3D 프린터로 흑연구조 만들기.

흑연, Graphite는 다이아몬드와 같이 탄소(C)로 구성되어 있으나 결정 구조가 달라 특성이 다른 물질입니다. 육각의 판상결정체로서 그 구조를 설명하는데, 구조는 다음과 같습니다.

(출처 : substech 홈페이지)

 

위의 그림에서처럼 탄소원자끼리는 공유결합을 가지며 0.14nm의 결합길이를 가집니다. 또한 육각의 판들 사이사이에서 탄소원자들 사이로 반데르발스 힘이 작용하여 0.34nm의 결합길이를 가지며 결정구조를 이루게 됩니다. 공유결합에 비해 반데르발스 힘은 훨씬 약하기 때문에 육각의 판들은 쉽게 분리될 수 있어 우리가 종이에 흑연을 이용해서 글씨를 쓸 수 있는 것이지요.

 

이에 반해 다이아몬드 구조는 0.154nm의 결합길이를 가지고 한 탄소원자가 주변의 4개 탄소원자와 공유결합으로 4면체 구조(tetrahedron)를 이룹니다. 고로 매우 단단하지요.

 

오늘은 바로 이 흑연 구조를 3D 프린터로 제작해보도록 하겠습니다.

 

 

HyperChem 프로그램을 이용하여 Graphite를 불러옵니다. 인터넷에 PDB 파일로 많이 찾을 수 있습니다. 크기를 어느정도로 뽑을까 고민하다가, 한 판에 육각형 6개 정도 오도록 구조를 변경하기로 했습니다.

 

하지만 이 분자구조는 3D 프린팅에는 적합하지 않은데, 발데르발스 힘은 공유결합이 아니기 때문에 보통은 표시가 되지 않습니다. 이렇게 되면 프로그램상에서는 각각의 육각판들이 분리되어 있는 모습이기 때문에 3D 프린터로 출력할 수 없으므로 수정해주어야 합니다.

 

 

짠! allow arbitrary valence 옵션에 체크를 하여서 실제 원자가 가질 수 있는 공유수보다 훨씬 더 많은 인위적인 결합을 할 수 있도록 수를 씁니다.

 

 

이걸 다른 방법으로 시각화하면 이와 같이 되겠지요.

 

 

이렇게 만든 구조를 확장자 pdb로 저장하고 chimera라는 프로그램으로 불러옵니다. 꼼수를 부려 그린 결합은 점선으로 표시되지요. 실재하지 않는 결합이기 때문입니다. 하지만, 3D 프린터로 출력하려면 필요한 구조이기 때문에 실재화를 하기 위해 pseudobond 기능을 이용하여 실재 결합처럼 만들어 준 뒤 STL 형식으로 저장 후 PreForm 프로그램에 업로드해서 서포트와 배향을 계산해주면..

 

 

이와 같이 됩니다. 출력 스타트~!

 

 

 

!!!!!!!!!!!!!!!

 

 

망함.. 망했어요..

 

 

 

출력되다가 어떤 부분이 출력이 제대로 안되어 그 아래부분까지 전부다 출력이 안되는 참사가 벌어졌습니다.

 

Form 1 3D 프린터로 출력하면서 발생한 첫 실패작이라.. 정신적 타격도 두배, 레진의 아까움도 두배로 다가오더군요. 크흑ㅠ

 

 

제대로 출력되지 않은 광경화성 레진 덩어리들이 레진 탱크에 떨어져 있군요.... 크흑..ㅠ

 

앞으로의 기기 수명 관리와 고품질의 3D 프린팅을 위해서는 위의 실패한 덩어리들을 레진 탱크로부터 제거해야 합니다. Formlabs 홈페이지에 보면 이런 덩어리들을 제거하는 방법에 대해서 설명하고 있습니다. 먼저 레진 탱크는 단순한 플라스틱 덩어리가 아니고..

 

 

위 그림과 같이 실리콘 레이어가 맨 위쪽에 코팅이 되어있기 때문에 무턱대고 날카로운 집게로 덩어리나 찌꺼기들을 제거하다가는 실리콘 레이어가 손상되어 3D 프린팅 품질에 치명적인 영향을 끼칠 수 있습니다.

 

 

그러므로 위 그림과 같이 Form 1과 같이 동봉되어 있던 스크레퍼를 이용하여 최대한 눕혀서 천천히 조심스럽게 긁어내야 합니다.

 

 

 

스크래퍼로 실리콘 레이어 미는 느낌은.. 고무판을 미는 느낌과 비슷합니다. 무리만 하지 않는다면 그렇게 쉽게 손상될 것 같지 않습니다 .

 

 

 

실패한 덩어리들을 모두 제거한 모습입니다. 다행이도 깨끗하게 제거되었습니다.

 

실패를 교훈삼아 모델링을 수정하였습니다 .

 

 

일단 기존의 모델이 너무 큰 것 같아 한판당 탄소 육각형이 3개만 들어가도록 구조를 수정하였습니다.

 

 

 

마찬가지로 chimera로 불러와서 pseudobond를 적용하고..

 

 

 

PreForm 프로그램에 업로드하고 서포트 및 배향을 계산한 후 출력을 시작하면!!!

 

 

 

짠! 이번에는 성공적으로 출력되었군요.

 

 

서포트를 제거하면 다음과 같습니다.

 

 

안타깝게도 약간 뭉개진 부분이 있군요ㅠ

 

 

그 뭉게진 부분을 약간 손봐주면 위 사진과 같이 됩니다 .못찾겠지요?

 

 

  

  

  

 

도색을 하기 위해 마스킹 테이프를 붙입니다. 

 

 

탄소원자만 검정색으로 도색할 것이기 때문에 결합 부분은 모두 마스킹해줍니다.

 

 

 

서페이서를 도포한 후..

 

 

 

검정색 도색 스프레이와 무광 마감제 처리까지 모두 끝내면..

 

 

 

짠!!!

 

 

근접샷입니다.

 

  

Graphite의 적층 모습을 위에서 내려다보면.. 

위와 같은 구조가 되는데요.

 

 

오오.. 잘 표현되고 있습니다. 이번 흑연 구조 3D 프린팅은 성공적이군요.

 

 

 

 

근데.. 이거 왜 출력했냐구요???

 

 

 

 

 

연필꽂이로 쓸려구요ㅎ

 

이제까지 메이드인네버랜드였습니다~!