Thermoplastic polymers are often used for fiber extrusion-based additive manufacturing. Yet, such polymers are not widely used for industrial products due to their inherently low mechanical properties, such as toughness and stiffness. Therefore, various multi-material 3D printers have been developed to resolve this problem, yet weak material adhesion leads to failure at the interface. Here, a multi-material 3D printer with co-axial extrusion capability is developed and its various benefits are explored. First, strong hydrogen-bonded interface of co-axially extruded thermoplastic polymers allows manufacturing of products with superior material properties such as toughness or stiffness. Second, the relationship between multi-material 3D printers’ sequential, Janus, and co-axial extrusion methods and polymer fracture behavior is explored. Lastly, promising applications of the co-axial multi-material extrusion 3D printer, such as a novel soft actuator and meta-material with programmable mechanical resistance are manufactured.
섬유 압출 방식의 적층 제조에는 열가소성 고분자가 흔히 사용된다. 하지만 낮은 강성 혹은 인성과 같은 기계적 물성치로 인해 비교적 우수한 기계적 물성치를 요구하는 산업용 제품에 잘 활용되고 있지 못하다. 이를 해결하기 위해 다양한 다종 소재 3D 프린터들이 개발되었지만 열가소성 고분자 간의 약한 접합력으로 인해 쉽게 계면에서 파괴가 일어난다는 문제가 있다. 본 연구는 동축으로 다종소재를 압출하는 3D 프린터를 개발함으로 가능한 다양한 장점들을 확인한다. 첫째, 열가소성 플라스틱 고분자들을 동축으로 출력함으로 일어나는 수소 결합된 계면을 통해 우수한 인성 혹은 강성과 같은 기계적 물성치를 가진 제품을 제작한다. 둘째, 다종 소재 3D 프린터의 순차적, 야누스, 그리고 동축 출력 방법이 고분자의 파단에 미치는 영향을 확인한다. 마지막으로, 동축 다종소재 압출 방식의 3D 프린터의 활용도로 새로운 소프트 액츄에이터 및 기계적 저항의 조정이 가능한 메타 물질을 제작한다.
