3D打印在智能纺织领域的应用

时间：2024-04-08 10:35 来源：高分子材料成型原理作者：admin 阅读：次

       3D打印技术又名快速成型技术、增材制造等。它是以计算机三维设计模型为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用光束、热熔喷嘴等方式将塑料、金属粉末、陶瓷粉未等特殊材料进行层堆积黏结、叠加最终成型，制造出实体产品，将虚拟的实体模型数据转换成物理实体，被誉为第三次工业革命最具标志性的生产工具。
     3D打印使得智能纺织得到了极大的发展。由3D打印制成的智能纺织品具有制造成本大幅度降低、制造环节被有效简化、多种材料的组合、提升织物性能质量、实现可持续制造的优势。
成型方式
       3D打印技术有黏结成形、光敏成形、熔融成形、选择性激光烧结成形4种成形方法。每种方法适用于不同的材料。

      成形方式的多样化是目前3D打印技术在纺织行业发展成熟的见证。黏结成形技术是纺织类产品设计在着色工艺上发展成熟的表现，具体是将着色剂与黏合材料相结合，形成薄层并进行着色。光敏技术是运用光敏材料(UV树脂)，在光作用下堆积成形进行制造。熔融成形则是通过热塑性材料在高温腔体中熔化，形成液体，再被喷头均匀喷出并叠加成形。由此可见，这些技术的应用改变了纺织产品的制造方式，甚至影响到服饰产业的生产模式，因此，3D打印技术对纺织产品有着深远影响。
      智能纺织品可以包含光纤、相变材料、化学品或其他电子元件，为普通纺织品增加新的功能。越来越多的纺织材料正试图采用3D打印技术直接制造出具有复杂功能的智能纺织品，目前的研究主要集中在导电、形状记忆、温度调节和柔性电子元件等方面。
智能导电纺织品
       开发导电纺织品最常见的方法是在织物表面附着导电材料，实现方法包括层压、涂层、印刷、喷涂、离子电镀、化学镀层、真空金属化、阴极溅射和化学气相沉积等。3D打印机能够准确地打印出所定义的形状。通过这种方式，可以将导电纱线或涂层连接起来，特别是与无引线的SMD(表面安装设备)元件连接。同时，3D打印可以调整电子元件的结构，以实现与织物最合适的结构状态。德国比勒费尔德应用科学大学的Grimmelsmanna等,利用3D打印技术在使用导电Shieldex纱线织造的包含电路路径的面料上直接打印，使3D打印的物体作为导电线与小型电子元件之间连接，从而让纺织品发光，如下图所示。

作为纺织基材，选择了有肌理效果的、表面相对紧凑且均匀的单面钩花针织面料，使3D打印材料能更好地与织物黏结。开发者设计了一款SMD-LED电子元件，在纺织基材表面利用FDM技术实现制造。SMD.LED由黑色导电材料、非导电的白色PLA材料及LED三个部分组成。黑色导电部分主要起到电连接的作用，材料使用的是Proto-Pasta导电PLA长丝，挤出机温度207 ℃,打印床温度60 ℃,层高为0.2 mm,并对结构进行填充。白色部分为普通的PLA长丝，起到固定和连接的作用。具有导电特性的黑色长丝与Shieldex纱线连接，点亮纺织品上的LED。3D打印部件作为串联电阻，保护LED不受过高的应用电压而影响其正常工作，当内部电阳较低时，LED的亮度则较低，因为LED和3D打印部件连接串联电阳作为分斥器工作，较高电阳下的电压隆越高。
智能温控纺织品
具有调节温度的智能纺织品种类繁多，如当前市面上最为常见的温湿度调节纺织品，是通过去除多余的水分来降低人体温度，但这类纺织品只有在身体和织物之间的空气处于高湿度水平时才能被触发，这限制其在湿度水平较低时的应用。另外还有其他温控技术，包括带有相变材料的冷袋纺织品、空气冷却纺织品和液体冷却纺织品等，但也都有其局限性。研究人员为了解决这类问题，在开发热调节纺织品方面做了大量的工作。马里兰大学利用一种在聚乙烯醇(PVA)聚合物基体中嵌入了氮化硼纳米片(BNNSs)的复合材料进行3D打印，制成能使人体温度快速下降的智能温控纺织品，如图所示。

BNNSs具有二维结构，有高达2 000 W/(m·K)的平面内热导率，为了利用BNNSs的平面内热性能，片材必须有良好的排列方向和均匀的分散。由于BNNSS在PVA溶液中进行超声处理时可以通过吸收的聚合物促进结构稳定，因此可以实现均匀的分散，同时，在纤维打印和进一步的热拉加工过程中，通过单轴延伸流动引入了纳米复合纤维，其中BNNSs形成良好的排列方向，从而形成声子热传导的能量路径。高度定向且相互连接可以提供更多导热途径，从而有效地提高了a-BN/PVA复合纤维的热性能，a-BN/PVA纺织品可以沿看纤维释放人体产生的额外热量。纺织品将人体产生的额外热量沿纤维释放到周用环境中，从而为人体提供了热舒适的微气候，以达到降温的目的。
形状记忆纺织品
形状记忆聚合物是一种能记住原始形状的聚合物，在一定条件下改变其形状，并能通过施加如热、电、磁场等刺激，又恢复到原始形状的高分子材料。形状记忆聚合物最常使用的聚乳酸(PLA),也是3D打印中常使用的材料，因此形状记忆聚合物可以通过3D打印技术进行制作。目前对于使用3D打印技术打印形状记忆聚合物的相关研究，主要涉及材料的两方面，一类是使用百分百的纯聚乳酸作为形状记忆聚合物，但由于聚乳酸材料最长能延长10%,因此在进行打印之前需要对结构进行设计以克服这类限制。Langford等使用人字形折纸结构来解决这个问题，如图所示。图(a)是具有人字形折纸结构的3D打印物。

图(b)展示当折叠时，物体体积变小。当展开时，物体体积变大但物体上出现了细微的几条裂纹，如图(c)所示。

通常PLA长丝的恒定恢复率约61%,而人字形折纸结构的恢复率提升到约96%。另一类是采用聚乳酸复合材料进行3D打印。Guido Ehrmann、Andrea Ehrmann利用FDM 3D打印机，通过将80%的PLA与20%的Fe04混合，形成固体混合物并将其粉碎，然后在双螺杆挤压机中挤压打印了一种骨小梁多孔结构,如图所示。通过施加30 KHz的交变磁场，仅在14~24 s后就达到了95%以上的形状恢复。

智能电子纺织品
智能电子纺织品集成了传感器、微控制器、执行器、连接设备和能源等电子元件，传统的电子元件多由金属、塑料等材料制成，发生弯折、扭转、拉伸等情况时容易导致不可逆变形，从而影响电子元件的正常功能，但柔性材质的运用可以弥补上述问题。这类柔性电子元件不仅能够为人们的日常生活提供便携功能，而且由于其与人体皮肤接口的能力提高，还可以用来监测人体的健康信息。然而，柔性电子元件的传统加工技术，对于功能结构复杂的电子元件的加工会有局限。因此，3D打印的三维快速成型的加工方式受到关注。目前，各种3D打印技术已经广泛应用于结构性电子设备，为了增加对产品不同功能需求的适应性，越来越多的柔性材料被应用到3D打印技术中。例如杨慧等利用PCL10K和甲基丙烯酸异氰乙酯的化学反应合成的聚己内酯(PCL),可以作为3D打印的柔性材料。通过商用的SLA打印机将聚己内酯(PCL),打印成柔性装置，并在上面涂上导电材料，如银纳米粒子或碳纳米管(CNTS),形成具有形状记忆性能的3D打印柔性电子装置，如图所示。

其中，图(a)的设备由一个3D形状记忆聚合物打印物体组成。图(b)是在室温下将银纳米粒子以烧结工艺添加到具有形状记忆性能的3D打印物体表面，制造的柔性电温度传感器。图(c)中，当柔性电温度传感器遇到温度上升后，它的形状发生变化，由开放电路变成关闭电路并点亮发光二极管。使用3D打印技术打印的具有形状记忆行为的柔性传感器，不仅赋予了电子设备以新的功能，而且在改变人与电子设备的互动方式的同时，也在提高产品质量方面发挥了重要的作用。

结语
目前市面上有几十种3D打印机，不同类型的机器可以根据要求选择适合的打印材料，但3D打印技术无论是机器或材料都依然存在一定的局限性。3D打印智能纺织品，除了需要满足功能性外，还应满足最其本的织物属性，这些都受到3D打印机器和材料的限制，另外还有尺寸、强度、形变等也是需要关注的问题。3D打印智能纺织品主要是智能数字化制造和新型材料的应用，随着纺织工业、智能数字化、新材料及3D打印技术等不同领域的融合发展，使得智能纺织品的生产制造更有灵活性，走向更具有个性化的生产模式。

参考文献：

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[4]杨婧.3D打印技术在纺织服饰产品设计中的应用与发展[J].纺织报告,2022,41(07):20-21+27.

[5]陈常娟.3D打印技术在纺织服装产品设计中的应用[J].上海纺织科技,2020,48(08):1-4+8.

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