[논문 리뷰] Zeolite-inspired 3d printed structures with enhanced mechanical properties

Rushikesh S. Ambekar, Eliezer Fernando Oliveira외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 02.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 52인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 베아(zeolite) 원형을 이용한 탄소 나노튜브 네트워크(CNTnets)를 구조적 블루프린트로 사용하여 초경량, 고강도 3D 프린팅 구조물을 설계하는 새로운 접근법을 제안한다. BEA 템플릿에서 유래한 원자 스케일 CNTnets 모델을 확대하여 적층 조립 성형(FDM) 방식으로 3D 프린팅하였으며, 스케일에 관계없이 높은 압축 강도와 파손에 대한 저항성을 보이며 기계적 거동의 스케일 독립성을 입증하였다. 이는 초경량 항공우주 및 자동차 부품 응용 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Specific strength (strength/density) is a crucial factor while designing high load bearing architecture in areas of aerospace and defence. Strength of the material can be enhanced by blending with high strength component or, by compositing with high strength fillers but both the options has limitations such as at certain load, materials fail due to poor filler and matrix interactions. Therefore, researchers are interested in enhancing strength of materials by playing with topology/geometry and therefore nature is best option to mimic for structures whereas, complexity limits nature mimicked structures. In this paper, we have explored Zeolite-inspired structures for load bearing capacity. Zeolite-inspired structure were obtained from molecular dynamics simulation and then fabricated via Fused deposition Modeling. The atomic scale complex topology from simulation is experimentally synthesized using 3D printing. Compressibility of as-fabricated structures was tested in different direction and compared with simulation results. Such complex architecture can be used for ultralight aerospace and automotive parts.

연구 동기 및 목표

• 베아-템플릿 기반 탄소 나노튜브 네트워크(CNTnets)를 활용한 초경량, 고강도 수직 하중 지지 구조물에 대한 토폴로지 기반 설계 전략을 개발하기 위해.
• 원자 스케일에서의 CNTnets 기계적 거동을 수치 모델링과 실험적 검증을 통해 매크로 스케일 3D 프린팅 구조물과 연결하기 위해.
• 3D 프린팅된 CNTnet 구조물의 압축 기계적 거동에 영향을 미치는 다공도 및 층 쌓기 방향의 영향을 조사하기 위해.
• 원자 스케일 시뮬레이션에서 매크로 스케일 3D 프린팅 프로토타입으로의 기계적 성질 전이 가능성을 검증하기 위해.
• 공 ingeneering 응용 분야를 위해 복잡하고 가공 가능한 고성능 다공성 구조를 생성하기 위해 베아 템플릿의 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• BEA 템플릿 기반의 원자 스케일 CNTnet 모델을 주기적 경계 조건과 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 사용하여 생성하였다.
• 수치 모델링 기법을 활용해 원자 스케일 CNTnet 구조물을 매크로 스케일 3D 프린팅 가능한 기하학적 형태로 확대하였다.
• 적층 조립 성형(FDM) 3D 프린팅을 사용하여 다공도가 다른 PLA 기반 매크로 스케일 CNTnet 구조물(저, 중, 고 다공도)을 제작하였다.
• 압축 강도와 파손 메커니즘에 중점을 두고 3D 프린팅된 시료에 대해 실험적 단축 압축 시험을 수행하여 기계적 특성을 평가하였다.
• 원래의 원자 스케일 모델에 대해 전면 원자 스케일 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하여 기계적 거동을 예측하고 실험 결과와 비교하였다.
• 압축 하중에 대한 구조적 반응을 x- 및 z-방향에서 분석하여 나노튜브 굽힘 및 접합부 응력 집중과 같은 파손 메커니즘을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 베아-템플릿 기반 CNTnet 구조물은 FDM을 통해 성공적으로 확대 및 3D 프린팅 가능할 수 있으며, 그 내재된 기계적 성질을 유지할 수 있는가?
• RQ2 3D 프린팅된 CNTnet 구조물의 다공도는 그 압축 강도와 변형 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단축 압축 하중 하에서 3D 프린팅된 CNTnet 구조물의 주요 파손 메커니즘은 무엇이며, 하중 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 원자 스케일 CNTnets의 기계적 거동이 매크로 스케일 3D 프린팅 버전으로 전이될 때, 어느 정도의 스케일 독립성이 확보되는가?
• RQ5 층 쌓기 방향과 구조적 토폴로지가 3D 프린팅된 CNTnet 구조물의 하중 분포 및 구조적 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 3D 프린팅된 CNTnet 구조물은 높은 압축 강도와 구조적 파손에 대한 저항성을 보였으며, 중다공도 시료(구조물 2)에서 가장 높은 강도를 기록하였다.
• 실험적 압축 시험 결과, 중다공도 CNTnet(구조물 2)는 약 1.8 MPa의 압축 강도를 확보하였으며, 저다공도(구조물 1) 및 고다공도(구조물 3) 시료보다 유의미하게 높았다.
• 분자 동역학 시뮬레이션 결과, x-방향(나노튜브에 수직) 압축에서는 나노튜브 굴림과 미끄러짐이 주요 파손 메커니즘이었고, z-방향(나노튜브에 평행) 압축에서는 나노튜브 굽힘이 주요 파손 메커니즘이었다.
• 네트워크 내 접합 수는 기계적 거동에 큰 영향을 미쳤다: 높은 접합 밀도(구조물 2)는 나노튜브 이동성을 제한하여 응력 집중을 유도하고 조기 파손을 초래했으며, 낮은 접합 밀도(구조물 1)는 슬라이딩과 굴림을 통해 에너지를 산산이 흩트려 안정성을 높였다.
• 베타 흑연 기반 CNTnet(구조물 3)는 고강성의 겹쳐진 네트워크를 형성하여 전반적인 구조적 붕괴를 유도했으며, 변형 방식이 제한되어 있었다.
• 원자 스케일 모델의 MD 시뮬레이션 결과와 3D 프린팅 매크로 스케일 시료의 실험 결과 사이에 강한 정성적 일치가 관찰되었으며, 변형 패tern과 파손 메커니즘과 같은 핵심 기계적 거동의 스케일 독립성을 확인하였다.