A study on the hybrid electrospinning system integrated with in-situ laser curing of photocurable polymer = 광경화 폴리머의 레이저 기반 하이브리드 전기방사 시스템에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Electrospinning is a fiber fabrication technique that enables the production of micro- to nanoscale fibers and has been widely utilized in various applications. Although recent studies have explored electrospinning-based three-dimensional additive manufacturing, most efforts have focused on planar structures, resulting in limited demonstrations of complex three-dimensional architectures. In this study, a hybrid additive manufacturing system was proposed by integrating electrospinning with in-situ UV laser curing and a precision motion-stage control strategy. Two photocurable polymers with different stiffness were examined, and key process parameters—including collector speed, laser power, applied voltage, and nozzle inner diameter—were systematically analyzed and optimized with respect to their influence on fabrication quality. Based on the optimized conditions, various three-dimensional structures such as micro-pillars, micro-pillar arrays, inclined pillars, vertical spring structures, and spindle-knot pillars were fabricated. The structural stability, and repeatability of the fabricated geometries were evaluated, confirming that the proposed hybrid system enables the reliable and repeatable fabrication of complex three-dimensional structures using both rigid and flexible materials.

국문 초록 (Abstract)

전기방사는 고전압을 이용하여 다양한 고분자 용액을 미세 섬유 형태로 방사할 수 있는 기술로, 마이크로미터에서 나노미터 크기의 섬유 구조를 형성하는 데 널리 활용되어 왔다. 최근에는 전기방사 기반의 3차원 적층 제조 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 평면 기반 적층에 초점이 맞추어져 있어 복잡한 3차원 구조의 제작 사례는 제한적이었다. 본 연구에서는 전기방사 공정에 실시간 레이저 경화 및 정밀 모션 스테이지 제어를 결합한 하이브리드 실시간 적층제조 시스템을 제안하였다. 강성이 서로 다른 두 종류의 광경화성 폴리머에 대해 콜렉터 속도, 레이저 출력, 인가 전압, 노즐 내경 등 형상 및 치수 품질에 영향을 미치는 주요 공정변수를 체계적으로 분석하고 최적화하였으며, 이를 바탕으로 마이크로필라, 필라 어레이, 기울어진 필라, 스프링, 돌기 구조 등의 다양한 3차원 구조물을 제작하였다. 제작된 구조물의 형상 안정성과 반복 제작 가능성을 관찰하였고, 이를 통해 하이브리드 전기방사 시스템이 유연 재료를 포함한 다양한 광경화성 재료에 대해 다양한 3차원 구조물을 제작할 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter I Introduction 1
• 1.1 Electrospinning for three-dimensional structures 1
• 1.2 Review of hybrid additive manufacturing 2
• 1.3 Objectives 3
• Chapter II Hybrid electrospinning system with in-situ laser curing 4
• 2.1 Experimental setup for the hybrid electrospinning system 4
• 2.2 Hybrid electrospinning process methodology 6
• 2.3 Materials 7
• Chapter III Process optimization of the hybrid electrospinning system 8
• 3.1 Micro-pillar fabrication using the hybrid electrospinning system 8
• 3.2 Process parameter study 10
• 3.2.1 Collector speed 10
• 3.2.2 Laser power 18
• 3.2.3 High voltage 22
• 3.2.4 Nozzle inner diameter 24
• Chapter IV Applications to three-dimensional structures 26
• 4.1 Fabrication of micro-pillar arrays 26
• 4.2 Fabrication of inclined micro-pillar 29
• 4.3 Fabrication of vertical spring 33
• 4.4 Fabrication of spindle-knot micro-pillar 35
• Chapter V Conclusions and discussions 38
• [Reference list] 39