Tsinghua의 Black Technology가 Science 표지에 등장: 필름을 둥근 튜브에 부착하여 몇 초 만에 복잡한 3D 구조로 변환

산업 현장에서 부품과 전자 장비의 조립은 복잡한 기계 장비의 정상적인 작동을 위한 핵심 연결 고리입니다. 과거에는 이러한 구성요소가 조립되는 기판은 주로 평면이었고 곡면에 조립된 소수의 부품은 대부분 단순한 구조에 국한되어 수정이 어려웠습니다.

복잡한 3차원 구조 부품의 경우, 곡면 기판에 설치하면서 설치 및 수정이 용이한가요? 최근 칭화대학교 장이후이 교수팀은 이 문제를 해결하기 위한 새로운 조립 전략을 제안하고 그 결과를 사이언스 어드밴스(Science Advance) 최신호에 게재했습니다.

논문 링크: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922

논문에서는 공학적으로 3차원 구조를 갖춘 전자 장치가 마찰에 미치는 영향 힘 감지, 광시야 광학 이미징 및 유속 측정이 필수적입니다. 기계 유도 조립의 최근 발전은 제어된 롤링/폴딩/벤딩 변형을 통해 고성능 재료에 정의된 3차원 구조 경로를 설정합니다. 그러나 생성된 3차원 구조는 대부분 평평한 기판에 형성되며 다른 곡면 기판에 직접 전사할 수 없습니다.

이 연구에서는 2D 필름을 다양한 곡면의 복잡한 3D 구조로 변환할 수 있는 정렬된 조립 전략을 소개합니다. 이 전략은 미리 결정된 기계적 하중을 활용하여 곡선형 엘라스토머 기판을 평면/원통형 구조로 변형한 다음 추가적인 단축/이축 사전 인장에 의해 구동되어 버클 유도 어셈블리를 구동합니다.

기계적 모델링을 통해 미리 정해진 하중을 정확하게 풀어낼 수 있고, 복잡한 3차원 구조를 가진 부품을 곡면 위에 질서정연하게 조립할 수 있습니다. 곡선형 베이스에 조립되었습니다. 여기에는 조정 가능한 쌍극자 안테나, 수도관의 유량 센서, 심장과 등각적으로 통합될 수 있는 통합 전자 시스템 등이 포함됩니다.

위 그림은 곡면에 복잡한 3차원 구조물을 질서있게 조립하는 전략의 개념도입니다.

(A) 인간 얼굴의 3차원 장식 마스크 형성을 사용하여 질서 있는 조립 전략을 설명합니다. 오른쪽의 두 이미지는 은(5m) 및 PET(75m) 이중층의 3차원 구조에 대한 유한 요소 분석 예측 및 광학 이미지에 해당합니다.

(B) 위 그림은 비틀림 및 인장 하중에 의해 편평해질 수 있는 스파이럴 베이스와 스파이럴 베이스의 유한요소해석 결과입니다. 하단 패널은 유한 요소 분석 예측 및 광학 이미징 이미지와 함께 나선형 기판에 3차원 잎 모양 구조의 정렬된 조립 과정을 보여줍니다.

(C) 원통형 튜브의 내부 표면에 3차원 구조를 조립하는 개념도 2차원 전구체와 결합하기 전에 기판을 비스듬하게 절단하고 굽힘 변형을 통해 편평하게 만든 다음 사전 연신합니다. . 하단 패널은 유한 요소 분석 예측 및 광학 이미지와 함께 원통형 튜브 내에서 적층된 3차원 나선형 구조[알루미늄(2.5m)/PET(30m)]의 질서 있는 조립 과정을 보여줍니다.

(D) 뫼비우스 띠 모양의 기판 위에 3차원 구조물을 조립하는 과정과 유한한 수의 개미 유사 구조물[Al(2.5m)/PET(30m)]을 조립한 그림 기질 메타 분석 예측 및 광학 이미지.

위 사진은 평평하게 펼칠 수 있는 곡면에 조립된 복잡한 3차원 구조를 보여줍니다.

(A)는 일축 연신으로 편평해질 수 있는 말굽 모양의 곡선 베이스의 개략도입니다. (B) 말굽형 기판에 3차원 리본 구조를 조립하는 과정을 보여주는 광학 이미지. (C) 다양한 정도의 이축 신축 하에서 반구형 엘라스토머 기판의 생성 매트릭스 프로파일에 대한 유한 요소 분석 및 경험적 결과. R0은 초기 반구의 반경을 나타냅니다. (D) 다양한 정도의 이축 신축 하에서 반구형 매트릭스의 최대 주 변형 프로파일에 대한 유한 요소 분석 예측.

(E)는 유한 요소 분석으로 예측한 대로 반구형 기판에 조립된 다양한 길이의 직선 리본(Lribbon)을 비교한 것입니다. (F) 반구형 기판의 볼록 및 오목 표면에 조립된 다양한 3D 구조의 2D 형상, FEA 예측 및 실험 이미지. G ~ J: 반구형 베이스에 조립된 반타원형 표면의 역설계입니다. (K에서 N) 반구형 베이스의 서로 다른 공간 위치에 조립된 동일한 높이(hi)를 가진 작은 반구의 역설계입니다. (O 및 P) 나선형 미세 구조 네트워크와 브레인노이드 표면에 조립된 작은 3차원 능면체 리본형 미세 구조의 광학 이미지.

위 그림은 원통형/준원통형 표면에 복잡한 3차원 구조를 조립한 모습을 보여줍니다.

(A) 곡선 베이스로 사용되는 대동맥 모델의 개략도와 압축 좌굴을 통해 이 베이스에 나선형 및 이중 나선형 구조를 조립하는 과정.

(B) 원통형 베이스에 길이가 다른 직선형 스트립을 인장 좌굴을 통해 조립하는 공정입니다.

(C) 원통형 기판에 조립된 다양한 3차원 구조의 2차원 기하학, 유한 요소 분석 예측 및 실험 이미지.

(D) 2D 전구체, 유한 요소 분석 예측 및 인장 좌굴로 형성된 키리가미에서 영감을 받은 비늘형 3D 구조의 실험 이미지.

(E) 유한 요소 분석 예측 및 실험 이미지는 아르키메데스 나선형 섬유에서 키리가미에서 영감을 받은 규모 구조 배열의 질서 있는 조립 과정을 보여줍니다.

(F to H) 나선형 섬유의 서로 다른 공간 영역에서 동일한 높이와 간격으로 나선형 구조를 조립하는 역 설계.

저자팀

이 기사의 교신저자는 칭화대학교 항공우주학부 공과대학 종신교수인 Zhang Yihui 박사입니다.

2011년 칭화대학교 항공우주대학 기계공학과에서 박사학위를 취득했습니다. 2011년부터 2015년까지 그는 노스웨스턴대학교 토목환경공학과에서 박사후 연구원 및 연구 조교수를 역임했습니다. 2015년 칭화대학교 기계공학과에 부교수, 상임부교수, 상임교수를 역임했다.

주요 연구 분야는 역학 기반 3차원 미세 구조 조립, 비전통적인 연질 재료, 유연하고 가단성이 있는 전자 장치, 스마트 재료 및 구조 역학입니다. 지금까지 5개의 승인된 중국 발명 특허와 3개의 미국 발명 특허가 공개되었습니다. 그는 1편의 학술 논문과 150편 이상의 SCI 논문을 출판했으며, 그 중 "Science", "Nature", "Nature Materials", "Nature Electronics", "Nature Reviews Materials", "Nature Communications"의 교신저자로 활동하고 있습니다. , "Science Advances", "PNAS", "JMPS", "Advanced Materials", "ACS Nano" 및 기타 저널에서 80편 이상의 수준 높은 학술 논문을 발표했습니다.

공동 제1저자인 Xue Zhaoguo와 Jin Tianqi는 모두 칭화대학교 기계공학과 응용기계 연구실 출신입니다. Xue Zhaoguo는 주로 개념화, 데이터 큐레이션, 공식 분석, 자금 조달, 조사, 방법론, 프로젝트 관리, 리소스, 소프트웨어, 검증, 시각화, 논문 작성, 검토 및 편집을 담당합니다. Jin Tianqi는 주로 개념화, 데이터 관리, 형식 분석, 조사, 방법론, 소프트웨어, 시각화 및 논문 작성을 담당하고 있습니다.

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