1. 東華大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051；2. 同濟(jì)大學(xué)上海國際設(shè)計創(chuàng)新研究院，上海 200051

3D打印技術(shù)是一種通過逐層增加材料來生成三維實(shí)體的快速增材制造技術(shù)[1]。3D打印技術(shù)使得產(chǎn)品的制造更加智能、精準(zhǔn)和高效[2]。近年來，3D打印技術(shù)得到了快速發(fā)展和廣泛運(yùn)用。它作為一種新的制造工藝，極大地推動了現(xiàn)代制造技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，同時帶動了各個產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級。3D打印技術(shù)的進(jìn)步為功能性紡織品的發(fā)展提供了契機(jī)。我國對功能性紡織品的需求量很大，主要是舒適功能紡織品，它們在醫(yī)療保健、衛(wèi)生、防護(hù)及環(huán)保等領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。功能性紡織品要具備舒適、衛(wèi)生、防護(hù)、保健、可調(diào)節(jié)等功能[3]，用于醫(yī)療和環(huán)保等領(lǐng)域時還要滿足生物相容性和安全性等要求。

1 3D打印材料現(xiàn)狀

1.1 3D打印材料的產(chǎn)業(yè)規(guī)模

3D打印技術(shù)已在工業(yè)制造、建筑工程、航空航天及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。3D打印產(chǎn)業(yè)主要由制造裝備、材料與服務(wù)組成，其中2017年材料的貿(mào)易額占比為26.9%[5]。圖1給出了2017年3D打印產(chǎn)業(yè)中制造裝備、材料、服務(wù)的產(chǎn)值占比。目前，3D打印材料主要有塑料、金屬材料、陶瓷材料和碳纖維增強(qiáng)塑料等類別。表1歸納了這四種3D打印材料的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范疇。

圖1 2017年3D打印產(chǎn)業(yè)中制造裝備、材料、服務(wù)的產(chǎn)值占比

3D打印材料優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用范疇塑料丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物具有良好的熱熔性、沖擊強(qiáng)度日用品、工程用品和部分機(jī)械用品聚己內(nèi)酯具有可降解性、較低的熔點(diǎn)(約60 ℃)、極好的生物相容性藥物傳輸設(shè)備、縫合劑光敏樹脂具有較快的固化速度,表干性能優(yōu)異高精度汽車、電子產(chǎn)品金屬材料鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金、鎂合金生產(chǎn)效率高,質(zhì)量高,制備成本低航空航天、醫(yī)療、工業(yè)產(chǎn)品氧化鋁陶瓷具有高抗彎強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)良的抗磨損性等刀具、磨輪、球閥、軸承陶瓷材料碳化鈦陶瓷具有較高的熔點(diǎn)、熱穩(wěn)定性、屈服強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度,良好的耐腐蝕性和抗氧化性,常溫下具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能航空航天、高端武器、船舶、汽車、電子產(chǎn)品碳纖維增強(qiáng)塑料短碳纖維增強(qiáng)改性工程塑料、連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料及復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高沖擊韌性、耐熱耐腐蝕性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱、可循環(huán)利用等特點(diǎn)航空航天、高鐵、新能源、汽車、機(jī)械、電子、體育運(yùn)動器材和醫(yī)療器材

1.2 3D打印技術(shù)在功能性紡織品中的應(yīng)用

功能性紡織品是指具有某些特殊性能，能滿足人們特殊需求的紡織品[6]。利用3D打印技術(shù)，可將3D打印材料置于紡織品內(nèi)部或外部，賦予紡織品新的功能特性。3D結(jié)構(gòu)可黏附在紡織品表面，通過相應(yīng)功能材料的添加，使紡織品具備期望的物理化學(xué)特性。2016年，以色列Nano Dimension公司與一家歐洲的功能性紡織品公司合作，嘗試在織物上打印導(dǎo)線，成功獲得了具備導(dǎo)電功能的織物[7]。英國Tamicare公司開發(fā)出一個制造系統(tǒng)Cosyflex，用于生產(chǎn)3D打印智能紡織品，其可將傳感器和導(dǎo)線與織物同時進(jìn)行打印，制造出一系列導(dǎo)電紡織品[8]。

3D打印材料種類繁多，不同的3D打印機(jī)器和技術(shù)可以打印不同的材料，生產(chǎn)出不同功能的產(chǎn)品。將3D打印技術(shù)與紡織品以不同方式結(jié)合，可以達(dá)到不同的效果。例如，通過3D打印技術(shù)在紡織品表層直接打印3D打印材料，可達(dá)到美觀、裝飾、耐久的效果；使用3D打印技術(shù)打印出不同的3D結(jié)構(gòu)，并將3D結(jié)構(gòu)與紡織品黏合，可賦予紡織品相應(yīng)的功能；將具有導(dǎo)電導(dǎo)熱能力的3D打印材料，如碳纖維增強(qiáng)材料，應(yīng)用于紡織品中間層或底層，可賦予紡織品導(dǎo)電和導(dǎo)熱功能?；?D打印技術(shù)和3D打印所使用材料的不斷突破，3D打印材料或3D結(jié)構(gòu)(統(tǒng)稱“3D打印件”)與功能性紡織品相結(jié)合，可使功能性紡織品獲得多樣的外觀，或賦予功能性紡織品自身不能實(shí)現(xiàn)的功能，如導(dǎo)電導(dǎo)熱等。目前，我國的3D打印技術(shù)正在高速發(fā)展，3D打印所使用材料正呈功能多樣化趨勢發(fā)展，3D打印技術(shù)與功能性紡織品結(jié)合，對我國智能化紡織品的研究將起到一定的推動作用。

1.3 3D打印技術(shù)應(yīng)用于功能性紡織品的基本要求

(1) 功能性。在3D打印材料中融入功能性添加劑，如含有聚乳酸(PLA)纖維的3D打印顏料可以呈現(xiàn)出不同的顏色，并且具有熒光或金屬效果；或?qū)?D結(jié)構(gòu)功能化，即通過3D打印，引入具有裝飾性和功能性的結(jié)構(gòu)元件，如用于連接、錨固和防護(hù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，如圖2所示[9]。

圖2 3D打印件實(shí)例——錨固和連接元件

(2) 穩(wěn)定性。除了通過3D打印技術(shù)在紡織品表面實(shí)現(xiàn)簡單的功能外，3D打印件與紡織品穩(wěn)定結(jié)合也是一個重要前提。3D打印件與紡織品結(jié)合成為一個整體，在其使用過程中，會經(jīng)受洗滌和磨損等作用，影響其穩(wěn)固性的最重要因素是3D打印件與紡織品之間的黏附性。

(3) 具備吸濕、保溫、防水、透濕、抗菌、防霉、防污、防火、防靜電、環(huán)保、可調(diào)節(jié)及防過敏等功能性紡織品的基本特性[10]。

2 3D打印功能性紡織品的研究成果及發(fā)展趨勢

2.1 研究成果

目前，國內(nèi)外的3D打印技術(shù)雖日漸成熟，但仍處于發(fā)展階段。3D打印技術(shù)與功能性紡織品結(jié)合所體現(xiàn)的作用是提高紡織品的導(dǎo)熱性、耐磨損性等功能，或呈現(xiàn)多樣化的裝飾效果。

武漢紡織大學(xué)開發(fā)出適用于3D打印的光固化蠟和高性能光固化樹脂材料。該材料是利用納米增韌劑和芳綸短纖維、漿粕增強(qiáng)劑改性丙烯酸酯類樹脂，通過樹脂增韌增強(qiáng)技術(shù)改性得到的，具有低收縮率、高精度和優(yōu)異的力學(xué)性能等特點(diǎn)[11]。

瑞典博羅斯大學(xué)(University of Bor?s)、法國國立藝術(shù)與紡織工業(yè)學(xué)院(ENSAIT)、法國里爾一大GEMTEX(GEnie et Matériaux TEXtiles)實(shí)驗室、法國北部里爾大學(xué)(Université Lille Nord de France)及蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院聯(lián)合進(jìn)行了“聚合物和納米復(fù)合材料直接3D打印在紡織品上的黏附性能”的研究，結(jié)果表明PLA纖維絲對PLA織物的黏附性最大。此研究使用3D打印技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴墨打印技術(shù)，并且使用的PLA材料具有可持續(xù)、生態(tài)環(huán)保等特點(diǎn)，因此其研究成果肯定了使用3D打印技術(shù)制造環(huán)保和智能功能性紡織品的可能性[12]。

德國下萊茵應(yīng)用技術(shù)大學(xué)和比勒費(fèi)爾德中型企業(yè)應(yīng)用技術(shù)大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行了“機(jī)織物融入3D打印元素增強(qiáng)織物力學(xué)性能”的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用3D打印技術(shù)將碳纖維打印在機(jī)織物上(圖3)，織物的橫向拉伸強(qiáng)度較未打印碳纖維時增大[13]。

(a) 未打印碳纖維的機(jī)織物

(b) 打印碳纖維的機(jī)織物

2.2 發(fā)展趨勢

近年來，我國對功能性紡織品的需求逐漸增多，這在一定程度上推動了功能性紡織品的研究和開發(fā)進(jìn)程。3D打印技術(shù)的逐步成熟與發(fā)展，推動功能性紡織品往智能化、多功能化的方向發(fā)展。3D打印功能性紡織品的發(fā)展趨勢可以從以下方面體現(xiàn)：

(1) 智能化。將3D打印技術(shù)與功能性紡織品相結(jié)合，可促進(jìn)我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，如制備智能繃帶、智能穿戴設(shè)備等，同時也可促進(jìn)我國軍事事業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，如開發(fā)帶有傳感器的服裝等。目前，出現(xiàn)了將電子工業(yè)和紡織領(lǐng)域的生產(chǎn)工藝相結(jié)合制備智能紡織品的發(fā)展趨勢。

(2) 環(huán)保。功能性紡織品的發(fā)展主要指向環(huán)保且可循環(huán)。3D打印材料層出不窮，目前已出現(xiàn)許多生態(tài)環(huán)保、可降解的3D打印材料，如利用植物資源制成的PLA(聚乳酸)。利用3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)功能性紡織品結(jié)合，可獲得新型生物降解紡織品、可重復(fù)使用織物等環(huán)保型的功能性紡織品。

(3) 高性能。在傳統(tǒng)紡織品中嵌入3D打印材料，可增強(qiáng)紡織品的某些性能。CHEN等[14]將3D打印技術(shù)和靜電紡絲結(jié)合，得到了能快速響應(yīng)和可設(shè)計性增強(qiáng)的水凝膠致動器。

(4) 形式多樣化。3D打印技術(shù)在功能性紡織品中應(yīng)用，比如在紡織品上直接打印3D打印材料，或?qū)?D打印結(jié)構(gòu)黏附于紡織品上，使得功能性紡織品的形式更加多樣化，為功能性紡織品的發(fā)展提供更多的可能性。

3 結(jié)語

本文分析了3D打印材料現(xiàn)狀，通過分析目前3D打印技術(shù)和功能性紡織品結(jié)合的研究成果，指出未來基于3D打印技術(shù)的功能性紡織品的發(fā)展趨勢；總結(jié)了3D打印技術(shù)在功能性紡織品中的應(yīng)用，目前主要通過利用3D打印技術(shù)在紡織品上直接打印3D打印材料，以及利用3D打印技術(shù)打印出3D結(jié)構(gòu)再黏附于紡織品上兩種途徑，尚未涉及利用3D打印技術(shù)直接制備功能性紡織品。筆者認(rèn)為，目前的工業(yè)技術(shù)發(fā)展很難突破不能直接利用3D打印技術(shù)制備功能性紡織品的局限，因為所得制品無法滿足紡織品的舒適功能要求。隨著社會經(jīng)濟(jì)和生活水平的提高，功能性紡織品將在保證其舒適、衛(wèi)生、防護(hù)、保健、可調(diào)節(jié)等功能的前提下，往智能、環(huán)保、高性能及形式多樣的方向發(fā)展。3D打印技術(shù)為此提供了一定的可能性。