紡織品的增材制造—3D打印到4D打印的創(chuàng)新研究(2)
時(shí)間：2024-11-07 08:53 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
4 紡織品增材制造的設(shè)計(jì)與制作思路
紡織品增材制造的設(shè)計(jì)與制作思路與傳統(tǒng)的制造方法有顯著區(qū)別。增材制造的設(shè)計(jì)與制作思路強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)階段就充分利用增材制造的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),如設(shè)計(jì)自由度和材料優(yōu)化等,同時(shí)也考慮到生產(chǎn)后的處理和產(chǎn)品的整體生命周期。增材制造技術(shù)允許設(shè)計(jì)人員直接制備各種形態(tài)或結(jié)構(gòu),以及具有功能屬性的紡織纖維或柔性紡織品。該技術(shù)還可以在紡織品中直接集成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能性元素。除此之外,增材制造仿生紡織品也是當(dāng)下的研究熱點(diǎn),它是一種結(jié)合了生物啟發(fā)設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。這種方法借鑒自然界生物的結(jié)構(gòu)、功能和美學(xué)特征,通過增材制造技術(shù)在紡織品中實(shí)現(xiàn)這些特征,創(chuàng)造出既具有高度功能性又美觀的新型紡織品。
4.1 紡織纖維
紡織纖維是用于紡織品制造的基本成分。這些纖維可以是天然來源的,也可以是人工合成的。用天然纖維搓成長紗線制成網(wǎng)狀織物的做法始于舊石器時(shí)代,直至今日,紡織品的基本結(jié)構(gòu)依舊沒有發(fā)生根本性的變化,仍然是由纖維、紗線到織物的組成。隨著材料工程、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)及化學(xué)、力學(xué)和物理等多學(xué)科的綜合發(fā)展,紡織品在纖維或紗線材料、結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)等方面的進(jìn)步是不容小覷的。
紡織品通常具有多種看似相互矛盾的特性,如柔韌性和強(qiáng)度、透氣性和保暖性等。這些特性是由紡織品使用的纖維材料屬性和纖維在不同尺度上形成的結(jié)構(gòu)特征之間的相互作用所決定的。簡(jiǎn)而言之,紡織品的性能特點(diǎn)基本上都來源于構(gòu)成紡織品的纖維及這些纖維在紡織品結(jié)構(gòu)中的排列方式。因此,纖維材料本身的特性會(huì)直接影響紡織品性能。Cao等[37]通過增材制造技術(shù)打印2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物介導(dǎo)的氧化纖維素納米纖維(TOCNFs)/碳化鈦(Ti3C2) MXene復(fù)合油墨,制造柔性多功能纖維。TOCNFs/Ti3C2混合材料不僅有著優(yōu)異的力學(xué)性能,而且良好的流變特性使其可輕松被打印成各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu),如圖4所示。這類纖維材料還具有較好的導(dǎo)電性和光熱轉(zhuǎn)化能力,可以對(duì)多種外部刺激做出響應(yīng),在智能可穿戴領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。另外,纖維材料的特性,除了來源于纖維的組成成分外,纖維本身的形狀、長度和表面特性等,也會(huì)影響紡織品的性能。因此,相關(guān)研究人員利用增材制造技術(shù)模擬傳統(tǒng)紡織纖維形態(tài)制造紡織纖維以實(shí)現(xiàn)所需要的纖維功能。Luelf等[38]利用3D打印技術(shù)打印聚合物溶液聚醚砜,并結(jié)合噴絲板的疊加旋轉(zhuǎn)分別在不同的轉(zhuǎn)速下制造了三孔中空纖維,如圖5(a)所示。通常中空纖維的幾何形狀只具有圓形橫截面和線性軸向取向。當(dāng)噴絲板的每分鐘旋轉(zhuǎn)速度為0時(shí),形成的纖維橫截面較平滑,如圖5(b)所示;而每分鐘旋轉(zhuǎn)速度為30時(shí),則形成了螺旋結(jié)構(gòu)的三孔中空纖維,如圖5(c)所示。研究表明,這類中空纖維材料在能量傳輸方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。除此之外,增材制造纖維在智能電子紡織品領(lǐng)域也引起了廣泛關(guān)注,研究人員致力于開發(fā)靈活的纖維狀電子元件。Guo等[39]研發(fā)了在聚二甲硅氧烷基質(zhì)中含有亞微米銀顆粒的特殊油墨,用于打印纖維狀可拉伸觸覺傳感器。經(jīng)證實(shí),打印出的纖維狀傳感器可以彎曲、伸展,并且能夠檢測(cè)和區(qū)分人體手指的按壓和彎曲等行為。這為制造各種傳感器開辟了新的途徑,從而有可能推動(dòng)假肢皮膚、仿生器官和人機(jī)界面的發(fā)展。
圖4 3D打印TOCNFs/Ti3C2纖維制造各種結(jié)構(gòu)
圖5 3D打印的三孔中空纖維
4.2 柔性紡織品
柔性紡織品增材制造需要考慮的因素包括打印技術(shù)、柔性材料、設(shè)計(jì)模型、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和密度、多材料打印、后處理,以及測(cè)試和優(yōu)化,以確保紡織品制件具有柔軟性、彈性和所需的力學(xué)性能。目前,柔性紡織品增材制造的局限性主要在于材料類型和打印設(shè)備的限制,導(dǎo)致制件在柔性和精度方面仍有缺陷。為了獲得與傳統(tǒng)紡織品相同的特性,研究人員嘗試模擬各類紡織品結(jié)構(gòu),包括模仿編織織物、針織織物和非織造布等。編織織物是通過交織緯線和經(jīng)線制成的,常見的編織織物有棉布、毛料、絲綢、麻布等。編織織物的特點(diǎn)是密度較高,手感較硬,強(qiáng)度和耐磨性較好,同時(shí)具有良好的防風(fēng)、防水和保暖性能。Partsch等[40]利用CubePro Duo打印機(jī)打印ABS長絲制造了3種不同的編織織物,為了降低模型的復(fù)雜性,在設(shè)計(jì)織物的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)使用了基本的幾何結(jié)構(gòu),如圓和矩形等。他們的研究表明紗線的直徑增加,紗線之間的空隙減小,織物的高度會(huì)增加1倍。雖然制件達(dá)到了類似紡織品的柔韌性,但實(shí)際的厚度卻比較厚。這也是增材制造技術(shù)在紡織領(lǐng)域應(yīng)用初期常見的難題。為了改善此類問題,研究人員繼續(xù)探索了增材制造技術(shù)制備針織結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。通常針織織物是利用針織機(jī)將紗線按照一定的規(guī)律編織成線圈,再通過這些線圈的相互連接和交織,形成具有一定結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和外觀的織物。針織織物的特點(diǎn)是柔軟、有彈性,透氣性好。Beecroft[41]使用SLS技術(shù)打印尼龍粉末分別制造了單面針織織物和雙面針織織物,如圖6所示,這兩種柔性針織織物兼具了傳統(tǒng)針織織物的特性和尼龍材料的力學(xué)性能。另外,Gürcüm等[42]還利用FDM 3D打印技術(shù)制造了鉸鏈結(jié)構(gòu)的柔性紡織品。它的厚度較薄且懸垂性很好,可以實(shí)現(xiàn)紡織品的彎曲、折疊和扭轉(zhuǎn),具有很好的可塑性和可變性。除此之外,增材制造技術(shù)在制造非織造布方面也具有較好的潛力。非織造布的生產(chǎn)工藝流程包括原材料準(zhǔn)備、纖維混合、纖維預(yù)處理、纖維結(jié)合和成品處理等多個(gè)步驟。生產(chǎn)流程中的每個(gè)步驟都需要仔細(xì)考慮,以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能符合需求。而增材制造技術(shù)可以直接將材料混合,然后采用噴射或熔融的方式形成織物,實(shí)現(xiàn)了非織造布的制造過程一體化和制造步驟簡(jiǎn)單化。目前,柔性紡織品增材制造已經(jīng)從簡(jiǎn)單模仿普通紡織品逐步向智能柔性紡織品方向發(fā)展。研究人員利用4D打印技術(shù)制備智能紡織品,使用本身具有形狀變化或驅(qū)動(dòng)性能的智能材料,將其打印成某些特定結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)以受控方式被激活,在響應(yīng)環(huán)境刺激后,可改變制件的形狀或結(jié)構(gòu)。Wagner等[43]使用多材料噴墨3D打印機(jī)(Objet500 Connex3)對(duì)形狀記憶聚合物進(jìn)行參數(shù)化建模和三維制造。在打印過程中,液態(tài)形狀記憶聚合物被噴射成薄層后利用紫外線固化,從而制造出幾何形狀活性結(jié)構(gòu),如圖7所示。他們對(duì)制件結(jié)構(gòu)的形狀變化進(jìn)行評(píng)估,并得出形狀變化的速度取決于溫度。在溫度為80 ℃的實(shí)驗(yàn)室中,所有的幾何結(jié)構(gòu)都在不到10 s的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)了永久形狀,并且不同的結(jié)構(gòu)在加熱后,膨脹體積的大小也各不相同。這類制件可應(yīng)用于無法手動(dòng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化和無法進(jìn)行機(jī)電驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖6 SLS打印針織織物
圖7 4D打印SMP制造的活性結(jié)構(gòu)
4.3 混合結(jié)構(gòu)紡織品
增材制造技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用落后于其他領(lǐng)域的關(guān)鍵在于,這類制造技術(shù)難以獲得紡織品所應(yīng)具備基本特性。利用增材制造技術(shù)在紡織品上直接進(jìn)行實(shí)物打印,既解決了打印制件不如傳統(tǒng)紡織品柔軟,又增加了面料肌理和圖案的創(chuàng)新性。時(shí)裝設(shè)計(jì)師Giusti與3D打印數(shù)字制造實(shí)驗(yàn)室(Superforma Fablab)合作,并使用Superforma Fablab的Delta WASP 3MT打印機(jī)將TPU直接沉積到拉伸的紡織品表面形成波浪紋肌理,制作了既時(shí)尚又舒適的TECHNē服裝系列[44]。需要注意的是,在紡織品上直接進(jìn)行增材制造需要考慮打印材料和紡織品表面之間的黏附性。不同的材料打印在不同的紡織基材上表現(xiàn)出來的黏附性不同。Pei等[45]將ABS、PLA和PA三種材料分別打印在織物的表面,得出PLA在織物上的打印效果最好,它展現(xiàn)出良好的附著力、較小的翹曲和良好的彎曲強(qiáng)度。Korger等[46]還研究了PLA和TPE在棉織物和聚酯纖維織物表面的黏附性,研究表明黏附力取決于織物表面的粗糙度、織物類型及織物表面的潤濕性。除此之外,擠出機(jī)溫度、平臺(tái)溫度、打印速度、噴嘴和紡織品之間的距離、填充密度也是影響聚合物打印在紡織品上黏附性的重要參數(shù)[47-48]。由于增材制造技術(shù)可直接在紡織品上進(jìn)行實(shí)物打印,引起了智能電子紡織品領(lǐng)域相關(guān)研究人員的注意,試圖將各類電子元件直接集成到紡織品中,使紡織產(chǎn)品既具有傳統(tǒng)織物的舒適性,又具有電子元件的功能性。Zhao等[49]開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的、低成本的3D打印方法,該方法能夠高效地制造纖維形集成電子器件。纖維形集成電子器件集成了3D打印的纖維形溫度傳感器與纖維形不對(duì)稱超級(jí)電容器。研究證明,這類纖維形集成電子器件可以應(yīng)用于智能電子紡織品中,以檢測(cè)溫度變化、監(jiān)控人體健康相關(guān)參數(shù)。另外,研究人員基于彈性張緊的紡織品表面和彎曲增強(qiáng)材料特性的相互作用,在4D打印的情況下,利用紡織品表面具有的彈性預(yù)應(yīng)力,作為各向異性彈簧儲(chǔ)存器吸收勢(shì)能。Schmelzeisen等[50]在滌綸面料上打印TPU(藍(lán)色)和PLA(白色),以制造可用于能量?jī)?chǔ)存或能量傳輸?shù)闹悄芗徔椘?如圖8所示。他們將所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)直接打印在預(yù)應(yīng)力紡織品上,完成打印過程后去除預(yù)應(yīng)力,紡織品混合結(jié)構(gòu)在x、y和z軸方向上會(huì)發(fā)生形狀變化。另外,Leist等[51]在尼龍織物上進(jìn)行4D打印,制作了形狀記憶智能紡織品,如圖9所示。他們使用了FDM Flashforge Creator Pro雙擠出3D打印機(jī),打印材料為直徑1.75 mm的PLA長絲,紡織基材則選擇了由90%尼龍和10%氨綸制成的Solid Power Mesh Fabric尼龍織物。通過在尼龍織物表面直接沉積扁平PLA網(wǎng)格結(jié)構(gòu),在70 ℃的水中加熱后,這類結(jié)構(gòu)可以形成圓柱體形狀。當(dāng)溫度冷卻至室溫時(shí),材料變得堅(jiān)硬并保持臨時(shí)形狀。然而,將圓柱體重新加熱后它又會(huì)展開,恢復(fù)到永久性的扁平形狀。利用這種方法,可以進(jìn)一步制作出能夠?qū)O端環(huán)境作出反應(yīng),并釋放出保護(hù)穿著者免受危險(xiǎn)環(huán)境影響的智能服裝。
圖8 4D打印混合結(jié)構(gòu)紡織品
圖9 4D打印形狀記憶紡織品
4.4 仿生紡織品
紡織領(lǐng)域的仿生設(shè)計(jì)是指受生物學(xué)原理啟發(fā)對(duì)生物體的外在形態(tài)與內(nèi)在功能進(jìn)行創(chuàng)新性模仿及應(yīng)用的過程。對(duì)于生物外在形態(tài)的模仿在服裝創(chuàng)意設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多,設(shè)計(jì)人員深刻理解和挖掘自然生物的審美特征和內(nèi)涵作為設(shè)計(jì)靈感并以仿生設(shè)計(jì)元素形式呈現(xiàn)在服裝作品中,既豐富了服裝設(shè)計(jì)的造型,又增加了服裝產(chǎn)品的趣味性。Noa Raviv以古典藝術(shù)和自然生物為靈感設(shè)計(jì)了Hard Copy系列[52],該系列使用多材料3D打印機(jī)打印硬質(zhì)不透明高分子材料進(jìn)行制造。打印完成的制件呈現(xiàn)像薄紗般的輕盈質(zhì)感,再經(jīng)手工縫制,創(chuàng)造了一種具有現(xiàn)實(shí)與虛擬、2D與3D交錯(cuò)的服裝作品。另外,戲劇時(shí)裝設(shè)計(jì)師Frederick Lee與新加坡時(shí)裝設(shè)計(jì)公司合作設(shè)計(jì)了一款以新加坡國花為靈感來源的Vanda Miss Joaquim禮服裙[53],如圖10所示。這款禮服裙利用與FDM技術(shù)相同原理的3D打印筆耗時(shí)4個(gè)多月制作完成,花朵從藤蔓到葉脈的不同部分以手工的方式縫制在面料上,組成了新加坡的地圖輪廓。設(shè)計(jì)人員在服裝顏色上選擇了新加坡的民族色彩,即紅色和白色。紅色部分是覆有亮片的面料,白色部分則是3D打印材料原本的顏色,整體服裝造型前衛(wèi)且充滿創(chuàng)意。在紡織領(lǐng)域除了外在形態(tài)仿生外,對(duì)于功能仿生的探索也是研究的熱點(diǎn)。智能仿生紡織品就是將仿生設(shè)計(jì)原理、先進(jìn)制造技術(shù)和材料科學(xué)相結(jié)合,使生產(chǎn)制造的紡織品具備類似生物系統(tǒng)的功能和特性。這種紡織品通過模仿生物的結(jié)構(gòu)和功能,可以感知外部環(huán)境的變化并做出相應(yīng)的響應(yīng),為紡織品賦予更多的智能化特性�；谠霾闹圃旒夹g(shù)的功能仿生設(shè)計(jì)最早進(jìn)行相關(guān)研究的是哈佛大學(xué)的Lewis團(tuán)隊(duì)。他們將纖維素納米纖維嵌入作為植物細(xì)胞壁組成的丙烯酰胺基質(zhì)中,并將復(fù)合材料打印成蘭花和馬蹄蓮的形狀[54]。基于纖維素納米纖維在復(fù)合材料中的各向異性溶脹特性,構(gòu)建了相關(guān)數(shù)學(xué)模型,并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制花朵的變形形狀。通過4D打印的蘭花由90°/0°和-45°/45°的雙層結(jié)構(gòu)組成,當(dāng)花朵浸入水中時(shí),蘭花表現(xiàn)出從盛開到閉合或者不同運(yùn)動(dòng)路徑的花朵卷曲變化過程,如圖11(a)所示。利用相同的原理制造的馬蹄蓮也可以沿中心軸向兩個(gè)方向卷曲并變形為閉合的花朵形狀,如圖11(b)所示。除了模仿植物的特性外,Roach等[55]使用DIW 4D打印制造可逆驅(qū)動(dòng)的液晶彈性體(LCE)纖維,并將LCE纖維與棉纖維編織在一起制造紡織品。當(dāng)紡織品加熱至80 ℃的過程中,LCE纖維收縮,使得紡織品中產(chǎn)生空隙。冷卻后,LCE纖維恢復(fù)到其初始狀態(tài),如圖12(a)所示。此外,Roach等[55]還曾用LCE纖維來模擬肌肉收縮和放松時(shí)的激活特性,如圖12(b)所示。研究結(jié)果表明,基于LCE纖維的智能紡織品具有快速、可逆和高度可控的驅(qū)動(dòng)性可以為軟體機(jī)器人制造更堅(jiān)韌、更耐損傷的肌肉。
圖10 Vanda Miss Joaquim禮服裙
圖11 4D打印的蘭花和馬蹄蓮
圖12 DIW打印的LCE纖維的多種應(yīng)用
5 結(jié) 論
紡織品的織造歷史可以追溯到史前時(shí)代,人們用手工織布機(jī)或簡(jiǎn)單的織布工具將纖維或紗線編織成織物。隨著時(shí)間的推移,紡織業(yè)經(jīng)歷了許多技術(shù)革新,包括最早的手工織造技術(shù)、機(jī)器織造技術(shù)到現(xiàn)在的智能制造技術(shù)。增材制造作為先進(jìn)的智能制造技術(shù)之一,是一項(xiàng)集機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)、控制、光電、信息等學(xué)科于一體的數(shù)字化、智能化制造技術(shù),包括3D打印和4D打印等。3D打印紡織品和4D打印紡織品的技術(shù)原理基本相同,都是采用層層堆疊的方式制造紡織品。但3D打印紡織品和4D打印紡織品在功能上又有明顯的區(qū)別。3D打印紡織品是靜態(tài)的,制造后通常不會(huì)改變其形狀或?qū)傩浴?D打印是在3D打印的基礎(chǔ)上,利用特定材料的特性,在外界條件變化下實(shí)現(xiàn)自組裝、形變或功能性變化,使打印出的紡織品可以在特定條件下實(shí)現(xiàn)預(yù)定的形變或功能變化。紡織品增材制造從3D打印到4D打印的發(fā)展,代表了智能制造領(lǐng)域的重大進(jìn)步,也體現(xiàn)了傳統(tǒng)3D打印的靜態(tài)紡織品逐步向4D打印的智能紡織品拓展。目前4D打印智能紡織品相關(guān)研究已取得一定進(jìn)展,具有解決許多現(xiàn)實(shí)問題的潛力,但該領(lǐng)域仍面臨諸多挑戰(zhàn),如4D打印智能紡織品受到增材制造技術(shù)和智能材料等限制。不同增材制造技術(shù)的生產(chǎn)局限各異,影響紡織品的力學(xué)性能、成形質(zhì)量和使用壽命。因此,開發(fā)適用于4D打印的智能材料對(duì)于推動(dòng)4D打印智能紡織品的發(fā)展至關(guān)重要。此外,智能材料和高性能增材制造設(shè)備的成本較高、智能材料可能缺乏良好的生物降解性,對(duì)環(huán)境造成潛在污染等問題也亟待解決。雖然紡織品增材制造仍是一個(gè)不斷發(fā)展的研發(fā)領(lǐng)域,但它對(duì)紡織業(yè)的潛在影響是巨大的。它將功能性、適應(yīng)性和定制化提升到了一個(gè)新的水平,有望顛覆傳統(tǒng)紡織品設(shè)計(jì)、紡織品制造及與紡織品的交互方式。
(責(zé)任編輯：admin)
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