Material extrusion-based 3D-printed structures generally exhibit low mechanical strength and poor resistance to external impact. In this study, a bioinspired Bouligand structure—known for its excellent fracture resistance in nature—was mimicked to enhance the impact strength of 3D-printed specimens. The effect of the staggered angle of the deposition path on dynamic impact behavior was investigated using specimens fabricated with twisting angles of 9°, 18°, 36°, 45°, and 90°. For comparison, injection-molded specimens were also prepared. The impact behavior was analyzed in terms of the maximum load and absorbed energy obtained from drop-weight impact tests. Results showed that smaller staggered angles led to higher maximum impact loads, and the specimen with an 18° angle exhibited the most complex crack propagation pattern and the highest energy absorption. In certain staggered angles, the absorbed energy of the 3D-printed specimens exceeded that of the injection-molded ones. These findings demonstrate that an appropriately designed staggered angle in Bouligand-type bioinspired structures can significantly improve the impact resistance of 3D-printed materials.

재료 압출 방식 3D 프린팅 적층물은 기계적 강도가 낮아 외부 충격에 약하다. 본 연구에서는 충격강도 향상을 위해, 자연계 생물에서 우수한 파괴 저항성을 보이는 Bouligand 구조를 모사하고 적층 경로의 비틀림 각도(staggered angle)에 따른 충격 거동을 관찰하였다. 9°, 18°, 36°, 45°, 90°의 비틀림 각도를 적용한 적층 시편을 제작하였다. 또한 사출성형으로도 시편을 제작하여 적층 시편과의 충격 거동을 비교하였다. 충격 거동은 낙추 충격에 의한 최대 하중과 파단 시까지의 흡수 에너지를 통해 분석하였다. 비틀림 각도가 작을수록 적층 시편에 가해지는 최대 충격 하중이 증가하였으며, 비틀림 각도 18°에서는 관통부 주변의 균열 패턴이 복잡해지며 가장 높은 에너지 흡수를 보였다. 일부 비틀림 각도에서는 사출 시편보다 높은 흡수에너지를 보였다. 본 연구를 통해 생체 구조를 모사한 Bouligand 구조 3D 적층물에서 적절한 비틀림 각도의 설계가 적층 시편의 충격 저항성 향상에 효과적임을 확인하였다.

Keywords: material extrusion-based 3D printing, bioinspired structure, bouligand architecture, staggered angle, dynamic impact behavior.