紡織品的增材制造——3D打印到4D打印的創(chuàng)新研究

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(yī)療衛(wèi)生用品的防護服到載人飛船中的艙內(nèi)航天服。紡織品從滿足人類的基本需求起步,并且不斷發(fā)展,紡織產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要驅(qū)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(xué)和力學(xué)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(fā)新的紡織品制造方法所面臨的主要挑戰(zhàn)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(jìn)的制造手段,與紡織品的融合最早可以追溯到20世紀(jì)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(yīng)用于時尚領(lǐng)域的小批量制造,如高端運動鞋、定制化服裝等。隨著新技術(shù)和新材料的發(fā)展,紡織品增材制造的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴大,涉及生物醫(yī)學(xué)、軟機器人、航空航天、軍事等眾多領(lǐng)域。

紡織品的增材制造是指使用增材制造技術(shù)與材料來制造紡織品結(jié)構(gòu)或者與紡織品結(jié)合制造新產(chǎn)品[1]。與傳統(tǒng)的等材制造和減材制造不同,增材制造是通過計算機創(chuàng)建三維數(shù)字模型,再對數(shù)字模型進(jìn)行分層切片處理,然后打印設(shè)備逐層將粉末、長絲或液體等各種形態(tài)的材料堆疊形成三維實物[2]。在紡織領(lǐng)域使用增材制造技術(shù)具有諸多優(yōu)勢,相較于傳統(tǒng)紡織品制造中多臺機器、多道工序的繁復(fù)流程,增材制造可以實現(xiàn)紡織品的一次性成形,從而大幅提高生產(chǎn)效率和資源利用率。它還可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定制化生產(chǎn),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(shè)計人員可以根據(jù)所需的產(chǎn)品,選擇合適的打印設(shè)備和打印材料快速制作出各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的紡織品,從而為紡織品的創(chuàng)新設(shè)計提供更多的可能性。增材制造技術(shù)早期多用于制造普通紡織品,通常以模仿傳統(tǒng)紡織品結(jié)構(gòu)或形態(tài)為主。隨著打印技術(shù)和智能材料的研發(fā)與應(yīng)用,增材制造也逐步向智能紡織品領(lǐng)域拓展。紡織品增材制造作為一個重要的研究領(lǐng)域,它推動著傳統(tǒng)紡織品行業(yè)向高端化、智能化方向發(fā)展,同時提高了行業(yè)的競爭能力和創(chuàng)新能力。本文簡要概述了3D打印到4D打印的演進(jìn),并對紡織品增材制造的技術(shù)類型與材料、工藝流程進(jìn)行了歸納與總結(jié),進(jìn)一步探討了紡織品增材制造的設(shè)計與制作思路,旨在為紡織品的高效制造與多元創(chuàng)新提供參考。

1 3D打印到4D打印的演進(jìn)

增材制造主要以3D打印技術(shù)的應(yīng)用為主,所以現(xiàn)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(shù)中的一種類型。3D打印技術(shù)早在19世紀(jì)末期就已經(jīng)產(chǎn)生了思想的萌芽,直到20世紀(jì)80年代各類主流技術(shù)才逐步出現(xiàn)。1986年,Chuck Hull發(fā)明了光固化立體成形(Stereo Lithography Appearance,SLA)技術(shù),這是一種利用激光凝固液態(tài)光聚合物逐層創(chuàng)建三維物體的技術(shù),它的出現(xiàn)為增材制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[3]。1992年,Carl Deckard開發(fā)了選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS)技術(shù),該技術(shù)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(shù)拓寬了增材制造的應(yīng)用范疇,使其涵蓋了更廣泛的材料。1993年,Scott Crump發(fā)明了熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling,FDM)技術(shù),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(shù)[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(yè)領(lǐng)域。2000年以后,3D打印技術(shù)開始在制造業(yè)中蓬勃發(fā)展[8]。最初的應(yīng)用僅限于工業(yè)領(lǐng)域的快速原型制作[9]。隨著打印技術(shù)與打印材料的快速發(fā)展,3D打印已經(jīng)擴散到幾乎所有的制造業(yè)[10]。

2010年以來,3D打印技術(shù)與紡織業(yè)的結(jié)合開始受到廣泛關(guān)注。3D打印紡織品的應(yīng)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(shè)計紡織品結(jié)構(gòu),然后選擇常規(guī)聚合物材料,并設(shè)置打印過程中的相關(guān)工藝參數(shù),以實現(xiàn)紡織品制件從設(shè)計到實體的制備成形一體化。如Beecroft[11]使用SLS技術(shù)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(xiàn)出與傳統(tǒng)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(xué)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(wěn)定的結(jié)構(gòu)制件。第二類是紡織品材料與結(jié)構(gòu)一體化。傳統(tǒng)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(chǎn)品,而增材制造技術(shù)可以直接將材料打印成所需的形狀,從而實現(xiàn)材料與結(jié)構(gòu)的一體化。如美國亞利桑那大學(xué)電子及計算機工程學(xué)系辛皓教授曾利用3D打印技術(shù)制作隱形斗篷。隱形斗篷通過做出類似超材料微觀組織結(jié)構(gòu)的變化,使光投射到它表面不反射、不折射、不透射,導(dǎo)致人類視覺無法看到它,以達(dá)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(yuǎn)是穩(wěn)定的。

4D打印概念最早由Tibbits提出[12],與3D打印技術(shù)密切相關(guān)。3D打印和4D打印可以看作是在增材制造領(lǐng)域中的不同階段或進(jìn)化,如圖1所示。3D打印是在三維空間中創(chuàng)建靜態(tài)的物體,而4D打印則在三維空間的基礎(chǔ)上增加了時間維度,并使用具有響應(yīng)性的材料或結(jié)構(gòu),使制件能夠在特定條件下發(fā)生形狀變化或執(zhí)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(nèi)部預(yù)設(shè)的機制來觸發(fā)。4D打印的目標(biāo)是制造更智能、自適應(yīng)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(fā)生可控變化。同樣是在紡織品領(lǐng)域得到應(yīng)用的先進(jìn)制造技術(shù),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(jié)構(gòu)與形態(tài)進(jìn)行數(shù)字化建模,而后選擇合適的打印技術(shù)和材料進(jìn)行實體打印。但是4D打印是把紡織品設(shè)計與智能材料相結(jié)合,所打印的微結(jié)構(gòu)可以在特定時間和激活條件下根據(jù)預(yù)先設(shè)計的軌跡進(jìn)行大小、形狀或功能的變化[13]。這種動態(tài)變化的成功開發(fā)主要取決于增材制造技術(shù)、智能材料、刺激因素、相互作用機制和數(shù)學(xué)建模[14]。其中智能材料及其對特定外部刺激的穩(wěn)健響應(yīng)是推進(jìn)4D打印技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。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(yīng)和特定領(lǐng)域的共同要求,如生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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(jié)構(gòu)的刺激驅(qū)動變形主要分為外部刺激和內(nèi)部刺兩種。外部刺激包括濕度、溫度、光、電場和磁場,而內(nèi)部刺激主要是細(xì)胞牽引力[21]。盡管4D打印技術(shù)還處于發(fā)展初期,但它已經(jīng)在紡織品領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

圖1 3D打印到4D打印的演進(jìn)

2 紡織品增材制造的技術(shù)類型及材料
不同的增材制造技術(shù)會使用不同的打印材料和凝結(jié)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(xiàn)高精度和高分辨率打印的設(shè)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(shù)類型提出了具體的要求,如打印質(zhì)量、打印速度、材料選擇、后期處理等。4D打印技術(shù)主要采用3D打印設(shè)備,但并不是每一種3D打印技術(shù)都適用于4D打印紡織品。這是因為技術(shù)類型對于打印材料的功能特性和打印結(jié)構(gòu)所需的驅(qū)動性質(zhì)至關(guān)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(yù)設(shè)的路徑逐層堆疊來創(chuàng)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(xiàn)方式多,所以材料擠出成形技術(shù)類型多種多樣,而FDM是此類技術(shù)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(tǒng)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)備造價與維護費用也較低。然而,這種打印技術(shù)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(shè)備的基本原理決定了該技術(shù)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(yōu)異性能的高性能復(fù)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(shù)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(gòu)建微結(jié)構(gòu),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(gòu)建物體的形狀和結(jié)構(gòu)。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(yīng)性和光響應(yīng)性,在特定條件下可以發(fā)生形變或其他反應(yīng)。而生物相容性聚合物是一類在與生物系統(tǒng)(如人體組織和細(xì)胞)接觸時不會引起不良反應(yīng)(如毒性、炎癥或免疫排斥反應(yīng))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(shù)縫合線、藥物釋放系統(tǒng)和組織工程支架[24-25]。

圖2 紡織品增材制造技術(shù)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(gòu)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(yīng)用于紡織品制造的光固化技術(shù)類型有SLA和數(shù)字光處理技術(shù)(Digital Light Processing,DLP)。SLA是應(yīng)用最為廣泛,也是最成熟的一種增材制造技術(shù)。它利用激光或紫外光按預(yù)先設(shè)定的切層信息選擇性地固化液態(tài)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(nèi)重新涂覆一層材料,再次進(jìn)行固化,如此循環(huán)往復(fù),直至整個制件打印完成,如圖2(c)所示。SLA技術(shù)打印速度較快,可以實現(xiàn)非常高的精度,適用于制造復(fù)雜的形狀和細(xì)小的結(jié)構(gòu),而且使用SLA技術(shù)打印出來的制件表面質(zhì)量高。但SLA設(shè)備和材料的成本較高,在打印完成后,制件還需要進(jìn)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(yīng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)和精細(xì)部件制造等優(yōu)點,但同時也有材料成本較高、耐久性相對較弱、對存儲環(huán)境要求嚴(yán)格等缺點,這些材料特性直接影響著紡織品的精度、質(zhì)量和力學(xué)性能。除此之外,SLA還可以打印具有高韌性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水凝膠,已有相關(guān)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(yīng)用潛力[26]。DLP和SLA都是基于光固化原理的增材制造技術(shù),它們的區(qū)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(shù)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(nèi)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(guān)系是非常重要的參數(shù)。

噴射式成形按照材料的物理形態(tài)不同可分為粉末噴射和液體噴射兩種,它們的區(qū)別主要在于噴射材料和噴射原理。紡織品領(lǐng)域應(yīng)用的噴射式成形技術(shù)類型包括黏結(jié)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(jié)劑,黏結(jié)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(fā)生反應(yīng)的黏結(jié)劑,可以通過加入具有黏結(jié)作用的物質(zhì)來實現(xiàn)黏結(jié)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(jié)構(gòu),可以通過未黏結(jié)的粉末材料來支撐懸空結(jié)構(gòu),減少了支撐材料去除對結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的限制,這意味著BJ為制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更大的自由度。當(dāng)打印完成后,需要一些后續(xù)處理措施來達(dá)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(guī)模的生產(chǎn),可以高效生產(chǎn)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(shù)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(shù),PolyJet打印系統(tǒng)主要由紫外線光源、打印部件、材料容器和構(gòu)建平臺等組成。打印過程需先將液態(tài)材料加熱到最佳的擠出與成形黏度,而后噴頭將液態(tài)材料的微小液滴以一定的響應(yīng)率和速度噴射到指定位置,然后紫外光固化沉積液態(tài)材料以形成三維實體,如圖2(f)所示。PolyJet技術(shù)能夠混合多種材料,創(chuàng)建具有漸變性質(zhì)或復(fù)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(xué)性能的紡織品。PolyJet還可以在同一打印過程中實現(xiàn)顏色和材料的多樣化,制造具有復(fù)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(yōu)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(shù)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(shù)。SLS成形原理是首先在打印平臺上鋪設(shè)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(jié)在一起。接著打印平臺下降一層,再次鋪設(shè)一層粉末材料,并重復(fù)上述加熱和黏結(jié)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(yù)熱、成形和冷卻3個階段[31]。在打印開始之前,需對成形腔內(nèi)的粉末材料進(jìn)行預(yù)熱,然后將預(yù)熱溫度下的粉末進(jìn)行循環(huán)鋪設(shè)與激光掃描的周期性過程,打印結(jié)束后,必須在粉末床完全冷卻后才能將制件取出。SLS技術(shù)可打印高分子、金屬、復(fù)合材料等多種粉末材料,成形速度快[32]。其中尼龍及其復(fù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)、支持打印復(fù)雜的形狀、能實現(xiàn)相對較高的精度和分辨率、而且?guī)缀鯖]有廢料產(chǎn)生,有助于減少材料浪費。盡管SLS打印紡織品的優(yōu)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(zhì)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(shè)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(shù),SLS的打印速度可能相對較慢,尤其是對于大型和復(fù)雜的制件。在選擇使用SLS打印紡織品時,應(yīng)綜合考慮這些優(yōu)勢和劣勢,權(quán)衡其適用性和成本,具體取決于特定應(yīng)用的需求和制造目標(biāo)。

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(shù)字化設(shè)計、材料多樣性、減少浪費、定制和個性化、快速原型設(shè)計、后處理要求、設(shè)備和工藝優(yōu)化[33]。增材制造是自下而上逐層制造物體,這與傳統(tǒng)紡織品制造有著本質(zhì)區(qū)別。這種方法可以制造出復(fù)雜的形狀和特殊的結(jié)構(gòu),而這種復(fù)雜性和特殊性可能是傳統(tǒng)的制造方法無法實現(xiàn)的,或者制造成本非常高昂。增材制造以數(shù)字3D模型為起點,通常是在計算機輔助設(shè)計(Computer-Aided Design,CAD)軟件中創(chuàng)建,然后將其切成薄層進(jìn)行打印。數(shù)字化設(shè)計允許對模型進(jìn)行快速修改并直接輸入3D打印機,從而簡化了從設(shè)計到生產(chǎn)的流程。由于增材制造是添加材料而不是去除,因此與傳統(tǒng)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(huán)境的影響,符合可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)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(dá)到所需的力學(xué)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(shù)進(jìn)行紡織品制造至關(guān)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(chǎn)品從設(shè)計、生產(chǎn)到消亡的整個生命周期�；�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(guān)鍵步驟,包括創(chuàng)建CAD模型、處理模型、打印前準(zhǔn)備、打印模型、取出打印制件、后期處理、應(yīng)用[34],如圖3所示。在進(jìn)行紡織品設(shè)計之前首先需要明確設(shè)計目標(biāo),然后以設(shè)計目標(biāo)為依據(jù),使用CAD軟件創(chuàng)建紡織品三維數(shù)字模型,并將構(gòu)建好的數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為適用于增材制造打印機的STL文件格式,并進(jìn)行必要的調(diào)整和設(shè)置。這些參數(shù)設(shè)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(shù)量(影響細(xì)節(jié))、網(wǎng)格質(zhì)量(影響整體網(wǎng)格完整性)、文件大小(影響傳輸和處理速度)和切片設(shè)置(打印機專用指令)[33]。生成STL文件的參數(shù)通常手動配置,在某些先進(jìn)的增材制造系統(tǒng)中,這些參數(shù)還可以根據(jù)材料和目標(biāo)自動優(yōu)化。完成了數(shù)字模型可打印處理后,將STL文件添加到打印設(shè)備中,根據(jù)設(shè)計目標(biāo)選擇合適的打印設(shè)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(yù)期目標(biāo),有些參數(shù)需要在打印過程中對打印機進(jìn)行設(shè)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(shè)置首層的打印參數(shù)及其余層的打印參數(shù),相關(guān)參數(shù)設(shè)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(shù)需要利用支撐來支持打印物體中的空隙結(jié)構(gòu)或懸空結(jié)構(gòu),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(jìn)一步地精加工,如清潔、染色、涂裝等,以實現(xiàn)紡織品所需的最終效果。

圖3 紡織品增材制造的流程

4 紡織品增材制造的設(shè)計與制作思路
紡織品增材制造的設(shè)計與制作思路與傳統(tǒng)的制造方法有顯著區(qū)別。增材制造的設(shè)計與制作思路強調(diào)在設(shè)計階段就充分利用增材制造的獨特優(yōu)勢,如設(shè)計自由度和材料優(yōu)化等,同時也考慮到生產(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,它是一種結(jié)合了生物啟發(fā)設(shè)計與增材制造技術(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、機械工程、計算機技術(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。簡而言之,紡織品的性能特點基本上都來源于構(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,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,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特的優(yōu)勢。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,打印出的纖維狀傳感器可以彎曲、伸展,并且能夠檢測和區(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,從而有可能推動假肢皮膚、仿生器官和人機界面的發(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)計模型、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和密度、多材料打印、后處理,以及測試和優(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。編織織物的特點是密度較高,手感較硬,強度和耐磨性較好,同時具有良好的防風(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)計織物的微觀結(jié)構(gòu)時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,織物的高度會增加1倍。雖然制件達(dá)到了類似紡織品的柔韌性,但實際的厚度卻比較厚。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步驟。生產(chǎn)流程中的每個步驟都需要仔細(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,實現(xiàn)了非織造布的制造過程一體化和制造步驟簡單化。目前,柔性紡織品增材制造已經(jīng)從簡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(Objet500 Connex3)對形狀記憶聚合物進(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。他們對制件結(jié)構(gòu)的形狀變化進(jìn)行評估,并得出形狀變化的速度取決于溫度。在溫度為80 ℃的實驗室中,所有的幾何結(jié)構(gòu)都在不到10 s的時間內(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)用于無法手動實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化和無法進(jìn)行機電驅(qū)動的應(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。時裝設(shè)計師Giusti與3D打印數(shù)字制造實驗室(Superforma Fablab)合作,并使用Superforma Fablab的Delta WASP 3MT打印機將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,擠出機溫度、平臺溫度、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稱超級電容器。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存器吸收勢能。Schmelzeisen等[50]在滌綸面料上打印TPU(藍(lán)色)和PLA(白色),以制造可用于能量儲存或能量傳輸?shù)闹悄芗徔椘?如圖8所示。他們將所設(shè)計的結(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,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,材料變得堅硬并保持臨時形狀。然而,將圓柱體重新加熱后它又會展開,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)�極端環(huán)境作出反應(yīng),并釋放出保護穿著者免受危險環(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)計是指受生物學(xué)原理啟發(fā)對生物體的外在形態(tài)與內(nèi)在功能進(jìn)行創(chuàng)新性模仿及應(yīng)用的過程。對于生物外在形態(tài)的模仿在服裝創(chuàng)意設(shè)計中應(yīng)用較多,設(shè)計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)計靈感并以仿生設(shè)計元素形式呈現(xiàn)在服裝作品中,既豐富了服裝設(shè)計的造型,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)計了Hard Copy系列[52],該系列使用多材料3D打印機打印硬質(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)實與虛擬、2D與3D交錯的服裝作品。另外,戲劇時裝設(shè)計師Frederick Lee與新加坡時裝設(shè)計公司合作設(shè)計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4個多月制作完成,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,對于功能仿生的探索也是研究的熱點。智能仿生紡織品就是將仿生設(shè)計原理、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�；�于增材制造技術(shù)的功能仿生設(shè)計最早進(jìn)行相關(guān)研究的是哈佛大學(xué)的Lewis團隊。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,蘭花表現(xiàn)出從盛開到閉合或者不同運動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)動性可以為軟體機器人制造更堅韌、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代,人們用手工織布機或簡單的織布工具將纖維或紗線編織成織物。隨著時間的推移,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,是一項集機械、材料、計算機、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打印的智能材料對于推動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不斷發(fā)展的研發(fā)領(lǐng)域,但它對紡織業(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新的水平,有望顛覆傳統(tǒng)紡織品設(shè)計、紡織品制造及與紡織品的交互方式。

（參考文獻(xiàn)略）