3D打印在智能紡織領域的應用

來源：高分子材料成型原理

3D打印技術又名快速成型技術、增材制造等。它是以計算機三維設計模型為基礎，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用光束、熱熔噴嘴等方式將塑料、金屬粉末、陶瓷粉未等特殊材料進行層堆積黏結(jié)、疊加最終成型，制造出實體產(chǎn)品，將虛擬的實體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理實體，被譽為第三次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工具。

3D打印使得智能紡織得到了極大的發(fā)展。由3D打印制成的智能紡織品具有制造成本大幅度降低、制造環(huán)節(jié)被有效簡化、多種材料的組合、提升織物性能質(zhì)量、實現(xiàn)可持續(xù)制造的優(yōu)勢。

成型方式
3D打印技術有黏結(jié)成形、光敏成形、熔融成形、選擇性激光燒結(jié)成形4種成形方法。每種方法適用于不同的材料。

成形方式的多樣化是目前3D打印技術在紡織行業(yè)發(fā)展成熟的見證。黏結(jié)成形技術是紡織類產(chǎn)品設計在著色工藝上發(fā)展成熟的表現(xiàn)，具體是將著色劑與黏合材料相結(jié)合，形成薄層并進行著色。光敏技術是運用光敏材料(UV樹脂)，在光作用下堆積成形進行制造。熔融成形則是通過熱塑性材料在高溫腔體中熔化，形成液體，再被噴頭均勻噴出并疊加成形。由此可見，這些技術的應用改變了紡織產(chǎn)品的制造方式，甚至影響到服飾產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)模式，因此，3D打印技術對紡織產(chǎn)品有著深遠影響。

智能紡織品可以包含光纖、相變材料、化學品或其他電子元件，為普通紡織品增加新的功能。越來越多的紡織材料正試圖采用3D打印技術直接制造出具有復雜功能的智能紡織品，目前的研究主要集中在導電、形狀記憶、溫度調(diào)節(jié)和柔性電子元件等方面。

智能導電紡織品
開發(fā)導電紡織品最常見的方法是在織物表面附著導電材料，實現(xiàn)方法包括層壓、涂層、印刷、噴涂、離子電鍍、化學鍍層、真空金屬化、陰極濺射和化學氣相沉積等。3D打印機能夠準確地打印出所定義的形狀。通過這種方式，可以將導電紗線或涂層連接起來，特別是與無引線的SMD(表面安裝設備)元件連接。同時，3D打印可以調(diào)整電子元件的結(jié)構，以實現(xiàn)與織物最合適的結(jié)構狀態(tài)。德國比勒費爾德應用科學大學的Grimmelsmanna等,利用3D打印技術在使用導電Shieldex紗線織造的包含電路路徑的面料上直接打印，使3D打印的物體作為導電線與小型電子元件之間連接，從而讓紡織品發(fā)光，如下圖所示。

作為紡織基材，選擇了有肌理效果的、表面相對緊湊且均勻的單面鉤花針織面料，使3D打印材料能更好地與織物黏結(jié)。開發(fā)者設計了一款SMD-LED電子元件，在紡織基材表面利用FDM技術實現(xiàn)制造。SMD.LED由黑色導電材料、非導電的白色PLA材料及LED三個部分組成。黑色導電部分主要起到電連接的作用，材料使用的是Proto-Pasta導電PLA長絲，擠出機溫度207 ℃,打印床溫度60 ℃,層高為0.2 mm,并對結(jié)構進行填充。白色部分為普通的PLA長絲，起到固定和連接的作用。具有導電特性的黑色長絲與Shieldex紗線連接，點亮紡織品上的LED。3D打印部件作為串聯(lián)電阻，保護LED不受過高的應用電壓而影響其正常工作，當內(nèi)部電陽較低時，LED的亮度則較低，因為LED和3D打印部件連接串聯(lián)電陽作為分斥器工作，較高電陽下的電壓隆越高。

智能溫控紡織品
具有調(diào)節(jié)溫度的智能紡織品種類繁多，如當前市面上最為常見的溫濕度調(diào)節(jié)紡織品，是通過去除多余的水分來降低人體溫度，但這類紡織品只有在身體和織物之間的空氣處于高濕度水平時才能被觸發(fā)，這限制其在濕度水平較低時的應用。另外還有其他溫控技術，包括帶有相變材料的冷袋紡織品、空氣冷卻紡織品和液體冷卻紡織品等，但也都有其局限性。研究人員為了解決這類問題，在開發(fā)熱調(diào)節(jié)紡織品方面做了大量的工作。馬里蘭大學利用一種在聚乙烯醇(PVA)聚合物基體中嵌入了氮化硼納米片(BNNSs)的復合材料進行3D打印，制成能使人體溫度快速下降的智能溫控紡織品，如圖所示。

BNNSs具有二維結(jié)構，有高達2 000 W/(m·K)的平面內(nèi)熱導率，為了利用BNNSs的平面內(nèi)熱性能，片材必須有良好的排列方向和均勻的分散。由于BNNSS在PVA溶液中進行超聲處理時可以通過吸收的聚合物促進結(jié)構穩(wěn)定，因此可以實現(xiàn)均勻的分散，同時，在纖維打印和進一步的熱拉加工過程中，通過單軸延伸流動引入了納米復合纖維，其中BNNSs形成良好的排列方向，從而形成聲子熱傳導的能量路徑。高度定向且相互連接可以提供更多導熱途徑，從而有效地提高了a-BN/PVA復合纖維的熱性能，a-BN/PVA紡織品可以沿看纖維釋放人體產(chǎn)生的額外熱量。紡織品將人體產(chǎn)生的額外熱量沿纖維釋放到周用環(huán)境中，從而為人體提供了熱舒適的微氣候，以達到降溫的目的。

形狀記憶紡織品
形狀記憶聚合物是一種能記住原始形狀的聚合物，在一定條件下改變其形狀，并能通過施加如熱、電、磁場等刺激，又恢復到原始形狀的高分子材料。形狀記憶聚合物最常使用的聚乳酸(PLA),也是3D打印中常使用的材料，因此形狀記憶聚合物可以通過3D打印技術進行制作。目前對于使用3D打印技術打印形狀記憶聚合物的相關研究，主要涉及材料的兩方面，一類是使用百分百的純聚乳酸作為形狀記憶聚合物，但由于聚乳酸材料最長能延長10%,因此在進行打印之前需要對結(jié)構進行設計以克服這類限制。Langford等使用人字形折紙結(jié)構來解決這個問題，如圖所示。圖(a)是具有人字形折紙結(jié)構的3D打印物。

圖(b)展示當折疊時，物體體積變小。當展開時，物體體積變大但物體上出現(xiàn)了細微的幾條裂紋，如圖(c)所示。

通常PLA長絲的恒定恢復率約61%,而人字形折紙結(jié)構的恢復率提升到約96%。另一類是采用聚乳酸復合材料進行3D打印。Guido Ehrmann、Andrea Ehrmann利用FDM 3D打印機，通過將80%的PLA與20%的Fe04混合，形成固體混合物并將其粉碎，然后在雙螺桿擠壓機中擠壓打印了一種骨小梁多孔結(jié)構,如圖所示。通過施加30 KHz的交變磁場，僅在14~24 s后就達到了95%以上的形狀恢復。

智能電子紡織品
智能電子紡織品集成了傳感器、微控制器、執(zhí)行器、連接設備和能源等電子元件，傳統(tǒng)的電子元件多由金屬、塑料等材料制成，發(fā)生彎折、扭轉(zhuǎn)、拉伸等情況時容易導致不可逆變形，從而影響電子元件的正常功能，但柔性材質(zhì)的運用可以彌補上述問題。這類柔性電子元件不僅能夠為人們的日常生活提供便攜功能，而且由于其與人體皮膚接口的能力提高，還可以用來監(jiān)測人體的健康信息。然而，柔性電子元件的傳統(tǒng)加工技術，對于功能結(jié)構復雜的電子元件的加工會有局限。因此，3D打印的三維快速成型的加工方式受到關注。目前，各種3D打印技術已經(jīng)廣泛應用于結(jié)構性電子設備，為了增加對產(chǎn)品不同功能需求的適應性，越來越多的柔性材料被應用到3D打印技術中。例如楊慧等利用PCL10K和甲基丙烯酸異氰乙酯的化學反應合成的聚己內(nèi)酯(PCL),可以作為3D打印的柔性材料。通過商用的SLA打印機將聚己內(nèi)酯(PCL),打印成柔性裝置，并在上面涂上導電材料，如銀納米粒子或碳納米管(CNTS),形成具有形狀記憶性能的3D打印柔性電子裝置，如圖所示。

其中，圖(a)的設備由一個3D形狀記憶聚合物打印物體組成。圖(b)是在室溫下將銀納米粒子以燒結(jié)工藝添加到具有形狀記憶性能的3D打印物體表面，制造的柔性電溫度傳感器。圖(c)中，當柔性電溫度傳感器遇到溫度上升后，它的形狀發(fā)生變化，由開放電路變成關閉電路并點亮發(fā)光二極管。使用3D打印技術打印的具有形狀記憶行為的柔性傳感器，不僅賦予了電子設備以新的功能，而且在改變?nèi)伺c電子設備的互動方式的同時，也在提高產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了重要的作用。

結(jié)語
目前市面上有幾十種3D打印機，不同類型的機器可以根據(jù)要求選擇適合的打印材料，但3D打印技術無論是機器或材料都依然存在一定的局限性。3D打印智能紡織品，除了需要滿足功能性外，還應滿足最其本的織物屬性，這些都受到3D打印機器和材料的限制，另外還有尺寸、強度、形變等也是需要關注的問題。3D打印智能紡織品主要是智能數(shù)字化制造和新型材料的應用，隨著紡織工業(yè)、智能數(shù)字化、新材料及3D打印技術等不同領域的融合發(fā)展，使得智能紡織品的生產(chǎn)制造更有靈活性，走向更具有個性化的生產(chǎn)模式。

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