Modular additive manufacturing of ceramics via solvent assisted interfacial joining

유리로 된 대성당을 짓는다고 상상해 보십시오. 용융된 재료를 단순히 몰드에 부을 수는 없습니다. 왜냐면 그 형태가 너무 복적으로 되어 있어, 굳기 전에 스스로의 무게를 견디지 못하고 무너질 수 있는 빈 공간과 뒤틀린 아치들을 포함하고 있기 때문입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 3D 프린팅으로 흔히 알려진 적층 제조 기술에 의존해 왔습니다. 물체를 층층이 쌓아 올림으로써, 그들은 과거에는 제작이 불가능했던 복잡한 세라믹 형상을 만들어낼 수 있었습니다. 하지만 이 방식에는 고질적인 한계가 있습니다. 물체의 크기가 기계의 크기에 의해 제한된다는 점입니다. 만약 프린터의 빌드 챔버보다 더 큰 부품을 원한다면, 당신은 막다른 길에 다다르게 됩니다. 단일 부품으로 출력할 수 없으며, 별개의 조각들을 접착제로 붙이는 것은 대개 압력을 받으면 부서지는 약한 이음매를 남깁니다.

하얼빈 공업대학교의 연구팀은 강도를 희생하지 않으면서 이 크기 제한을 우회할 수 있는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 세라믹 부품을 작은 섹션으로 인쇄한 다음, 이를 너무나 매끄럽게 융합하여 최종 결과물이 마치 하나의 조각으로 만들어진 것처럼 작동하게 하는 방법을 개발했습니다. 조각들을 결합하기 위해 접착제나 열을 사용하는 대신, 그들은 단순한 액체 용매를 사용하여 인쇄된 부품의 표면을 일시적으로 부드럽게 만듦으로써 세라믹 입자들이 서로 섞이고 다시 결합되도록 합니다. 그들이 '모듈형 적층 제조(modular additive manufacturing)'라고 부르는 이 접근 방식은 여러 대의 기계로 인쇄하여 하나의 단단한 단위로 조립할 수 있는 크고 복잡한 세라믹 구조물을 만드는 것을 가능하게 합니다.

이 발견의 핵심은 인쇄에 사용되는 특별한 액체 혼합물, 즉 슬러리(slurry)에 있습니다. 보통 세라믹으로 인쇄할 때는 미세한 세라믹 분말을 빛에 노출되었을 때 굳는 액체 레진과 혼합합니다. 연구진은 이 배합법을 수정하여, 길고 유연한 밧줄처럼 행동하는 특정 유형의 폴리머 사슬을 추가했습니다. 빛이 레진을 경화시켜 단단한 층을 형성할 때, 이 폴리머 사슬들은 단단한 그물망으로 교차 결합되지 않고 대신 느슨한 선형 가닥 형태로 남아 있습니다. 이 미묘한 변화가 결정적입니다. 연구진이 나중에 부틸 아세테이트(butyl acetate)와 같은 용매를 인쇄된 세라믹 부품의 표면에 적용하면, 이 느슨한 폴리머 사슬들이 액체를 흡수하여 부풀어 오릅니다. 이들은 엉킴이 풀리며 다시 유동성을 갖게 되어, 세라믹 부품의 단단한 표면을 부드러운 젤 형태의 층으로 변화시킵니다.

이 일시적인 젤 상태가 결합 과정의 핵심입니다. 두 개의 인쇄된 세라믹 조각이 이 젤 상태의 표면을 가진 채로 서로 눌려지면, 한 조각의 폴리머 사슬이 다른 조각으로 확산됩니다. 경계선을 넘어 이동하면서, 이 사슬들은 세라믹 분말 입자들을 함께 운반하여 두 표면을 효과적으로 섞어 놓습니다. 입자들은 더 이상 뚜렷한 선에 의해 분리되지 않고, 폴리머 네트워크 안에서 서로 뒤섞입니다. 용매가 증발하면 폴리머 사슬들은 다시 엉키고 단단해져 세라믹 입자들을 그 자리에 고정합니다. 그 결과, 두 원래 조각 사이의 경계면이 사라지고 연속적이고 통일된 구조체로 대체된 접합부가 만들어집니다.

연구진은 두 종류의 세라믹 모듈을 결합하여 이 방법을 테스트했습니다. 첫 번째 시나리오에서는 갓 인쇄된, 아직 굽지 않은 세라믹 조각, 즉 '그린 바디(green bodies)'를 결합했습니다. 두 번째로는 갓 인쇄된 그린 바디를 이미 소성되어 단단해진 세라믹 조각과 결합했습니다. 첫 번째 유형의 경우, 과정은 놀라울 정도로 빨랐습니다. 표면을 단 15초 동안만 적시는 것만으로도 강력한 결합을 만들어낼 수 있었습니다. 이미 딱딱하고 다공성인 상태인 두 번째 유형의 경우, 조금 더 세심한 주의가 필요했습니다. 연구진은 만약 단단한 조각을 사전 처리하지 않으면 용매가 그 기공 속으로 깊숙이 빨려 들어가 결합을 약화시킨다는 것을 발견했습니다. 단단한 조각의 기공을 녹은 왁스로 밀봉함으로써, 용매가 표면에 머물게 하여 약 30초 안에 효과적으로 결합이 형성되도록 했습니다.

결합된 조각들이 정말로 하나의 단단한 물체인지 증명하기 위해, 팀은 엄격한 테스트를 수행했습니다. 그들은 결합된 세라믹 막대를 부서질 때까지 구부렸습니다. 모든 경우에서, 결합된 섹션은 아무런 결합 없이 한 번에 연속적으로 인쇄된 막대와 동일한 무게를 견뎌냈습니다. 결합된 부분의 강도는 전체의 일부가 아니라, 전체와 같았습니다. 이는 이전의 세라믹 결합 방식들이 대개 재료가 먼저 파괴되는 약점을 남겼던 것과 비교했을 때 매우 중요한 발견이었습니다. 여기서는 경계면이 나머지 재료와 구별할 수 없을 정도였습니다.

연구진은 또한 결합된 영역 내부를 강력한 현미경으로 관찰하여 미시적 수준에서 어떤 일이 일어나고 있는지 확인했습니다. 그들은 세라믹 입자들이 경계면에 조밀하고 균일하게 분포되어 있으며, 틈이나 균열이 없음을 발견했습니다. 폴리머를 제거하고 세라믹 입자들을 융합시키는 최종 가열 공정 후에, 결정 구조가 경계선을 가로질러 성장했습니다. 어떤 경우에는 결정이 한쪽에서 다른 쪽으로 완전히 자라나, 두 조각이 만났던 선을 완전히 지워버리기도 했습니다. 이러한 미시적 연속성이 최종 물체의 강도를 부여하며, 사용 중 발생하는 응력이 약한 이음매에 집중되지 않고 전체 구조에 고르게 분산되도록 보장합니다.

이 방법의 진정한 힘은 무엇을 만들 수 있는지를 볼 때 명확해집니다. 연구진은 세 가지 뚜렷한 응용 사례를 보여주었습니다. 첫째, 그들은 중첩된 구(nested sphere), 즉 큰 속이 빈 껍질 안에 작은 공이 들어있는 구조를 만들었습니다. 전통적인 제조 방식에서는 인쇄 중에 내부의 공를 지탱할 지지대가 필요하며, 외벽이 닫힌 후에는 이를 제거하는 것이 불가능합니다. 하지만 내부와 외부 쉘을 별개의 모듈로 인쇄하여 결합함으로써, 그들은 지지대 없이도 자유롭게 회전하는 내부 구체를 만들어냈습니다. 둘째, 그들은 독특한 물리적 특성을 갖도록 설계된 복잡한 격자 구조인 메타물질을 구축했습니다. 작고 동일한 단위들을 인쇄하여 결합함으로써, 그들은 한꺼번에 인쇄하는 것보다 훨씬 빠르게 대형 구조물을 만들 수 있었으며, 여러 대의 프린터를 병렬로 사용하여 이를 수행할 수 있었습니다. 마지막으로, 그들은 상용 세라믹 플레이트와 그들의 방식으로 인쇄된 복잡한 체인 형태의 중심부를 결합한 인장 구조물을 조립했습니다. 이 하이브리드 접근 방식은 그들이 설계 목적에 맞게 다양한 제조 기술을 혼합하고 조합할 수 있음을 보여주었습니다.

이 연구는 세라믹 제조에 대한 새로운 경로를 제시합니다. 이는 부품이 반드시 단 한 대의 기계에서 한 번에 만들어져야 한다는 관념에서 벗어나는 것입니다. 대신, 제조 과정을 퍼즐을 맞추는 것과 같이 취급하여, 각 조각을 최적의 크기로 인쇄한 다음 하나의 전체로 융합합니다. 이 방법은 용매와 짧은 대기 시간만을 필요로 하여 매우 간단하지만, 기존의 분야를 가로막았던 크기와 처리량의 근본적인 한계를 극복합니다. 결합된 부분이 원래의 재료만큼 강하다는 것을 보장함으로써, 연구진은 모듈형 인쇄가 단순히 임시방편이 아니라 항공우주, 에너지 및 기타 까다로운 산업을 위한 대형 고성능 세라믹 부품을 만들기 위한 실행 가능한 전략임을 입증했습니다. 세라믹 제조의 미래는 더 큰 프린터를 만드는 것이 아니라, 우리가 이미 가지고 있는 조각들을 더 똑똑하게 연결하는 방법을 만드는 데 있을 것입니다.