3D打印如何改變紡織行業(yè)？

導讀：近年來，3D 打印徹底改變了多個行業(yè)，現(xiàn)在它正在改變紡織品生產(chǎn)領域。南極熊將探討3D打印技術在現(xiàn)代紡織工業(yè)中發(fā)揮的關鍵作用。



一、什么是 3D 打��？
3D 打印，也稱為增材制造，是一項創(chuàng)新的制造技術，已迅速成為最重要的制造方法之一。在這個過程中，產(chǎn)品是根據(jù)特定的計算機輔助設計逐層構建的。在過去的幾十年中，已經(jīng)開發(fā)了幾種不同類型的 3D 打印工藝，包括熔融沉積建模、立體光刻、選擇性激光燒結、選擇性激光熔化、數(shù)字光處理和熔絲制造。

與傳統(tǒng)制造相比，3D打印方法具有多項優(yōu)勢，包括成本效益、時間短、能源節(jié)約、材料浪費顯著減少以及高設計自由度。制造業(yè)、航空航天、交通運輸、航天工業(yè)和建筑等多個行業(yè)已經(jīng)廣泛探索了這些方法的使用，并廣泛實施了 3D 打印技術。

二、3D打印如何幫助紡織行業(yè)？
3D打印織物領域處于起步階段，使用3D打印生產(chǎn)紡織品具有很大的優(yōu)勢。紡織業(yè)是水和物質資源的主要消耗者，給環(huán)境增加了很大的負擔。目前，全球紡織業(yè)不可持續(xù)的現(xiàn)象日益明顯，科學家們正在不斷探索新的途徑來改變該行業(yè)。

●3D 紡織品打印有可能顯著減少生產(chǎn)用于服裝和家具等用途的面料所需的資源數(shù)量。流程可以簡化，使用更少的原材料、化學品和水。

●此外，使用 3D 打印方法可以顯著減少產(chǎn)生的廢料量。

●其他好處包括減少能源需求和碳排放、節(jié)省成本和增強設計自由度。

●多材料打印能力為傳統(tǒng)制造技術無法實現(xiàn)的先進、創(chuàng)新材料設計提供了機會。

●3D 打印實現(xiàn)的另一項關鍵創(chuàng)新是制造具有嵌入式功能和獨特結構的“智能”材料。


△Uncommon Alchemy用海藻打造可持續(xù)紡織品

簡而言之，3D 打印是紡織行業(yè)的革命性解決方案。

三、3D 打印紡織品：靈活性和耐磨性問題
與傳統(tǒng)制造的紡織品相比，3D 打印織物的一個關鍵挑戰(zhàn)是它們的相對剛度，這限制了它們的耐磨性和舒適性。近年來，一些 3D 打印紡織品已被引入市場，但這些織物的廣泛商業(yè)可行性受到此問題的限制。

研究人員已經(jīng)提出了一些解決方案來克服這一限制并使得3D打印織物具有可拉伸性、柔軟性和柔韌性等特性。三種主要方法是打印柔性結構單元、打印纖維和在紡織品上打印。

現(xiàn)已有幾項研究探索了這個問題，為完全靈活和可穿戴的 3D 打印織物提供了不同的途徑。例如，某些研究人員探索了具有鎖子甲結構、幾何結構和仿生結構的織物的發(fā)展。還有的研究者探索了將3D打印聚合物直接沉積在傳統(tǒng)織物上以生產(chǎn)具有獨特結構和功能的織物。


△鎖子甲結構

四、3D打印織物的新研究

●近年來，針織品在世界各地生產(chǎn)，但使用傳統(tǒng)針織方法生產(chǎn)服裝的過程非常耗費資源，極大地增加了紡織行業(yè)的碳足跡。人們對 3D 針織品進行了研究，New Industrial Order等公司開發(fā)了可以 3D 打印單根纖維的機器。這項技術有望提高服裝制造的循環(huán)性。衣服可以按訂單生產(chǎn)，節(jié)省成本、材料、能源和浪費。無縫結構允許重復使用紗線來制造新服裝。


△New Industrial Order針織品

●麻省理工學院在軟織物方面的工作：麻省理工學院的研究人員用TPU開發(fā)出柔軟的面料。他們主要開發(fā)了一種新的打印材料的結構。研究人員受到膠原蛋白的啟發(fā)，膠原蛋白是生物有機體中的主要蛋白質之一，具有交織在一起的結構，具有增強的柔韌性和強度。研究人員提出，他們的創(chuàng)新可用于紡織行業(yè)以及醫(yī)療領域，如心血管支架、外科網(wǎng)片和支架。



△麻省理工學院的 3D 打印面料輕薄、柔軟且富有彈性。

●生產(chǎn)具有增強冷卻功能的3D打印織物：馬里蘭大學的科學家們已經(jīng)開發(fā)出具有先進散熱能力的 3D 打印材料。該材料的創(chuàng)新結構由聚乙烯醇和氮化硼組成，可最大限度地提高導熱性，以一種方式將熱量吸入材料并從另一種方式排出。從本質上講，這將織物變成了一種低成本、無動力的空調，適用于運動服和日常服裝。


△馬里蘭大學特殊的 3D 打印面料設計為穿著者降溫

●NASA 的 Scale Maille 項目：太空探索領域需要能夠應對嚴酷極端環(huán)境的材料。處于 3D 打印技術前沿的美國宇航局一直在尋求開發(fā)能夠增強絕緣和保護外層空間惡劣環(huán)境的織物。NASA 正在進行的一個項目是生產(chǎn)“scale maille”，它可以用創(chuàng)新的柔性金屬一體打印。它類似于鱗甲，具有增強的熱控制、柔韌性、可折疊性和強度。幾何形狀和功能都可以打印，美國宇航局的科學家將其稱為“4D打印”。


△可按需加固的智能鎖子甲面料

●具有增強保護性能的材料：Wang 等人的一項研究。使用選擇性激光燒結技術生產(chǎn)了一種創(chuàng)新的 3D 打印保護材料。這種材料由互鎖的顆粒顆粒組成，可以在柔軟、柔韌、耐磨的狀態(tài)和硬化的保護狀態(tài)之間切換。當施加壓力時，這些粒子會互鎖并形成堅硬的鏈甲狀結構，其剛度是其松弛狀態(tài)的 25 倍。分析表明，在這種硬化狀態(tài)下，材料可以承受超過材料重量三十倍的載荷。（相關鏈接：DOI: 10.1038/s41586-021-03698-7）



●3D打印電子材料：Zhang等人已經(jīng)使用 3D 打印創(chuàng)建了一種導電材料。該材料由碳納米管的導電芯和絲素蛋白介電護套組成。這種智能材料可用于多種可穿戴電子設備的生物電采集織物。（相關鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.02.003）


△3D打印電子材料

總結
3D 打印為紡織行業(yè)及相關領域提供了一些創(chuàng)新的解決方案。雖然仍處于起步階段，但已經(jīng)為當前商業(yè)需求提供了許多解決方案，以此證明了3D打印在該領域的潛力。隨著該領域的發(fā)展，3D 打印織物的制造無疑將不斷創(chuàng)新發(fā)揮其更大的作用。