삼중 주기 최소 곡면(TPMS)은 매끄러운 표면, 복잡하게 연결된 구조, 정밀한 기하학적 제어 덕분에 격자 구조 설계에 매우 효과적인 접근 방식으로 부상했습니다. 그러나 다중 스케일 설계 최적화의 계산 복잡성, 무결점 격자 아키텍처 구현의 제조 한계, 다기능 응용을 위한 공정-구조-특성 관계에 대한 불완전한 이해라는 세 가지 주요 과제로 인해 금속 TPMS 격자 구조의 잠재력은 충분히 탐구되지 못했습니다.
이 연구는 이러한 간극을 해소하기 위해 금속 TPMS 격자 구조의 설계, 제조, 특성 및 응용 분야를 포괄적으로 분석합니다. 먼저, 특정 요구 사항에 맞춰 디지털 TPMS 모델을 생성하는 기하학적 설계 방법을 소개합니다. 이어서, 적층 제조 기술이 구조적 설계 제약을 완화하고 고품질의 정밀한 제조를 가능하게 하는 방식을 강조하며, 이러한 구조를 제작하는 데 사용되는 적층 제조 기술을 요약합니다.
다음으로, 적층 제조된 금속 TPMS 격자 구조의 다양한 특성과 다학제적 응용 분야에 대해 상세히 설명합니다. 이 분야의 최신 발전을 종합하여 기존의 한계를 논의하고 미래 연구 방향에 대한 통찰력을 제공합니다.
본 연구는 금속 TPMS 격자 구조의 다기능적 잠재력을 최대한 활용하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제시하며, 향후 연구 및 개발을 위한 중요한 기반을 마련합니다.
본 연구는 레이저 분말 베드 융합(LPBF) 기술을 활용하여 균열 없는 벌크 초합금 시편을 성공적으로 제작했으며, 주로 {001} <100> 방향의 단결정형 조직을 가집니다. 레이저 변조를 통해 빌드 방향을 따라 고액 계면에서 균일한 온도 구배를 형성했습니다.
용융 흐름 속도를 줄이고 용융 풀의 안정성을 높여 불순 결정립의 형성을 억제했습니다. 또한, 층간 직교 스캐닝 방식을 적용하여 수평면에서의 측면 열 흐름이 [100] 및 [010] 결정 방향과 평행하도록 제어함으로써 고각 결정립계의 발생을 효과적으로 억제했습니다.
이러한 방법을 통해 LPBF로 제작된 IN738 합금 중 현재까지 가장 큰 단결정형 시편을 구현할 수 있었습니다. 이는 초합금 부품의 성능 향상에 기여할 수 있는 중요한 진전입니다.
격자 구조는 뛰어난 강도-무게비, 에너지 흡수 특성, 구조 효율성 덕분에 항공우주, 생체 의학, 기계 설계 분야에서 혁신적인 소재로 주목받고 있습니다. 본 총설은 격자 구조의 분류, 기계적 거동, 최적화 방법론에 초점을 맞춰 최신 연구 동향을 체계적으로 분석합니다.
응력 분포, 변형 능력, 에너지 흡수, 전산 모델링의 과제를 비판적으로 분석하고, 제조 결함이 구조적 무결성에 미치는 영향을 강조합니다. 하이브리드 적층 제조, 계층적 격자 구조, 모델링 및 시뮬레이션, 자기 치유 및 실시간 모니터링이 가능한 스마트 적응형 재료의 최신 발전을 탐구합니다.
인공지능을 활용한 예측 전산 모델 개선, 확장 가능한 제조 기술, 열, 음향, 충격 저항 특성을 통합하는 다기능 격자 시스템의 필요성을 포함한 주요 연구 격차를 식별합니다. 미래 연구 방향은 비용 효율적인 재료 개발, 지속 가능성 고려 사항, 다중 길이 스케일에 걸친 실험적 검증 강화를 강조합니다.
이 연구는 향상된 기계적 성능, 확장성, 산업 적용 가능성을 위한 생체모방 격자 구조 최적화를 목표로 하는 미래 연구를 위한 포괄적인 기반을 제공합니다.
