3D 바이오 패브리케이션을 위한 건축 생체 소재 개발 및 출력성능 분석
Design of Living Building materials and Analysis of 3D printing performance for 3D Biofabrication in Architecture
- 주제(키워드) 3D 바이오 프린팅 , 적층 제조 , 건축 로봇 3D 프린팅 , 바이오 재료
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이황
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 건축학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032793
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Additive manufacturing (AM) using regenerated biomaterials is in its infancy despite the urgent need for alternatives to fuel-based products and in spite of the exceptional mechanical properties, availability, and biodegradability associated with water based natural polymers. This study presents water-based robotic fabrication as a design approach and enabling technology for AM using biodegradable hydrogel composites. Our research focuses on the combination of expanding the dimensions of the fabrication envelope, developing structural materials for additive deposition, incorporating material-property gradients, and manufacturing architectural-scale biodegradable systems. This work presents a robotically controlled AM system to produce biodegradable-composite objects combining natural hydrogels, such as Hyaluronic Acid, Gelatin and Cellulose, with other organic aggregates. It demonstrates the approach by designing, building, and evaluating the mechanics and controls of a multichamber extrusion system. Finally, it provides evidence of large-scale composite objects fabricated by our technology that display graded properties and feature sizes ranging from micro - to macroscale. Fabricated objects may be chemically stabilized or dissolved in water and recycled within minutes. Applications include the fabrication of fully recyclable products or temporary architectural components such as tent structures with graded mechanical and optical properties. Proposed applications demonstrate environmental capabilities such as water-storing structures, hydration - induced shape forming, and product disintegration over time. Supporting these ideas, in this study for creating an optimal material mixture, experiments went through with two types. In the first type experiment, a study was conducted to find a material mixture with the lowest biodegradability over time and relatively good mechanical properties through 20 material blending experiments. In the Type 2 experiment, 20 kinds of material mixing experiments were conducted to find a material mixture that could help the growth of plants, without soil. Through the experiment of this study, we figured it out the optimal mixture of type 1 and comfirmed the possibility of bio 3D printing capable of plant growth. Keywords : 3D bioprinting, Additive manufacturing, Architectural robot 3D printing, Biomaterials
more초록/요약
본 논문에서는 3D 바이오 프린팅 기술을 활용하여 큰 규모의 건축 공간을 조성하기 위해 바이오 재료의 생분해성과 기계적 물성을 개선하고자 하였다. 이를 위해 다양한 재료 배합 실험을 통한 최적의 재료 배합을 제안하였으며 식물 생장이 가능한 환경을 조성하기 위한 고찰을 수행하였다. 바이오 3D 프린팅 재료를 선택할 때는, 인쇄성, 기계적 특성 및 생분해성을 고려해야 한다. 바이오 제조의 주요 재료인 천연 하이드로겔 사용에서 가장 큰 어려움은 약한 기계적 특성과 빠른 생분해성이다. 적층 제조의 경우 층별로 증착하는 것이 어렵고 시간이 지남에 따라 외부 환경 섭동으로 인해 기능이 저하될 수 있음을 발견하였다. 천연 하이드로겔을 활용한다는 점에 착안하여 식물 생장이 가능한 공간을 조성해줄 수 있는 것이라는 가능성을 확인하였다. 이런 두 가지 특징을 활용하여 건축 바이오 3D 프린팅의 가능성을 제안하였다. 본 연구에서는 산업용 로봇팔과 3D 프린팅 익스투르더를 활용하여 바이오 3D 프린팅을 진행하였다. 최적의 재료 배합을 만들어내기 위해 Type 1 실험과 Type 2 실험으로 나누어서 수행하였다. Type 1 실험에서는 20가지의 재료 배합 실험을 통해 시간 경과에 따른 생분해성이 가장 적으며 비교적 좋은 기계적 물성을 가지고 있는 재료를 찾는 연구를 진행하였다. Type 2 실험에서는 토양보다 식물 생장에 도움이 될 수 있는 재료 배합을 찾아내기 위한 20가지의 재료 배합 실험을 진행하였다. 본 연구의 실험을 통해 식물 생장이 가능한 바이오 3D 프린팅에 대한 가능성을 확인하였다.
more목차
제1장 서론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구의 목적 및 범위 3
제2장 선행연구 4
2.1 적층 방식(Additive Manufacturing) 4
2.1.1 3D/4D 프린팅(3D/4D printing) 4
2.1.2 건축 3D 프린팅 6
2.1.3 건축 바이오 3D 프린팅 10
2.2 바이오 3D 프린팅 방식(Method) 16
2.3 프린팅 재료 17
2.3.1 출력 적합성 재료 17
2.3.2 바이오 재료 18
2.3.2.1 단백질 기반 천연 바이오 재료 21
2.3.2.2 다당류 기반 천연 바이오 재료 26
2.3.2.3 합성 기반 바이오 재료 32
제 3장 3D 프린팅 실험 방법 37
3.1 프린팅 방식 선정 37
3.2 3D 프린팅 익스투르더 38
3.2.1 실험 1 (Customized Extruder) 38
3.2.2 실험 2 (Clay 3d printing) 41
3.2.3 실험 3 (Biomaterials) 44
3.3 프린팅 과정 및 측정 분석 47
3.3.1 프린팅 과정 47
3.3.2 Pr(Printability), 수축 및 무게 측정 49
3.3.3 전단 박화(Viscosity, Shear-thinning) 50
3.3.4 점탄성 계수(Shear Modulus) 51
3.3.5 SEM, EDS 54
제 4장 바이오 재료 56
4.1 단일 재료 물성 실험 56
4.2 재료 배합 65
4.2.1 Type 1: Bio-Brick 67
4.2.2 Type 2: Self-Growing Material Design 76
4.3 재료 물성 측정 85
4.3.1 수축 측정(Shrinkage Test) – 높이/면적 86
4.3.2 무게 측정(Lightweight Test) 92
4.3.3 Pr(Printability) 95
제5장 결과 및 토의 97
5.1 재료 선정 및 분석 97
5.1.1 점성 측정(Viscosity, Shear-thinning) 98
5.1.2 점탄성 계수 측정(Shear Modulus) 101
5.2 프린팅 결과 104
5.2.1 Type 1 디자인: Bio-Brick 104
5.2.2 Type 2 디자인: Self-Growing Material Design 108
5.3 프린팅 결과 분석 109
5.3.1 SEM, EDS 분석 109
5.3.2 결과 및 토의 114
5.4 디자인 제안 115
제6장 결론 117
참고문헌 118
