[논문 리뷰] Magneto-active composites with locally tailored stiffness produced by laser powder bed fusion

Kilian Schäfer, Matthias Lutzi외 12명|TUbilio (Technical University of Darmstadt)|2023. 05. 04.

Advanced Materials and Mechanics참고 문헌 64인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 특정 영역에서 레이저 파arameter를 조절하여 국소적으로 조절된 강성의 마그네틱 활성 복합재를 단일 공정 레이저 풍선 베드 퓨전(LPBF) 방법으로 제조하는 것을 제안한다. 이 방법은 열가소성 폴리우레탄과 Nd-Fe-B 자성 분말 복합재에서 강성을 2에서 22 MPa로 정밀하게 제어할 수 있으며, 액추에이터 성능을 크게 향상시키고 환자 맞춤형 스텐트 설계를 가능하게 하여 기계적 특성을 맞춤화할 수 있다.

ABSTRACT

Additive manufacturing technologies enable the production of complex and bioinspired shapes using magneto-responsive materials, which find diverse applications in soft robotics. Particularly, the development of composites with controlled gradients in mechanical properties offers new prospects for advancements in magneto-active materials. However, achieving such composites with gradients typically involves complex multi-material printing procedures. In this study, a single-step laser powder bed fusion (LPBF) process is proposed that enables precise local adjustments of the mechanical stiffness within magneto-active composites. By utilizing distinct laser parameters in specific regions of a composite containing thermoplastic polyurethane and atomized magnetic powder derived from hard magnetic Nd-Fe-B, the stiffness of the composite can be modified within the range of 2 to 22 MPa. Various magneto-responsive actuators with locally tailored stiffness are fabricated and their magnetic performance is investigated. The enhanced response exhibited by actuators with locally adjusted mechanical properties in comparison to their homogeneous counterparts with identical geometries is shown. As a demonstration of a biomedical application, a magnetically responsive stent with localized adjustment is presented with the ability to meet specific requirements in terms of geometry and local stiffness based on an individual's anatomy and disease condition. The proposed method presents an approach for creating functionally graded materials using LPBF, not only for magneto-active materials but also for several other structural and functional materials.

연구 동기 및 목표

• 공간적으로 제어된 기계적 강성을 지닌 마그네틱 활성 복합재를 위한 단일 공정 적층 제조 공정을 개발한다.
• 다중재료 프린팅의 복잡성을 해결하기 위해 레이저 파arameter 조절만으로 강성 기울기를 구현한다.
• 균일한 복합재와 비교해 국소적으로 조절된 강성을 지닌 복합재에서 향상된 자기력 작동 성능을 입증한다.
• 해부학적 및 병리학적 조건에 기반해 맞춤형 기하구조와 국소 기계적 특성을 지닌 환자 맞춤형 생체의료 기기, 예를 들어 스텐트를 가능하게 한다.

제안 방법

• 열가소성 폴리우레탄과 분쇄된 Nd-Fe-B 자성 분말의 복합재를 레이저 풍선 베드 퓨전(LPBF) 공정으로 가공하였다.
• 레이저 파arameter(예: 출력, 스캔 속도)를 국소적으로 변경하여 융해 풀의 역학과 응고를 제어함으로써 국소 밀도 및 미세구조의 변화를 유도하였다.
• 결과적으로 재료 밀도와 계면 결합의 변화로 인해 부품의 다양한 영역에서 2에서 22 MPa의 강성 기울기가 발생하였다.
• 유한요소 해석과 기계적 시험을 통해 강성 분포를 검증하고 레이저 가공 파arameter와의 상관관계를 분석하였다.
• 기능성 액추에이터와 자기력 반응성 스텐트를 제작하여 성능 및 생체 적합성 잠재력을 입증하였다.
• 동일한 기하구조를 가진 국소적으로 조절된 강성과 균일한 복합재의 자기력 반응을 측정하고 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 재료 가공과 레이저 파aram터 조절만으로 레이저 풍선 베드 퓨전(LPBF)을 사용해 공간적으로 변화하는 강성을 지닌 마그네틱 활성 복합재를 제조할 수 있는가?
• RQ2 레이저 파aram터의 국소적 변화가 LPBF로 제조된 자성 복합재의 기계적 강성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 국소적으로 조절된 강성이 균일한 복합재와 비교해 소프트 로봇 기기의 자기력 작동 성능을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 이 방법을 통해 해부학적 및 병리학적 조건에 기반해 맞춤형 기계적 특성을 지닌 환자 맞춤형 생체의료 임플란트를 제작할 수 있는가?
• RQ5 이 단일 공정 LPBF 방법을 통해 이러한 복합재에서 강성 제어의 가능 범위와 정밀도는 어느 정도인가?

주요 결과

• LPBF 공정을 통해 복합재 내에서 레이저 파aram터 조절을 통해 정밀한 국소 강성 조절이 가능했으며, 강성 범위는 2에서 22 MPa로 확보되었다.
• 국소적으로 조절된 강성을 지닌 액추에이터는 동일한 기하구조를 가진 균일한 복합재 대비 뚜렷한 향상된 자기력 반응을 보였다.
• 다중재료 프린팅을 사용하지 않고도 단일 재료 시스템에서 공정 파aram터 조절만으로 강성 기울기를 달성하였다.
• 국소 강성 조절이 가능한 기능성 자기력 반응성 스텐트가 제작되었으며, 개인 맞춤 의료 기기 잠재력을 입증하였다.
• 이 방법은 단일 제조 공정으로 기능적 경도가 변화하는 재료를 제작할 수 있으며, 마그네틱 활성 시스템을 초월한 응용 가능성이 있다.
• 레이저 가공에 의해 유도된 미세구조 및 밀도 변화를 효과적으로 활용해 기계적 특성을 정밀하게 조절할 수 있음을 확인하였다.