약은 Muhammad Yasir Khalid, Zia Ullah Arif, Ali Tariq, Mokarram Hossain, Rehan Umer, Mahdi Bodaghi가 발표한 "[3D printing of active mechanical metamaterials: A critical review]" 학술 논문을 기반으로 작성되었습니다. 이 자료는 HPDC 전문가를 위해 캐스트맨(CASTMAN) 전문가들이 Gemini, ChatGPT, Grok과 같은 LLM AI의 도움을 받아 분석하고 요약한 것입니다.

키워드

• 주요 키워드: 4D 프린팅 기계적 메타물질
• 보조 키워드: 형상기억폴리머, 메타물질 설계 최적화, 에너지 흡수 메타물질, 스마트 액추에이터, 자가 전개 구조물, 바이오메디컬 메타물질, 적층 제조

핵심 요약

• 과제: 기존의 3D 프린팅은 정적인 부품을 제작하므로, 주변 환경에 반응하는 적응형, 경량, 다기능 부품 개발에 한계가 있습니다.
• 방법: 본 비평 연구는 4D 프린팅(3D 프린팅 + 시간/자극)과 스마트 소재의 시너지를 분석하여, 정교하게 설계된 내부 구조를 통해 특성이 정의되는 능동형 기계적 메타물질을 만드는 방법을 다룹니다.
• 핵심 성과: 이 소재들은 열, 습기, 자기장과 같은 외부 자극에 반응하여 형상을 바꾸고, 에너지를 흡수하며, 구동이나 자가 전개와 같은 복잡한 기능을 수행하도록 프로그래밍될 수 있습니다.
• 결론: 4D 프린팅 기계적 메타물질은 항공우주, 바이오메디컬, 로보틱스 분야에서 경량의 지능형 재구성 가능 부품을 만들기 위한 새로운 패러다임을 제공하며, 첨단 제조 기술의 미래를 위한 로드맵을 제시합니다.

과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

수십 년간 적층 제조(AM), 즉 3D 프린팅은 우리가 복잡한 부품을 설계하고 제작하는 방식을 혁신해왔습니다[1]. 하지만 그 주된 한계는 형상이 변하거나 환경에 적응하는 제품을 생산할 수 없다는 점이었습니다[15]. 제작된 부품은 정적입니다. 동시에, 화학적 조성이 아닌 정교하게 설계된 내부 구조로부터 특별한 특성을 얻는 새로운 종류의 "메타물질"이 등장했습니다[16].

하지만 이러한 매우 복잡한 내부 구조를 마이크로 스케일에서 전통적인 방법으로 제조하는 것은 극히 어렵습니다[22]. 바로 이 지점에서 4D 프린팅이 등장합니다. 4D 프린팅은 '시간'이라는 네 번째 차원을 도입하여 3D 프린팅과 기존 제조 방식의 한계를 모두 해결합니다. "스마트 소재"로 프린팅함으로써, 특정 자극에 노출되었을 때 모양, 특성, 기능을 바꾸는 부품을 만들 수 있습니다[44]. 본 리뷰는 이 분야의 최신 동향을 종합하여, 차세대 고성능, 경량, 지능형 부품 개발에 집중하는 모든 엔지니어와 설계자에게 귀중한 통찰력을 제공합니다.

접근법: 연구 방법론 분석

빠르게 발전하는 이 분야를 체계적으로 정리하기 위해, 연구진은 4D 프린팅 기계적 메타물질의 현황에 대한 비평적 검토를 수행했습니다. 본 연구는 Figure 3에 요약된 바와 같이 이 기술의 핵심 요소에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

• 스마트 소재 및 자극: 열, 물, 전기장과 같은 자극에 반응하는 형상기억폴리머(SMP)와 같은 소재를 검토합니다.
• 프린팅 방법: 이러한 복잡한 구조를 제작하는 데 사용되는 적층 제조(FDM, DIW, DLP 등) 기술을 리뷰합니다.
• 설계 및 최적화: 머신러닝을 포함한 첨단 도구들이 메타물질 구조를 설계하고 최적화하는 데 어떻게 사용되는지 분석합니다.
• 기능 및 응용: 결과적으로 나타나는 능력(예: 형상 변화, 에너지 흡수)과 스마트 액추에이터, 바이오메디컬 장치, 자가 전개 구조물과 같은 실제 응용 사례를 상세히 설명합니다.

핵심 성과: 주요 연구 결과 및 데이터

본 리뷰는 미래 지향적인 이 소재들을 오늘날 현실로 만들고 있는 몇 가지 주요 성과를 강조합니다.

• 성과 1: 프로그래밍 가능한 형상 변화: 4D 프린팅의 결정적인 특징은 외부 자극에 반응하여 형상 변화를 유도하는 능력입니다[68]. 부품을 하나의 형태로 프린팅한 후, 열, 빛, 습기와 같은 자극에 노출되면 새로운 영구적 또는 일시적인 형태로 변형될 수 있습니다[63]. 이 과정은 4D 프린팅된 SMP 마이크로격자의 형상 기억 사이클에서 잘 나타나는데, 이 구조는 변형된 후 가열을 통해 원래 형태로 복구될 수 있습니다(Figure 6(a)).
• 성과 2: 구조 기반 성능: 메타물질은 음의 푸아송 비(옥세틱), 높은 강도 대 중량비, 맞춤형 강성 등 독특한 특성을 그들의 구성 폴리머나 금속이 아닌, 설계된 내부 기하학 구조(종종 격자, 오리가미, 또는 카이랄 패턴 사용)를 통해 달성합니다[77, 81]. Figure 2에 나타난 이러한 "기하학적 혁신"은 설계자들이 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 성능을 가진 재료를 만들 수 있게 합니다.
• 성과 3: AI 기반 설계 최적화: 메타물질 설계의 복잡성은 고급 계산 도구를 필요로 합니다. 본 논문은 이러한 구조를 발견하고 최적화하는 데 있어 머신러닝(ML)의 중요한 역할을 강조합니다[117]. 예를 들어, 연구자들은 ML을 사용하여 원자 단위의 무질서한 기계적 메타물질 군을 발견했으며(Figure 7(a)), 원하는 등방성 및 옥세틱 특성을 가진 고도로 조정 가능한 격자 구조를 체계적으로 설계했습니다(Figure 7(d₁), 7(d₂)) [118, 121].
• 성과 4: 혁신적인 실제 응용: 4D 프린팅 메타물질의 독특한 능력은 여러 산업에 걸쳐 새로운 장치를 가능하게 하고 있습니다. 본 리뷰에서 다룬 주요 응용 분야로는 병뚜껑을 열 수 있는 소프트 그리퍼와 같은 스마트 액추에이터(Figure 13(a)), 동맥에 맞춰 변형되는 전개형 혈관 스텐트와 같은 바이오메디컬 장치(Figure 15(a₁, a₂)), 그리고 재구성 가능한 우주 로봇 및 거주지를 위한 자가 전개 구조물(Figure 16(c)) 등이 있습니다.

HPDC 제품을 위한 실용적 시사점

본 리뷰는 주로 폴리머 기반 적층 제조에 중점을 두고 있지만, 그 핵심 원리는 HPDC로 생산되는 부품을 포함한 고성능 금속 부품의 미래에 강력한 통찰력을 제공합니다.

• 공정 엔지니어를 위한 시사점: 자극 반응성 소재를 사용하는 원리는 금속에 직접 적용될 수 있습니다. 본 논문은 첨단 제조 공정으로 가공할 수 있는 형상기억합금(SMA)에 대해 논의합니다[48]. 또한, Ti-6Al-4V 및 316L 스테인리스강으로 제작된 금속 메타물질의 3D 프린팅 사례(Figure 2(f) 및 Figure 2(a))를 보여줌으로써, 이러한 복잡한 기하학적 구조가 폴리머에만 국한되지 않음을 증명합니다. 이는 금속 부품이 프로그래밍 가능한 형상 변화 능력을 가질 수 있는 미래를 시사합니다.
• 품질 관리를 위한 시사점: 메타물질 설계 시 ML과 컴퓨터 시뮬레이션에 크게 의존하는 것(Section 3.3)은 데이터 기반 제조 접근법의 가치를 재확인시켜 줍니다. 유사한 ML 모델을 HPDC에 적용하면 최종 기계적 특성을 더 정밀하게 예측하고 제어하여 비용이 많이 드는 시행착오를 줄일 수 있습니다.
• 금형 설계를 위한 시사점: 가장 중요한 시사점은 기하학적 구조를 통해 성능을 설계한다는 개념입니다. 내부 격자 구조를 조작하여 높은 에너지 흡수, 진동 감쇠 또는 높은 강도 대 중량비와 같은 특정 특성을 가진 재료를 설계하는 능력[81, 82]은 혁명적입니다. 이는 단순한 위상 최적화를 넘어서, 우수한 성능과 경량화를 위해 복잡하고 기능적인 내부 구조를 가진 다이캐스팅 부품을 설계할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

논문 상세 정보

3D printing of active mechanical metamaterials: A critical review

1. 개요:

• 제목: 3D printing of active mechanical metamaterials: A critical review
• 저자: Muhammad Yasir Khalid, Zia Ullah Arif, Ali Tariq, Mokarram Hossain, Rehan Umer, Mahdi Bodaghi
• 발행 연도: 명시되지 않았으나, 2024년까지의 참고문헌을 포함한 최신 리뷰로 보임.
• 발행 학술지/학회: 제공된 문서에 명시되지 않음.
• 키워드: 3D/4D printing, mechanical metamaterials, deployable structures, smart grippers, biomedical devices

2. 초록:

4D 프린팅에서 기계적 메타물질의 등장은 우수한 다기능성을 갖춘 고급 계층 구조 개발의 길을 열었습니다. 특히, 4D 프린팅된 기계적 메타물질은 외부 요인에 의해 작동될 때 다중물리 자극을 고급 구조와 통합하여 모양, 특성 및 기능을 변경함으로써 특별한 기계적 성능을 나타냅니다. 이 비평 리뷰는 독자들에게 새로운 기계적 메타물질 개발을 위한 빠르게 성장하는 4D 프린팅 기술에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다. 물리적, 화학적 또는 기계적 자극에 대한 에너지 흡수 및 형상 변화 행동을 포함하여 4D 프린팅된 기계적 메타물질의 다기능성에 대한 필수 정보를 제공합니다. 이러한 능력은 바이오메디컬, 포토닉스, 음향학, 에너지 저장 및 단열과 같은 다기능 응용을 위한 스마트하고 지능적인 구조를 개발하는 데 핵심입니다. 이 리뷰의 주요 초점은 4D 프린팅을 통해 개발된 기계적 메타물질의 구조적 및 기능적 응용을 설명하는 것입니다. 이 기술은 마이크로 그리퍼, 소프트 로봇, 바이오메디컬 장치 및 자가 전개 구조물과 같은 응용에서 스마트 소재의 형상 변화 기능을 활용합니다. 또한, 이 리뷰는 4D 프린팅된 기계적 메타물질 분야의 현재 진행 상황과 과제를 다룹니다. 결론적으로, 4D 프린팅된 기계적 메타물질의 최근 발전은 공학 및 과학 응용을 위한 새로운 패러다임을 확립할 수 있습니다.

3. 서론:

3D 프린팅은 현대 제조업을 혁신했지만, 주된 단점은 형상이 변하거나 환경에 적응하는 제품을 생산할 수 없다는 것입니다[15]. 구조를 기반으로 복잡한 특성을 나타내는 인공적으로 설계된 소재인 메타물질은[16] 그 구조를 전통적인 방식으로 제조하기가 매우 어렵습니다[22]. 스마트한 자극 반응성 소재를 사용하여 시간을 네 번째 차원으로 통합하는 4D 프린팅의 등장은, 기존 3D 프린팅으로는 달성할 수 없는 기능적이고 적응 가능한 구조의 생성을 가능하게 합니다[43, 44]. 본 리뷰는 4D 프린팅된 기계적 메타물질의 최신 동향을 종합하여, 다기능성과 응용 분야에 초점을 맞춥니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

본 연구는 두 가지 최첨단 기술, 즉 첨단 적층 제조(4D 프린팅)와 재료 과학(기계적 메타물질)의 교차점에 위치합니다. 3D 프린팅은 제조를 혁신했지만 정적인 물체를 생산합니다[15]. 메타물질은 전례 없는 특성을 제공하지만 전통적으로 제작하기 어렵습니다[22].

이전 연구 현황:

이전 연구들은 4D 프린팅이 자극에 반응하여 시간이 지남에 따라 변하는 구조를 만드는 실행 가능한 방법임을 확립했습니다[48]. 또한 3D 프린팅된 메타물질이 높은 강도 밀도비와 음의 푸아송 비와 같은 인상적인 특성을 나타낼 수 있음을 보여주었습니다[30, 31]. 그러나 AI와 같은 새로운 도구를 통한 다기능성 및 설계 최적화에 특히 초점을 맞춘 포괄적인 진전 상황의 종합이 필요했습니다.

연구의 목적:

주요 목적은 빠르게 성장하는 4D 프린팅 기계적 메타물질 분야에 대한 포괄적인 개요를 제공하는 것입니다. 이 리뷰는 구조적 및 기능적 응용을 설명하고, 에너지 흡수 및 형상 변화와 같은 다기능성을 강조하며, 현재의 진전, 과제 및 미래 전망을 논의하여 공학 및 과학 응용을 위한 새로운 패러다임을 확립하는 것을 목표로 합니다(초록).

핵심 연구:

연구의 핵심은 다음을 체계적으로 다루는 비평적 리뷰입니다:

• 4D 프린팅 및 기계적 메타물질의 기본 원리.
• 사용되는 스마트 소재 및 자극의 종류.
• AI 도구 사용을 포함한 설계 및 구조 최적화 기술.
• 형상 기억 및 에너지 흡수와 같은 핵심 기능적 능력.
• 스마트 액추에이터, 바이오메디컬 장치 및 자가 전개 구조물을 포함한 주요 응용 분야.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 기존 학술 및 과학 문헌에 대한 비평적 리뷰로 설계되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

저자들은 광범위한 출판 논문으로부터 정보를 종합하여 4D 프린팅된 기계적 메타물질 분야의 주요 동향, 기술, 과제 및 미래 방향을 식별했습니다. 리뷰의 구성은 Figure 1에서 시각화된 바와 같이 Scopus 데이터베이스에서 소싱된 키워드에 의해 안내됩니다.

연구 주제 및 범위:

범위는 4D 프린팅된 기계적 메타물질의 전체 생태계를 포괄하며 광범위합니다. 주제에는 기본 기술(AM 방법), 재료(SMP, SMA, 겔), 설계 원리(오리가미, 카이랄, 최적화), 주요 특성(형상 변화, 에너지 흡수), 그리고 주요 응용 분야(액추에이터, 바이오메디컬, 전개형 구조물)가 포함되며, 이는 Figure 3에 요약되어 있습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 4D 프린팅은 적층 제조(AM) 기술과 스마트 소재를 결합하여, 열, 빛, 습기, 자기장과 같은 자극에 반응하여 시간이 지남에 따라 모양과 기능을 바꿀 수 있는 구조물의 제작을 가능하게 합니다[48, 49].
• 기계적 메타물질은 그 특성(예: 음의 푸아송 비, 높은 강성, 음의 압축성)을 기본 재료의 구성뿐만 아니라 설계된 단위 셀 구조로부터 얻습니다[75, 77].
• 오리가미 및 키리가미와 같은 새로운 설계 접근법은 4D 프린팅과 결합하여, 실용적 중요성을 지닌 재구성 가능하고 혁신적인 메타물질을 만듭니다[79].
• 머신러닝(ML)과 AI는 원하는 기능과 특성을 달성하기 위해 메타물질의 복잡한 구조 설계를 최적화하는 데 필수적이 되고 있으며, 광범위한 실험의 필요성을 줄여줍니다[117, 122].
• 이 기술의 주요 응용 분야는 소프트 로보틱스(스마트 액추에이터, Figure 13), 바이오메디컬 공학(전개형 스텐트, Figure 15), 항공우주(자가 전개 구조물, Figure 16)와 같은 분야에서 부상하고 있습니다.
• 이러한 재료들은 뛰어난 에너지 흡수 및 형상 기억 성능을 보여주어, 진동 절연, 충격 보호 및 재구성이 요구되는 응용에 이상적입니다[128, 130].

Figure Name List:

• Figure 1. Summary of keywords associated with metamaterials (These keywords appear in the title or as separate keywords while searching for 3D/4D printing of mechanical metamaterials during this current review planning and organization from the Scopus database)
• Figure 2. Metamaterials innovations: (a) Buckling-regulated origami materials ((i) 316 L stainless steel, (ii) PC Plastic and (iii) hexagonal honeycomb made of 316 L stainless steel) with synergy of deployable and undeployable features (adapted from ref. [33] copyright 2023 2023 Elsevier Ltd.); (b) 3D-printed broadband mechanical metamaterial absorber bestowed with dual-functionality of electromagnetic wave absorption and reinforced relative stiffness (adapted from ref. [34]); (c) Continues shape morphing mode of the curved crease origami metamaterial comprising of n1 stacked unit cells in the in-plane transverse direction, n2 in the in-plane longitudinal direction and n3 in the stacking thickness direction (adapted from ref. [35] copyright 2023 Elsevier Ltd.); (d) Decoupling-enabled porous multifunctional metamaterials sample with microstructural characteristics: the re-entrant unit, resonant plate, strut, and micro-perforation (adapted from ref. [36] under Creative Commons Attribution-Non Commercial 3.0 Licence); (e) Voronoi-based body-centered cubic, Voronoi-based regular octahedral cubic, Voronoi-based body- and face-centered cubic-based metamaterials fabricated via LBF 3D printing process for bone implant applications (adapted from ref. [37] copyright 2024 Elsevier Ltd.); (f) Novel three face-centered cubic (FCC) lattice-based mechanical metamaterials inspired by atoms' packing and bamboo's hollow features developed from SLM of Ti-6Al-4V with high fidelity (adapted from ref. [38]); (g) 3D-printed tessellated origami-based material with a pair of opposite chirality unit cells (adapted from ref. [39]); (h) Novel mechanical metamaterial based on a fishbone-like structure with polar and dual deformation characteristics allowing surface structure to be hard while its opposite side is soft, and adaption of tasks to different load levels on the soft side (adapted from ref. [40] copyright, 2023 Elsevier Ltd.); (i) The geometrical configurations of two types (wall replaced and wall added) of origami-embedded honeycombs structures for improved energy absorption performance (adapted from ref. [41] copyright, 2023 Elsevier Ltd.); (j) Cubically symmetric mechanical metamaterials from 3-space geometrical shadows of 4D geometries (4-polytopes) with various cells (figures are arranged from left to right) such as 5-cell, 8-cell, 16-cell, and 24-cell, and extra structures such as gyroid, and hexagonal honeycomb employed as “comparative experimental controls” (adapted from ref. [42]).
• Figure 3. Overview of 4D-printed metamaterials with special attention towards its multifunctionalities covered in the current review theme
• Figure 4. Demonstration of constrained shape recovery and the relationship among stress (σ), strain (ε) and temperature (T) under thermomechanical test. Loading at high temperature (curve 1-2):, fixing: Curve 3-4: unloading at low temperature (curve 2-3). Fully constrained shape recovery (curve 4-5). Partially constrained shape recovery (curve 4-6) [72].
• Figure 5. Overview of metamaterial design from 1D to 4D [92].
• Figure 6. (a) Demonstration of shape memory cycle of a 4D-printed SMP microlattice through shape programming under heating, deformation and cooling, and its recovery to original shape under heating [102]; (b) Representation of different programmable hygroscopic deformation modes based on an anti-tetrachiral structure with hygroscopic gradient, shearing and bending deformation modes at 20% RH (left side) and 80% RH (right side) [104]; (c) The demonstration of potential applications of PRMMs such as a free-falling test of the PRMM and physical illustration of energy dissipation of PRMMs [108]; (d) 3D stair-stepping mechanical metamaterials (SMM) with multiple pathways to zero stiffness enriched with vibration isolation characteristics: three-level structure of the SMM in the initial state (state I) and the programmed state (state II) which was produced by applying the shape memory effect of SMP or adding extra mass [109]; (e) Demonstration of flat panels morphing into foldable structures (the targeted shape), for making them as novel self-expandable structures [110]; (f) Illustration of the gripper functional configuration by sequence control through the temporary shape and the whole working process of the robotic gripper [111].
• Figure 7. (a) Representation of fabrication at atomistic scale architecting disordered metamaterials ordered topology which is locally equilibrated by its forcefield, and the pores are randomly introduced into the network to mimic the formation of imperfect crystal which is analogous to conventionally ordered metamaterials from melt quenching [118]; (b) Demonstration of different configurations of the metamaterial started from its fully-closed state to the states of full extension in horizontal and vertical directions. Each unit cell contains four triangles (denoted in light blue) and four trapeziums (indicated in pink) [119]; (c) Design strategy of the inclined-strut optimized mechanical metamaterials [120]; (d1) Input classification was based on different cubic symmetric input cells (eight types) coded in various colors from A to H, finally the multi-objective optimization achieved through an auxetic and isotropic lattice structure, using a stiffness map this transition schematic illustrate, A sphere (bottom left) evolves from an arbitrary shape (top right), indicating perfect isotropy and the colors gradually shift from a high Poisson's ratio (red) to auxeticity (blue), (d2) Insets show how structures evolve towards isotropic (perfect sphere shape) and auxetic (blue color) configurations as iterations increase [121].
• Figure 8. (a1) Self-deformable soft metamaterials for bidirectional zero Poisson ratio substrates in stretchable displays and demonstrate large axial stretching of pristine elastomer (PE) (positive Poisson ratio) and ME (zero Poisson ratio) substrates and (a2) illustration of the unit cell deformation patterns of rigid and soft metamaterial frames under bidirectional stretching along the x-y axes (adapted from ref. [124]); (b₁) Demonstration of novel metamaterial unit cell designs such as the inspiration source, the primary unit cells, and finally the optimization process; (b2) The multifunctional performance of metamaterials demonstrating including superior flexibility deformation, zero Poisson's ratio and superelasticity (adapted from ref. [125]).
• Figure 9. (a) The demonstration of the shape memory process representing the reconfiguration process under static response in which static mechanical properties of printed metamaterials reconfiguring from positive stiffness to zero stiffness and from zero stiffness to positive stiffness while printed metamaterial customizability and reconfigurability were evaluated through vibration isolation performance and cushioning under dynamic response [128]; (b1-b2) 4D-printed cellular metamaterials shape memory cycle representing (b1) Time-displacement curve from which three cellular metamaterials were heated at 70°C and compressed 30 mm at the same loading rate in the first 480s after that temperature is uniformly lowered from 70°C to ambient temperature under the cooling stage, (b2) Graph of recovery time-shape recovery rate. The structure's shape recovers from the 480s to the 1080s in (b1), and as the temperature rises from 25°C to 70°C, the cellular metamaterial begins to return to its original shape due to the glass-rubber transition. This stimulates the shape memory effect of the cellular metamaterial [129]; (C1-C2) TMP origami metamaterials during compression demonstrating shape memory behaviour (c1) Thermomechanical cycle graphs, (c2) Simulation and experimental results for shape-memory behaviour [130]; (d) Description of the programmable and reconfigurable performance of the metamaterials, such as the stretching and heating recovery process and the compressing and heating recovery process [131].
• Figure 10. (a) Demonstration of shape morphing of DIW-printed structures with bilayer filament and negative stiffness effect of typical structures under compression with stacked bilayer filaments [132]; (b1-b3) Thermal stimulation process for 3D-printed samples, (b1) 3D-printed flat structure, (b2) structure after thermal stimulation, (b3) Representation of deformation process during heat treatment [133]; (c) Demonstration of shape-transformation of lattice metamaterials while comparing simulation and experiment results [135]; (d) Representation of SME under thermal stimulation (Tg is linked with phase changes), and energy dissipation under multiple cyclic loading as a percentage for PETG-based various structures [136].
• Figure 11. (a1- a3) Representation of shape recovery performance of the metamaterials, (a1) Comparison between simulation and experiment results, (a2) Graph for deformation recovery vs. temperature and (a3) Metamaterials configuration at various temperatures during the shape recovery process [137]; (b1) Demonstration of five programmed states such as compression, tension, bend, fold and torsion, (b2) Illustration of LED devices based on fractal metamaterials (FEM results also shown for comparison) such as rectangular and triangular with shape reconfigurability and conductive in various states [138].
• Figure 12. (a) The as-printed structures that transmit only visible light with limited wavelength range due to upright grids (left) function as a structural colour filter, next is structures deformation at high temperature flattens the nanostructures (right) interpreting it colourless, where it remains in an invisible state after cooling to room temperature and finally a demonstration of 4D printing (shape morphing behvaiour) where heating recovers both colour of nanostructures and the original geometry at submicron level [139]; (b) Demonstration of energy absorbing 4D printed meta-sandwich structures: load cycles and shape recovery [140]; (C1-C2) Comparison of various gyroid and cubic Spinodal structure for various energy levels and subsequent shape recovery performance, (c2) Diamond structure at different energy levels and impact heights [141].
• Figure 13. (a) Demonstration of performance such as rotating, grasping, and releasing units soft actuator under thermal actuation and untethered multimodal soft gripper to unscrew a bottle cap under sequential actuation [145]; (b1) Photos of the origami metamaterial unit's deformation configurations, where 1 and 5 are symmetric stable states, (b2) Representation of binary digit abstraction of main performance in the lily's growing process including bud and bloom over time, information storage and expression instances, such as number 9 and letter Z, and finally illustration of the lily-inspired origami metamaterials changeable over time unit with bistable configurations [146]; (c) Representation shape memory circle for cylindrical microarrays on the samples' surface returned to their original shape for both in-plane and out-plane testing [147].
• Figure 14. Novel models for meta-biomaterials and their implementation in biomedical applications for various four organs in tissue engineering and regenerative medicine, such as auxetic models for articular cartilage, super-elastic models for dermis/skin tissue, self-assembly models for liver, and high-stiff models for cortical bone tissue [152].
• Figure 15. (a1) The bifurcation stent deployment within a artery model, (a2) The deployable stents dimensional scaling [156]; (b1) Representation of shape memory programming process of the cylindrical shell (scale bar is 30 mm); (b2) Demonstration of potential application of LED integrated devices with metamaterials, including the exploded side and circuit diagram, the optical snapshot before and after programming, and the device on the skin (scale bar is 20mm) [158].
• Figure 16. (a) Demonstration of actuation and self-deployable contracting cord metamaterial inspired by push puppets [161]; (b1) Applications of 3D metamaterial as novel smart trapper: the actuators offered perturbation to the metamaterial and made it retract rapidly in an omnidirectional mode after the target object is sensed, (b2) Representation of shape-reconfiguration behavior of the 3D metamaterial including dynamic transformation, automatically achieved retracted state after being deployed in the initial state (process occurs very fast within 350.0 ms) [163]; (c) Representation of deployable, shape-morphing architectures conceptual applications in multipurpose reconfigurable space robots and habitats [164]; (d) Flat thick-panel Miura-origami 3D-printed sheets assembly for achieving self-locking property [165].
• Figure 17. Current challenges regarding printing techniques include 4D multifunctionalities and metamaterials enriched with artificial design for unlocking the true potential of 4D mechanical metamaterials.

7. 결론:

4D 프린팅된 기계적 메타물질은 이제 거의 모든 과학 및 기술 분야와 교차하며, 더 발전되고 지능적인 생산 방식으로 이어질 잠재력을 가지고 있습니다. 결론적으로, 4D 프린팅 메타물질은 기술 혁신의 미래를 형성할 매우 유망하고 미래 지향적인 연구 분야를 대표합니다.

8. 참고문헌:

• [논문 38페이지부터 48페이지에 제공된 175개의 참고문헌 목록. 길이 제약으로 인해 전체 목록은 생략되었으나 원본 문서에서 확인 가능합니다.]

전문가 Q&A: 주요 질문에 대한 답변

Q1: 4D 프린팅에서 "4번째 차원"이란 정확히 무엇인가요?
A1: 네 번째 차원은 시간입니다. 4D 프린팅은 적층 제조(AM)를 사용하여, 열, 빛, 습기와 같은 외부 자극에 노출되었을 때 시간이 지남에 따라 모양, 속성 또는 기능을 변경할 수 있는 스마트 소재로 객체를 만듭니다. 이는 정적인 3D 프린팅 객체를 동적이고 반응적인 객체로 변환시킵니다 [초록, Section 2].

Q2: 이 메타물질들은 어떻게 기본 재료에는 없는 특성을 가질 수 있나요?
A2: 메타물질은 화학적 구성이 아닌 정교하게 설계된 내부 구조를 통해 특별한 특성을 얻습니다. 이들은 "단위 셀"의 기하학적 구조를 기반으로 설계되며, 이를 통해 자연 재료에서는 종종 찾아볼 수 없는 물리적 특성(음향, 기계 등)을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 특정 격자 설계는 옥세틱 재료(음의 푸아송 비) 또는 초고강도 대 중량비를 가진 구조를 만들 수 있습니다 [Section 3, Refs. 75, 76, 77].

Q3: 이러한 새로운 재료를 개발하는 데 머신러닝(ML)이 왜 그렇게 중요한가요?
A3: 메타물질의 설계 공간은 믿을 수 없을 정도로 광대하고 복잡합니다. ML은 특정 기능에 대한 최적의 구조를 찾기 위해 이 공간을 신속하게 탐색함으로써 재료 설계에 새로운 접근법을 제공합니다. 훈련된 ML 모델은 기계적 특성과 형상 변화 거동을 예측할 수 있어, 광범위한 물리적 실험의 필요성을 줄이고 원하는 기능을 가진 새로운 메타물질의 개발을 가속화합니다 [Section 3.3, Ref. 117].

Q4: 이 4D 프린팅 메타물질의 가장 유망한 실제 응용 분야는 무엇인가요?
A4: 본 논문은 세 가지 주요 응용 분야를 강조합니다. 첫째는 그리퍼와 같은 재구성 가능한 기계를 위한 스마트 액추에이터입니다(Figure 13(a)). 둘째는 자가 전개 및 변형이 가능한 혈관 스텐트와 같은 바이오메디컬 장치입니다(Figure 15). 셋째는 안테나, 태양 전지 및 재구성 가능한 우주 로봇과 같은 항공우주 응용을 위한 자가 전개 구조물입니다(Figure 16(c)) [Section 5].

Q5: 이러한 메타물질 설계 원칙을 HPDC로 만든 금속 부품에도 적용할 수 있나요?
A5: 네, 가능합니다. 리뷰의 많은 부분이 폴리머에 초점을 맞추고 있지만, 원칙은 재료에 구애받지 않습니다. 본 논문은 4D 프린팅을 위한 지능형 재료의 한 종류로 형상기억합금(SMA)을 명시적으로 언급합니다[Ref. 48]. 또한, 316L 스테인리스강으로 만든 좌굴 조절 구조(Figure 2(a))와 Ti-6Al-4V로 만든 격자 기반 구조(Figure 2(f)) 등 3D 프린팅된 금속 메타물질의 예를 보여줌으로써 이러한 설계 개념이 고성능 금속에 적용 가능함을 확인시켜 줍니다.

Q6: 이 소재들을 공학 응용 분야에서 매력적으로 만드는 핵심 기능은 무엇인가요?
A6: 주요 매력은 다기능성에 있습니다. 본 논문은 자극에 대한 프로그래밍 가능한 반응, 형상을 바꾸는 능력(형상 변화), 충격 보호를 위한 우수한 에너지 흡수 능력, 그리고 진동 절연을 위한 음의 푸아송 비나 음의 강성과 같은 "음의 특성"을 나타낼 수 있는 잠재력과 같은 핵심 특징들을 강조합니다 [초록, Figure 3].

결론 및 다음 단계

본 연구는 정적인 부품을 넘어 동적인 지능형 시스템으로 나아가는 차세대 첨단 제조를 위한 귀중한 로드맵을 제공합니다. 4D 프린팅과 기계적 메타물질의 융합은 자가 조정 항공우주 부품부터 적응형 바이오메디컬 임플란트에 이르기까지, 전례 없는 기능을 갖춘 부품을 만들기 위한 명확하고 데이터 기반의 길을 제시합니다.

캐스트맨(CASTMAN)은 고객의 가장 어려운 다이캐스팅 문제를 해결하기 위해 최신 산업 연구를 적용하는 데 전념하고 있습니다. 본 논문에서 논의된 구조 최적화 및 재료 지능의 원칙은 현대 공학의 핵심입니다. 경량화, 성능 최적화, 기능 통합이라는 과제가 귀사의 목표와 일치한다면, 캐스트맨의 엔지니어링 팀에 문의하여 귀사의 부품에 첨단 설계 원칙을 구현하는 방법을 논의해 보십시오.

저작권

• 본 자료는 "Muhammad Yasir Khalid 외"의 논문인 "3D printing of active mechanical metamaterials: A critical review"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: 원본 문서에 DOI가 제공되지 않았습니다.

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