紡織品的增材制造—3D打印到4D打印的創新研究
時間：2024-11-07 08:53 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
來 源：《絲綢》2024年 第61卷10期
作 者: 李 帥
作者簡介: 李帥(1989—),女,博士研究生,講師,主要從事智能服裝與3D打印、民族服飾文化的研究。
紡織品涉及日常生活的方方面面,從日常服裝到家用紡織品,從醫療衛生用品的防護服到載人飛船中的艙內航天服。紡織品從滿足人類的基本需求起步,并且不斷發展,紡織產業持續發展的重要驅動之一就是對提升紡織品功能的不懈追求。無論是普通紡織品或是智能紡織品,都是具有獨特的物理、化學和力學性能的組合,兼具許多共同的屬性,如柔韌性、透氣性、吸濕性和耐磨性等。因此,開發新的紡織品制造方法所面臨的主要挑戰是如何確保制造出的紡織品具備基本的“紡織品”特性。增材制造作為一種先進的制造手段,與紡織品的融合最早可以追溯到20世紀末期,起初處于試驗階段,主要用于原型制作。近年來,紡織品增材制造開始應用于時尚領域的小批量制造,如高端運動鞋、定制化服裝等。隨著新技術和新材料的發展,紡織品增材制造的應用領域正在不斷擴大,涉及生物醫學、軟機器人、航空航天、軍事等眾多領域。
紡織品的增材制造是指使用增材制造技術與材料來制造紡織品結構或者與紡織品結合制造新產品[1]。與傳統的等材制造和減材制造不同,增材制造是通過計算機創建三維數字模型,再對數字模型進行分層切片處理,然后打印設備逐層將粉末、長絲或液體等各種形態的材料堆疊形成三維實物[2]。在紡織領域使用增材制造技術具有諸多優勢,相較于傳統紡織品制造中多臺機器、多道工序的繁復流程,增材制造可以實現紡織品的一次性成形,從而大幅提高生產效率和資源利用率。它還可以根據用戶的需求進行定制化生產,為用戶提供更符合個人需求的紡織品。另外,增材制造使用的材料類型豐富多彩,設計人員可以根據所需的產品,選擇合適的打印設備和打印材料快速制作出各種復雜結構的紡織品,從而為紡織品的創新設計提供更多的可能性。增材制造技術早期多用于制造普通紡織品,通常以模仿傳統紡織品結構或形態為主。隨著打印技術和智能材料的研發與應用,增材制造也逐步向智能紡織品領域拓展。紡織品增材制造作為一個重要的研究領域,它推動著傳統紡織品行業向高端化、智能化方向發展,同時提高了行業的競爭能力和創新能力。本文簡要概述了3D打印到4D打印的演進,并對紡織品增材制造的技術類型與材料、工藝流程進行了歸納與總結,進一步探討了紡織品增材制造的設計與制作思路,旨在為紡織品的高效制造與多元創新提供參考。
1 3D打印到4D打印的演進
增材制造主要以3D打印技術的應用為主,所以現在普遍將增材制造叫作3D打印,實際上3D打印只是增材制造眾多技術中的一種類型。3D打印技術早在19世紀末期就已經產生了思想的萌芽,直到20世紀80年代各類主流技術才逐步出現。1986年,Chuck Hull發明了光固化立體成形(Stereo Lithography Appearance,SLA)技術,這是一種利用激光凝固液態光聚合物逐層創建三維物體的技術,它的出現為增材制造奠定了技術基礎[3]。1992年,Carl Deckard開發了選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering,SLS)技術,該技術采用激光將粉末材料熔合在一起,從而制造出三維物體[4]。SLS技術拓寬了增材制造的應用范疇,使其涵蓋了更廣泛的材料。1993年,Scott Crump發明了熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling,FDM)技術,這是一種通過逐層擠出熱塑性材料來制造三維物體的技術[5]。1995年,Z Corporation推出了第一臺商用3D打印機ZPrinter[6-7],它將3D打印帶入了商業領域。2000年以后,3D打印技術開始在制造業中蓬勃發展[8]。最初的應用僅限于工業領域的快速原型制作[9]。隨著打印技術與打印材料的快速發展,3D打印已經擴散到幾乎所有的制造業[10]。
2010年以來,3D打印技術與紡織業的結合開始受到廣泛關注。3D打印紡織品的應用主要分為兩大類。第一類是紡織品制備成形一體化,研究人員在計算機軟件上設計紡織品結構,然后選擇常規聚合物材料,并設置打印過程中的相關工藝參數,以實現紡織品制件從設計到實體的制備成形一體化。如Beecroft[11]使用SLS技術打印錦綸粉末(Nylon PA12)制造了紗線彎曲成圈相互串套的針織織物。它表現出與傳統針織織物一樣的柔韌性和延展性,同時也兼具了錦綸材料的力學性能,這類通過增材制造制備的普通紡織品是形狀、性能均穩定的結構制件。第二類是紡織品材料與結構一體化。傳統的制造方式通常需要將不同的材料和部件組合在一起形成最終的產品,而增材制造技術可以直接將材料打印成所需的形狀,從而實現材料與結構的一體化。如美國亞利桑那大學電子及計算機工程學系辛皓教授曾利用3D打印技術制作隱形斗篷。隱形斗篷通過做出類似超材料微觀組織結構的變化,使光投射到它表面不反射、不折射、不透射,導致人類視覺無法看到它,以達到隱形的效果。增材制造制備的這類紡織品叫做功能制件,它的形狀、性能和功能永遠是穩定的。
4D打印概念最早由Tibbits提出[12],與3D打印技術密切相關。3D打印和4D打印可以看作是在增材制造領域中的不同階段或進化,如圖1所示。3D打印是在三維空間中創建靜態的物體,而4D打印則在三維空間的基礎上增加了時間維度,并使用具有響應性的材料或結構,使制件能夠在特定條件下發生形狀變化或執行特定功能。這種形狀變化可以通過溫度、壓力、電流、光照、濕度等外部刺激或內部預設的機制來觸發。4D打印的目標是制造更智能、自適應和多功能的物體。因此,通過4D打印出來的物體屬于智能制件,它的形狀、性能和功能會隨著時間的變化發生可控變化。同樣是在紡織品領域得到應用的先進制造技術,3D打印紡織品與4D打印紡織品不同,3D打印是先對紡織品結構與形態進行數字化建模,而后選擇合適的打印技術和材料進行實體打印。但是4D打印是把紡織品設計與智能材料相結合,所打印的微結構可以在特定時間和激活條件下根據預先設計的軌跡進行大小、形狀或功能的變化[13]。這種動態變化的成功開發主要取決于增材制造技術、智能材料、刺激因素、相互作用機制和數學建模[14]。其中智能材料及其對特定外部刺激的穩健響應是推進4D打印技術的關鍵參數。選擇合適的4D打印材料基于3個原則,包括可打印性、對刺激因素的快速反應和特定領域的共同要求,如生物醫學應用的生物相容性[15-17]。因此,目前可用于4D打印紡織品的材料包括形狀記憶聚合物、形狀記憶合金、液晶彈性體和水凝膠等[18-20]。4D打印結構的刺激驅動變形主要分為外部刺激和內部刺兩種。外部刺激包括濕度、溫度、光、電場和磁場,而內部刺激主要是細胞牽引力[21]。盡管4D打印技術還處于發展初期,但它已經在紡織品領域展現出巨大的應用潛力。
2 紡織品增材制造的技術類型及材料
不同的增材制造技術會使用不同的打印材料和凝結方式,但基本的成形原理都是相同的。3D打印紡織品通常需要使用柔性材料,以及能實現高精度和高分辨率打印的設備,以打印出具有紡織品基本特征的制件。因此,紡織品基本特征對3D打印的技術類型提出了具體的要求,如打印質量、打印速度、材料選擇、后期處理等。4D打印技術主要采用3D打印設備,但并不是每一種3D打印技術都適用于4D打印紡織品。這是因為技術類型對于打印材料的功能特性和打印結構所需的驅動性質至關重要。因此,目前較多用于3D打印和4D打印紡織品的增材制造成形方式主要有材料擠出成形、光固化成形、噴射式成形、粉末床熔融成形。
材料擠出成形是一種將材料通過加熱噴嘴擠出,并按照預設的路徑逐層堆疊來創建物體的增材制造過程。由于適用材料體系多,材料擠出的實現方式多,所以材料擠出成形技術類型多種多樣,而FDM是此類技術的典型代表,常用于紡織品增材制造,如圖2(a)所示。FDM整體系統構造原理簡單,打印過程易于操作,并且通過采用水溶性材料打印支撐結構的方法,使得后處理工序簡化。由于FDM采用熱熔擠壓頭而不是激光器這類的貴重金屬元件,因此設備造價與維護費用也較低。然而,這種打印技術也有缺點,如成形表面粗糙、打印垂直角度的強度較差等。FDM設備的基本原理決定了該技術打印絲狀材料,常用于日常紡織品制造的材料類型以熱塑性聚合物為主,包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、聚乳酸(Polylactic Acid,PLA)、熱塑性聚氨酯彈性體(Thermoplastic Polyurethane,TPU)和聚酰胺(Polyamide,PA)等。熱塑性聚合物材料除了可以直接用于FDM打印紡織品外,還可以將金屬顆粒、碳納米管、石墨烯、羊毛、麻纖維等納米材料或天然纖維材料添加到聚合物材料中,形成具有優異性能的高性能復合材料,用以制造具有特殊屬性的紡織品。直接墨水書寫(Direct Ink Writing,DIW)為FDM打印技術的代替品,打印原理與FDM工藝類似。它通過計算機控制機器來移動裝滿打印墨水的分配器,逐層構建微結構,如圖2(b)所示。但DIW與FDM也有不同,不同之處在于墨水離開噴嘴時通過墨水的流變特性而不是干燥或固化來構建物體的形狀和結構。DIW可以兼容多種類型的聚合物材料,如打印熱敏聚合物、光敏聚合物和生物相容性聚合物等功能性聚合物材料可用于制造智能紡織品[22]。熱敏聚合物和光敏聚合物分別具有溫度響應性和光響應性,在特定條件下可以發生形變或其他反應。而生物相容性聚合物是一類在與生物系統(如人體組織和細胞)接觸時不會引起不良反應(如毒性、炎癥或免疫排斥反應)的聚合物材料[23],如聚乳酸-乙醇酸共聚物(Polylactic-co-Glycolic Acid,PLGA)是由乳酸和乙醇酸共聚而成的可降解聚合物,可用于手術縫合線、藥物釋放系統和組織工程支架[24-25]。
光固化成形基于光敏材料的光聚合原理,通過逐層光照固化的方式來構建實體。光固化成形的基本原理是使用能量光源,利用光敏材料受光照硬化的特點,使其能夠快速固化成形。常應用于紡織品制造的光固化技術類型有SLA和數字光處理技術(Digital Light Processing,DLP)。SLA是應用最為廣泛,也是最成熟的一種增材制造技術。它利用激光或紫外光按預先設定的切層信息選擇性地固化液態材料,從而形成制件的一個固體薄面,然后工作臺下降一個層厚,液槽內重新涂覆一層材料,再次進行固化,如此循環往復,直至整個制件打印完成,如圖2(c)所示。SLA技術打印速度較快,可以實現非常高的精度,適用于制造復雜的形狀和細小的結構,而且使用SLA技術打印出來的制件表面質量高。但SLA設備和材料的成本較高,在打印完成后,制件還需要進行后處理,以去除制件表面未固化的材料及提高制件的強度和耐久性。SLA制備紡織品選用的材料以光敏性液體材料為主,在打印前應充分考慮打印材料的適用性。如光敏樹脂作為SLA打印紡織品的常用材料,具有高精度、快速固化、適合復雜結構和精細部件制造等優點,但同時也有材料成本較高、耐久性相對較弱、對存儲環境要求嚴格等缺點,這些材料特性直接影響著紡織品的精度、質量和力學性能。除此之外,SLA還可以打印具有高韌性和復雜結構的水凝膠,已有相關研究證明高性能的水凝膠在柔性可穿戴傳感器中具有巨大的應用潛力[26]。DLP和SLA都是基于光固化原理的增材制造技術,它們的區別在于光源的不同。SLA使用激光作為光源,通過掃描光束來逐點固化樹脂,而DLP使用高分辨率的數字光處理器投影儀來逐層固化,每一層都是使用選擇性遮罩的光源一次性曝光,如圖2(d)所示。DLP可以打印聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、丙烯酸叔丁酯(TBA)和二丙烯酸乙二醇酯(DEGDA)、聚己內酯(PCL)/脲基嘧啶酮(UPy)等材料制備具有良好的形狀記憶和自愈合性能的智能紡織品[27-29]。需要注意的是,在DLP打印智能紡織品的過程中,紫外光照射時吸收的紫外光能量與光固化材料固化厚度之間的關系是非常重要的參數。
噴射式成形按照材料的物理形態不同可分為粉末噴射和液體噴射兩種,它們的區別主要在于噴射材料和噴射原理。紡織品領域應用的噴射式成形技術類型包括黏結劑噴射(Binder Jetting,BJ)和聚合物噴射(PolyJet)。BJ是一種將黏合劑選擇性噴射到粉末床上,將材料黏合在一起形成立體物體的過程,如圖2(e)所示。它利用熱熔膠、水性膠、UV固化膠等黏結劑,黏結包括鋁合金、鈦合金、碳化硅、聚酰胺、聚乙烯醇、聚碳酸酯等粉末材料以制造三維制件。對于不與粉末材料發生反應的黏結劑,可以通過加入具有黏結作用的物質來實現黏結效果,如聚乙烯醇縮丁醛樹脂、聚氯乙烯、聚碳硅烷、聚乙烯吡咯烷酮及其他一些高分子樹脂等[30]。
在打印過程中,BJ不需要額外打印支撐結構,可以通過未黏結的粉末材料來支撐懸空結構,減少了支撐材料去除對結構復雜度的限制,這意味著BJ為制件的結構設計提供了更大的自由度。當打印完成后,需要一些后續處理措施來達到加強制件成形強度及延長保存時間的目的,主要包括靜置、強制固化、去粉、包覆等[30]。BJ適用于大尺寸和大規模的生產,可以高效生產大批量的紡織品,有效提高了制造效率。但相較于其他增材制造技術而言,BJ在打印材料類型和制件成形的初始密度等方面存在一定的局限性。PolyJet和BJ是兩種不同的增材制造技術,PolyJet打印系統主要由紫外線光源、打印部件、材料容器和構建平臺等組成。打印過程需先將液態材料加熱到最佳的擠出與成形黏度,而后噴頭將液態材料的微小液滴以一定的響應率和速度噴射到指定位置,然后紫外光固化沉積液態材料以形成三維實體,如圖2(f)所示。PolyJet技術能夠混合多種材料,創建具有漸變性質或復合性能的打印制件。如可以混合柔性和剛性材料,制造具有特定觸感和力學性能的紡織品。PolyJet還可以在同一打印過程中實現顏色和材料的多樣化,制造具有復雜顏色和紋理的紡織品。雖然PolyJet打印紡織品在高精度、多材料和多色彩打印方面具有優勢,但材料成本較高、打印尺寸有限和需要后處理等是需要考慮的限制因素。
粉末床熔融成形的典型技術是SLS。它是一種利用激光與粉體交互作用并逐層堆積成形的增材制造技術。SLS成形原理是首先在打印平臺上鋪設一層薄薄的粉末材料,然后通過激光束的照射,將粉末材料局部加熱至熔點以上,使其熔化并與下方的固體層黏結在一起。接著打印平臺下降一層,再次鋪設一層粉末材料,并重復上述加熱和黏結的過程。通過逐層疊加和熔化粉末材料,最終形成所需的物體,如圖2(g)所示。SLS打印紡織品的過程主要分為預熱、成形和冷卻3個階段[31]。在打印開始之前,需對成形腔內的粉末材料進行預熱,然后將預熱溫度下的粉末進行循環鋪設與激光掃描的周期性過程,打印結束后,必須在粉末床完全冷卻后才能將制件取出。SLS技術可打印高分子、金屬、復合材料等多種粉末材料,成形速度快[32]。其中尼龍及其復合材料是最常用的SLS打印紡織品的材料。它具有良好的強度、耐磨性和柔韌性,適合制作服裝、鞋類和其他紡織產品。此外,SLS還可以打印TPU和熱塑性彈性體等彈性材料,這些材料具有良好的柔韌性和耐磨性,打印出來的紡織品舒適性和柔軟性較好。另外,SLS打印紡織品不需要額外的支撐結構、支持打印復雜的形狀、能實現相對較高的精度和分辨率、而且幾乎沒有廢料產生,有助于減少材料浪費。盡管SLS打印紡織品的優勢非常明顯,但仍存在一定的局限,如SLS打印的紡織品表面比較粗糙,需要后期精加工來提高表面質量。適合SLS打印的彈性材料種類也相對有限,限制了紡織品的多樣性和功能性。而且SLS打印設備和材料的成本較高,增加了紡織品制造的總成本。對比某些其他增材制造技術,SLS的打印速度可能相對較慢,尤其是對于大型和復雜的制件。在選擇使用SLS打印紡織品時,應綜合考慮這些優勢和劣勢,權衡其適用性和成本,具體取決于特定應用的需求和制造目標。
3 紡織品增材制造的工藝流程
增材制造的基本原則和主要特點,包括逐層制造、數字化設計、材料多樣性、減少浪費、定制和個性化、快速原型設計、后處理要求、設備和工藝優化[33]。增材制造是自下而上逐層制造物體,這與傳統紡織品制造有著本質區別。這種方法可以制造出復雜的形狀和特殊的結構,而這種復雜性和特殊性可能是傳統的制造方法無法實現的,或者制造成本非常高昂。增材制造以數字3D模型為起點,通常是在計算機輔助設計(Computer-Aided Design,CAD)軟件中創建,然后將其切成薄層進行打印。數字化設計允許對模型進行快速修改并直接輸入3D打印機,從而簡化了從設計到生產的流程。由于增材制造是添加材料而不是去除,因此與傳統制造工藝相比,浪費明顯減少。這不僅能降低材料成本,還能最大限度地減少對環境的影響,符合可持續發展的生產方式。除此之外,許多增材制造的物體都需要后處理步驟,如去除支撐物、表面精加工和熱處理,以達到所需的力學性能或美觀效果。掌握增材制造的基本原則和主要特點對于利用該技術進行紡織品制造至關重要。
增材制造與紡織品的融合不僅改變了制造方式,還重塑了產品從設計、生產到消亡的整個生命周期。基于增材制造的基本原則和主要特點,紡織品增材制造的流程可分為7個關鍵步驟,包括創建CAD模型、處理模型、打印前準備、打印模型、取出打印制件、后期處理、應用[34],如圖3所示。在進行紡織品設計之前首先需要明確設計目標,然后以設計目標為依據,使用CAD軟件創建紡織品三維數字模型,并將構建好的數字模型轉換為適用于增材制造打印機的STL文件格式,并進行必要的調整和設置。這些參數設備包括弦高(影響表面平滑度)、偏差(影響精度)、角度公差(影響平滑度)、多邊形數量(影響細節)、網格質量(影響整體網格完整性)、文件大小(影響傳輸和處理速度)和切片設置(打印機專用指令)[33]。生成STL文件的參數通常手動配置,在某些先進的增材制造系統中,這些參數還可以根據材料和目標自動優化。完成了數字模型可打印處理后,將STL文件添加到打印設備中,根據設計目標選擇合適的打印設備與材料,開始紡織品的成形加工過程。為了使打印制件滿足預期目標,有些參數需要在打印過程中對打印機進行設置,如在PET織物表面沉積TPU材料時,為了增強兩種材料之間的黏附性,需要分別設置首層的打印參數及其余層的打印參數,相關參數設置包括打印速度(首層10 mm/s、其余層30 mm/s)、擠出溫度(首層235 ℃、其余層215 ℃)、填充密度(首層100%、其余層50%)、擠出倍率(首層100%、其余層90%)[35]。部分打印技術需要利用支撐來支持打印物體中的空隙結構或懸空結構,打印完成后,這類支撐材料需要被移除[36],如不需要拆除多余支撐,則直接將模型從打印平臺上取下即可。通常情況下,增材制造的制件打印完成后,需要進一步地精加工,如清潔、染色、涂裝等,以實現紡織品所需的最終效果。
作 者: 李 帥
作者簡介: 李帥(1989—),女,博士研究生,講師,主要從事智能服裝與3D打印、民族服飾文化的研究。
紡織品涉及日常生活的方方面面,從日常服裝到家用紡織品,從醫療衛生用品的防護服到載人飛船中的艙內航天服。紡織品從滿足人類的基本需求起步,并且不斷發展,紡織產業持續發展的重要驅動之一就是對提升紡織品功能的不懈追求。無論是普通紡織品或是智能紡織品,都是具有獨特的物理、化學和力學性能的組合,兼具許多共同的屬性,如柔韌性、透氣性、吸濕性和耐磨性等。因此,開發新的紡織品制造方法所面臨的主要挑戰是如何確保制造出的紡織品具備基本的“紡織品”特性。增材制造作為一種先進的制造手段,與紡織品的融合最早可以追溯到20世紀末期,起初處于試驗階段,主要用于原型制作。近年來,紡織品增材制造開始應用于時尚領域的小批量制造,如高端運動鞋、定制化服裝等。隨著新技術和新材料的發展,紡織品增材制造的應用領域正在不斷擴大,涉及生物醫學、軟機器人、航空航天、軍事等眾多領域。
紡織品的增材制造是指使用增材制造技術與材料來制造紡織品結構或者與紡織品結合制造新產品[1]。與傳統的等材制造和減材制造不同,增材制造是通過計算機創建三維數字模型,再對數字模型進行分層切片處理,然后打印設備逐層將粉末、長絲或液體等各種形態的材料堆疊形成三維實物[2]。在紡織領域使用增材制造技術具有諸多優勢,相較于傳統紡織品制造中多臺機器、多道工序的繁復流程,增材制造可以實現紡織品的一次性成形,從而大幅提高生產效率和資源利用率。它還可以根據用戶的需求進行定制化生產,為用戶提供更符合個人需求的紡織品。另外,增材制造使用的材料類型豐富多彩,設計人員可以根據所需的產品,選擇合適的打印設備和打印材料快速制作出各種復雜結構的紡織品,從而為紡織品的創新設計提供更多的可能性。增材制造技術早期多用于制造普通紡織品,通常以模仿傳統紡織品結構或形態為主。隨著打印技術和智能材料的研發與應用,增材制造也逐步向智能紡織品領域拓展。紡織品增材制造作為一個重要的研究領域,它推動著傳統紡織品行業向高端化、智能化方向發展,同時提高了行業的競爭能力和創新能力。本文簡要概述了3D打印到4D打印的演進,并對紡織品增材制造的技術類型與材料、工藝流程進行了歸納與總結,進一步探討了紡織品增材制造的設計與制作思路,旨在為紡織品的高效制造與多元創新提供參考。
1 3D打印到4D打印的演進
增材制造主要以3D打印技術的應用為主,所以現在普遍將增材制造叫作3D打印,實際上3D打印只是增材制造眾多技術中的一種類型。3D打印技術早在19世紀末期就已經產生了思想的萌芽,直到20世紀80年代各類主流技術才逐步出現。1986年,Chuck Hull發明了光固化立體成形(Stereo Lithography Appearance,SLA)技術,這是一種利用激光凝固液態光聚合物逐層創建三維物體的技術,它的出現為增材制造奠定了技術基礎[3]。1992年,Carl Deckard開發了選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering,SLS)技術,該技術采用激光將粉末材料熔合在一起,從而制造出三維物體[4]。SLS技術拓寬了增材制造的應用范疇,使其涵蓋了更廣泛的材料。1993年,Scott Crump發明了熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling,FDM)技術,這是一種通過逐層擠出熱塑性材料來制造三維物體的技術[5]。1995年,Z Corporation推出了第一臺商用3D打印機ZPrinter[6-7],它將3D打印帶入了商業領域。2000年以后,3D打印技術開始在制造業中蓬勃發展[8]。最初的應用僅限于工業領域的快速原型制作[9]。隨著打印技術與打印材料的快速發展,3D打印已經擴散到幾乎所有的制造業[10]。
2010年以來,3D打印技術與紡織業的結合開始受到廣泛關注。3D打印紡織品的應用主要分為兩大類。第一類是紡織品制備成形一體化,研究人員在計算機軟件上設計紡織品結構,然后選擇常規聚合物材料,并設置打印過程中的相關工藝參數,以實現紡織品制件從設計到實體的制備成形一體化。如Beecroft[11]使用SLS技術打印錦綸粉末(Nylon PA12)制造了紗線彎曲成圈相互串套的針織織物。它表現出與傳統針織織物一樣的柔韌性和延展性,同時也兼具了錦綸材料的力學性能,這類通過增材制造制備的普通紡織品是形狀、性能均穩定的結構制件。第二類是紡織品材料與結構一體化。傳統的制造方式通常需要將不同的材料和部件組合在一起形成最終的產品,而增材制造技術可以直接將材料打印成所需的形狀,從而實現材料與結構的一體化。如美國亞利桑那大學電子及計算機工程學系辛皓教授曾利用3D打印技術制作隱形斗篷。隱形斗篷通過做出類似超材料微觀組織結構的變化,使光投射到它表面不反射、不折射、不透射,導致人類視覺無法看到它,以達到隱形的效果。增材制造制備的這類紡織品叫做功能制件,它的形狀、性能和功能永遠是穩定的。
4D打印概念最早由Tibbits提出[12],與3D打印技術密切相關。3D打印和4D打印可以看作是在增材制造領域中的不同階段或進化,如圖1所示。3D打印是在三維空間中創建靜態的物體,而4D打印則在三維空間的基礎上增加了時間維度,并使用具有響應性的材料或結構,使制件能夠在特定條件下發生形狀變化或執行特定功能。這種形狀變化可以通過溫度、壓力、電流、光照、濕度等外部刺激或內部預設的機制來觸發。4D打印的目標是制造更智能、自適應和多功能的物體。因此,通過4D打印出來的物體屬于智能制件,它的形狀、性能和功能會隨著時間的變化發生可控變化。同樣是在紡織品領域得到應用的先進制造技術,3D打印紡織品與4D打印紡織品不同,3D打印是先對紡織品結構與形態進行數字化建模,而后選擇合適的打印技術和材料進行實體打印。但是4D打印是把紡織品設計與智能材料相結合,所打印的微結構可以在特定時間和激活條件下根據預先設計的軌跡進行大小、形狀或功能的變化[13]。這種動態變化的成功開發主要取決于增材制造技術、智能材料、刺激因素、相互作用機制和數學建模[14]。其中智能材料及其對特定外部刺激的穩健響應是推進4D打印技術的關鍵參數。選擇合適的4D打印材料基于3個原則,包括可打印性、對刺激因素的快速反應和特定領域的共同要求,如生物醫學應用的生物相容性[15-17]。因此,目前可用于4D打印紡織品的材料包括形狀記憶聚合物、形狀記憶合金、液晶彈性體和水凝膠等[18-20]。4D打印結構的刺激驅動變形主要分為外部刺激和內部刺兩種。外部刺激包括濕度、溫度、光、電場和磁場,而內部刺激主要是細胞牽引力[21]。盡管4D打印技術還處于發展初期,但它已經在紡織品領域展現出巨大的應用潛力。
圖1 3D打印到4D打印的演進
2 紡織品增材制造的技術類型及材料
不同的增材制造技術會使用不同的打印材料和凝結方式,但基本的成形原理都是相同的。3D打印紡織品通常需要使用柔性材料,以及能實現高精度和高分辨率打印的設備,以打印出具有紡織品基本特征的制件。因此,紡織品基本特征對3D打印的技術類型提出了具體的要求,如打印質量、打印速度、材料選擇、后期處理等。4D打印技術主要采用3D打印設備,但并不是每一種3D打印技術都適用于4D打印紡織品。這是因為技術類型對于打印材料的功能特性和打印結構所需的驅動性質至關重要。因此,目前較多用于3D打印和4D打印紡織品的增材制造成形方式主要有材料擠出成形、光固化成形、噴射式成形、粉末床熔融成形。
材料擠出成形是一種將材料通過加熱噴嘴擠出,并按照預設的路徑逐層堆疊來創建物體的增材制造過程。由于適用材料體系多,材料擠出的實現方式多,所以材料擠出成形技術類型多種多樣,而FDM是此類技術的典型代表,常用于紡織品增材制造,如圖2(a)所示。FDM整體系統構造原理簡單,打印過程易于操作,并且通過采用水溶性材料打印支撐結構的方法,使得后處理工序簡化。由于FDM采用熱熔擠壓頭而不是激光器這類的貴重金屬元件,因此設備造價與維護費用也較低。然而,這種打印技術也有缺點,如成形表面粗糙、打印垂直角度的強度較差等。FDM設備的基本原理決定了該技術打印絲狀材料,常用于日常紡織品制造的材料類型以熱塑性聚合物為主,包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、聚乳酸(Polylactic Acid,PLA)、熱塑性聚氨酯彈性體(Thermoplastic Polyurethane,TPU)和聚酰胺(Polyamide,PA)等。熱塑性聚合物材料除了可以直接用于FDM打印紡織品外,還可以將金屬顆粒、碳納米管、石墨烯、羊毛、麻纖維等納米材料或天然纖維材料添加到聚合物材料中,形成具有優異性能的高性能復合材料,用以制造具有特殊屬性的紡織品。直接墨水書寫(Direct Ink Writing,DIW)為FDM打印技術的代替品,打印原理與FDM工藝類似。它通過計算機控制機器來移動裝滿打印墨水的分配器,逐層構建微結構,如圖2(b)所示。但DIW與FDM也有不同,不同之處在于墨水離開噴嘴時通過墨水的流變特性而不是干燥或固化來構建物體的形狀和結構。DIW可以兼容多種類型的聚合物材料,如打印熱敏聚合物、光敏聚合物和生物相容性聚合物等功能性聚合物材料可用于制造智能紡織品[22]。熱敏聚合物和光敏聚合物分別具有溫度響應性和光響應性,在特定條件下可以發生形變或其他反應。而生物相容性聚合物是一類在與生物系統(如人體組織和細胞)接觸時不會引起不良反應(如毒性、炎癥或免疫排斥反應)的聚合物材料[23],如聚乳酸-乙醇酸共聚物(Polylactic-co-Glycolic Acid,PLGA)是由乳酸和乙醇酸共聚而成的可降解聚合物,可用于手術縫合線、藥物釋放系統和組織工程支架[24-25]。
圖2 紡織品增材制造技術原理示意
光固化成形基于光敏材料的光聚合原理,通過逐層光照固化的方式來構建實體。光固化成形的基本原理是使用能量光源,利用光敏材料受光照硬化的特點,使其能夠快速固化成形。常應用于紡織品制造的光固化技術類型有SLA和數字光處理技術(Digital Light Processing,DLP)。SLA是應用最為廣泛,也是最成熟的一種增材制造技術。它利用激光或紫外光按預先設定的切層信息選擇性地固化液態材料,從而形成制件的一個固體薄面,然后工作臺下降一個層厚,液槽內重新涂覆一層材料,再次進行固化,如此循環往復,直至整個制件打印完成,如圖2(c)所示。SLA技術打印速度較快,可以實現非常高的精度,適用于制造復雜的形狀和細小的結構,而且使用SLA技術打印出來的制件表面質量高。但SLA設備和材料的成本較高,在打印完成后,制件還需要進行后處理,以去除制件表面未固化的材料及提高制件的強度和耐久性。SLA制備紡織品選用的材料以光敏性液體材料為主,在打印前應充分考慮打印材料的適用性。如光敏樹脂作為SLA打印紡織品的常用材料,具有高精度、快速固化、適合復雜結構和精細部件制造等優點,但同時也有材料成本較高、耐久性相對較弱、對存儲環境要求嚴格等缺點,這些材料特性直接影響著紡織品的精度、質量和力學性能。除此之外,SLA還可以打印具有高韌性和復雜結構的水凝膠,已有相關研究證明高性能的水凝膠在柔性可穿戴傳感器中具有巨大的應用潛力[26]。DLP和SLA都是基于光固化原理的增材制造技術,它們的區別在于光源的不同。SLA使用激光作為光源,通過掃描光束來逐點固化樹脂,而DLP使用高分辨率的數字光處理器投影儀來逐層固化,每一層都是使用選擇性遮罩的光源一次性曝光,如圖2(d)所示。DLP可以打印聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、丙烯酸叔丁酯(TBA)和二丙烯酸乙二醇酯(DEGDA)、聚己內酯(PCL)/脲基嘧啶酮(UPy)等材料制備具有良好的形狀記憶和自愈合性能的智能紡織品[27-29]。需要注意的是,在DLP打印智能紡織品的過程中,紫外光照射時吸收的紫外光能量與光固化材料固化厚度之間的關系是非常重要的參數。
噴射式成形按照材料的物理形態不同可分為粉末噴射和液體噴射兩種,它們的區別主要在于噴射材料和噴射原理。紡織品領域應用的噴射式成形技術類型包括黏結劑噴射(Binder Jetting,BJ)和聚合物噴射(PolyJet)。BJ是一種將黏合劑選擇性噴射到粉末床上,將材料黏合在一起形成立體物體的過程,如圖2(e)所示。它利用熱熔膠、水性膠、UV固化膠等黏結劑,黏結包括鋁合金、鈦合金、碳化硅、聚酰胺、聚乙烯醇、聚碳酸酯等粉末材料以制造三維制件。對于不與粉末材料發生反應的黏結劑,可以通過加入具有黏結作用的物質來實現黏結效果,如聚乙烯醇縮丁醛樹脂、聚氯乙烯、聚碳硅烷、聚乙烯吡咯烷酮及其他一些高分子樹脂等[30]。
在打印過程中,BJ不需要額外打印支撐結構,可以通過未黏結的粉末材料來支撐懸空結構,減少了支撐材料去除對結構復雜度的限制,這意味著BJ為制件的結構設計提供了更大的自由度。當打印完成后,需要一些后續處理措施來達到加強制件成形強度及延長保存時間的目的,主要包括靜置、強制固化、去粉、包覆等[30]。BJ適用于大尺寸和大規模的生產,可以高效生產大批量的紡織品,有效提高了制造效率。但相較于其他增材制造技術而言,BJ在打印材料類型和制件成形的初始密度等方面存在一定的局限性。PolyJet和BJ是兩種不同的增材制造技術,PolyJet打印系統主要由紫外線光源、打印部件、材料容器和構建平臺等組成。打印過程需先將液態材料加熱到最佳的擠出與成形黏度,而后噴頭將液態材料的微小液滴以一定的響應率和速度噴射到指定位置,然后紫外光固化沉積液態材料以形成三維實體,如圖2(f)所示。PolyJet技術能夠混合多種材料,創建具有漸變性質或復合性能的打印制件。如可以混合柔性和剛性材料,制造具有特定觸感和力學性能的紡織品。PolyJet還可以在同一打印過程中實現顏色和材料的多樣化,制造具有復雜顏色和紋理的紡織品。雖然PolyJet打印紡織品在高精度、多材料和多色彩打印方面具有優勢,但材料成本較高、打印尺寸有限和需要后處理等是需要考慮的限制因素。
粉末床熔融成形的典型技術是SLS。它是一種利用激光與粉體交互作用并逐層堆積成形的增材制造技術。SLS成形原理是首先在打印平臺上鋪設一層薄薄的粉末材料,然后通過激光束的照射,將粉末材料局部加熱至熔點以上,使其熔化并與下方的固體層黏結在一起。接著打印平臺下降一層,再次鋪設一層粉末材料,并重復上述加熱和黏結的過程。通過逐層疊加和熔化粉末材料,最終形成所需的物體,如圖2(g)所示。SLS打印紡織品的過程主要分為預熱、成形和冷卻3個階段[31]。在打印開始之前,需對成形腔內的粉末材料進行預熱,然后將預熱溫度下的粉末進行循環鋪設與激光掃描的周期性過程,打印結束后,必須在粉末床完全冷卻后才能將制件取出。SLS技術可打印高分子、金屬、復合材料等多種粉末材料,成形速度快[32]。其中尼龍及其復合材料是最常用的SLS打印紡織品的材料。它具有良好的強度、耐磨性和柔韌性,適合制作服裝、鞋類和其他紡織產品。此外,SLS還可以打印TPU和熱塑性彈性體等彈性材料,這些材料具有良好的柔韌性和耐磨性,打印出來的紡織品舒適性和柔軟性較好。另外,SLS打印紡織品不需要額外的支撐結構、支持打印復雜的形狀、能實現相對較高的精度和分辨率、而且幾乎沒有廢料產生,有助于減少材料浪費。盡管SLS打印紡織品的優勢非常明顯,但仍存在一定的局限,如SLS打印的紡織品表面比較粗糙,需要后期精加工來提高表面質量。適合SLS打印的彈性材料種類也相對有限,限制了紡織品的多樣性和功能性。而且SLS打印設備和材料的成本較高,增加了紡織品制造的總成本。對比某些其他增材制造技術,SLS的打印速度可能相對較慢,尤其是對于大型和復雜的制件。在選擇使用SLS打印紡織品時,應綜合考慮這些優勢和劣勢,權衡其適用性和成本,具體取決于特定應用的需求和制造目標。
3 紡織品增材制造的工藝流程
增材制造的基本原則和主要特點,包括逐層制造、數字化設計、材料多樣性、減少浪費、定制和個性化、快速原型設計、后處理要求、設備和工藝優化[33]。增材制造是自下而上逐層制造物體,這與傳統紡織品制造有著本質區別。這種方法可以制造出復雜的形狀和特殊的結構,而這種復雜性和特殊性可能是傳統的制造方法無法實現的,或者制造成本非常高昂。增材制造以數字3D模型為起點,通常是在計算機輔助設計(Computer-Aided Design,CAD)軟件中創建,然后將其切成薄層進行打印。數字化設計允許對模型進行快速修改并直接輸入3D打印機,從而簡化了從設計到生產的流程。由于增材制造是添加材料而不是去除,因此與傳統制造工藝相比,浪費明顯減少。這不僅能降低材料成本,還能最大限度地減少對環境的影響,符合可持續發展的生產方式。除此之外,許多增材制造的物體都需要后處理步驟,如去除支撐物、表面精加工和熱處理,以達到所需的力學性能或美觀效果。掌握增材制造的基本原則和主要特點對于利用該技術進行紡織品制造至關重要。
增材制造與紡織品的融合不僅改變了制造方式,還重塑了產品從設計、生產到消亡的整個生命周期。基于增材制造的基本原則和主要特點,紡織品增材制造的流程可分為7個關鍵步驟,包括創建CAD模型、處理模型、打印前準備、打印模型、取出打印制件、后期處理、應用[34],如圖3所示。在進行紡織品設計之前首先需要明確設計目標,然后以設計目標為依據,使用CAD軟件創建紡織品三維數字模型,并將構建好的數字模型轉換為適用于增材制造打印機的STL文件格式,并進行必要的調整和設置。這些參數設備包括弦高(影響表面平滑度)、偏差(影響精度)、角度公差(影響平滑度)、多邊形數量(影響細節)、網格質量(影響整體網格完整性)、文件大小(影響傳輸和處理速度)和切片設置(打印機專用指令)[33]。生成STL文件的參數通常手動配置,在某些先進的增材制造系統中,這些參數還可以根據材料和目標自動優化。完成了數字模型可打印處理后,將STL文件添加到打印設備中,根據設計目標選擇合適的打印設備與材料,開始紡織品的成形加工過程。為了使打印制件滿足預期目標,有些參數需要在打印過程中對打印機進行設置,如在PET織物表面沉積TPU材料時,為了增強兩種材料之間的黏附性,需要分別設置首層的打印參數及其余層的打印參數,相關參數設置包括打印速度(首層10 mm/s、其余層30 mm/s)、擠出溫度(首層235 ℃、其余層215 ℃)、填充密度(首層100%、其余層50%)、擠出倍率(首層100%、其余層90%)[35]。部分打印技術需要利用支撐來支持打印物體中的空隙結構或懸空結構,打印完成后,這類支撐材料需要被移除[36],如不需要拆除多余支撐,則直接將模型從打印平臺上取下即可。通常情況下,增材制造的制件打印完成后,需要進一步地精加工,如清潔、染色、涂裝等,以實現紡織品所需的最終效果。
圖3 紡織品增材制造的流程
(責任編輯：admin)
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