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        紡織業(yè)的3D技術(shù)創(chuàng)新

        2020-11-26 06:05:53
        中國(guó)纖檢 2020年11期
        關(guān)鍵詞:紡織品紡織沉積

        3D打印(3DP)的出現(xiàn)吸引了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和業(yè)余愛(ài)好者的極大興趣,因?yàn)樗且环N通過(guò)自下而上的制造方法,以分層(lbl)生產(chǎn)的新方法,又稱為“加法式”的制造方法(與術(shù)語(yǔ)3DP互換使用),它通過(guò)添加材料并隨后固化制造產(chǎn)品,與傳統(tǒng)的減法制造方法不同,減法制造方法是將材料從一塊材料中移除來(lái)創(chuàng)建產(chǎn)品。

        使用3DP方法,從軟彈性體到硬陶瓷和金屬,從固體到多孔結(jié)構(gòu)的物體,均可制造從幾微米到幾米大小的物體。盡管許多研究和工業(yè)領(lǐng)域都受益于3DP技術(shù),但紡織制造業(yè)采用3DP尚缺乏技術(shù)支持。這是因?yàn)榧徔棽牧虾图徔椊Y(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和纖維形成聚合物數(shù)量有限所致。要在現(xiàn)有的條件下實(shí)現(xiàn)3DP技術(shù),在目前的紡織業(yè)中并不容易。此外,紡織結(jié)構(gòu)本身需要異質(zhì)性和程序化的連續(xù)性,因此這很難實(shí)現(xiàn)高分辨率的3DP。

        常見(jiàn)的3DP方法有(a)熔融沉積建模(FDM);(b)直接噴墨(DIW);(c)粘結(jié)劑噴射;(d)還原光聚合;(e)粉床熔合;(f)定向沉積。

        有前途的技術(shù)

        3DP一詞廣泛用于包括許多具體的特定技術(shù),這些技術(shù)的區(qū)別在于(液態(tài)或固態(tài))的初始材料或原料形式、材料的沉積(通過(guò)噴嘴或材料的累積實(shí)現(xiàn))和物體的固化(熱或光硬化)。雖然描述每一種3DP方法超出了本文的范圍,但仍可參考最近的研發(fā)評(píng)論。

        有兩種3DP技術(shù)在紡織技術(shù)上顯示出應(yīng)用前景——材料擠壓和還原光聚合。材料擠壓3DP工藝包括推動(dòng)材料通過(guò)可編程噴嘴鏈接到計(jì)算機(jī)控制的平移臺(tái)上,以創(chuàng)建3D零件,即lbl。這包括基于絲狀的擠出法,其中熱塑性長(zhǎng)絲熔化后用作打印材料,還包括諸如熔融沉積建模(FDM)和直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)等技術(shù)。

        另一種材料擠壓技術(shù)包括基于滴管的擠壓,如噴墨打印和直接按需打印。在基于液滴的擠壓中,印刷材料通常是低黏度的流體,沉積在基板上凝固成形。還原光聚合(也稱為立體平版印刷或SLA)通過(guò)固化光聚合物形成三維部件——軟材料,在紫外線(UV)光照射(在某些情況下可見(jiàn)光)下從液體凝固為固體。

        研發(fā)的局限

        紡織品是通過(guò)獨(dú)特的制造和組裝方法生產(chǎn)的。幾千年來(lái),它們的基本底層結(jié)構(gòu)一直沒(méi)有改變;在紡織結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)中,高縱橫比的纖維(長(zhǎng)度的數(shù)量及較大的直徑)被組裝成紗線,然后編織或針織成紡織品。另外,也可以直接用纖維或聚合物生產(chǎn)無(wú)紡品。這些織物隨后被制成產(chǎn)品。這種結(jié)構(gòu)層次是必要的,以獲得表面上相互沖突的紡織品性能要求,如強(qiáng)度和柔韌性。由此可明顯看出,在整個(gè)紡織制造過(guò)程中,起始原料(聚合物)在機(jī)械性能和孔隙率方面經(jīng)歷了廣泛的變化。

        紡織性能的演變,如聚合物加工成纖維、紗線、機(jī)織/針織物和無(wú)紡。(a)拉伸強(qiáng)度和(b)拉伸模量被繪制成體積比的函數(shù)。(c)孔隙度的演變作為紡織品等級(jí)的過(guò)渡。從已公布的數(shù)據(jù)中獲得的值用于最常見(jiàn)的紡織材料(棉花、聚酯、羊毛、尼龍及其混紡物)。

        此外,大多數(shù)紡織品僅由纖維形成聚合物的一小部分組成:纖維素、蛋白質(zhì)、聚酰胺(PAs)、聚酯[包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚丁烯對(duì)苯二酸酯(PBT)]、聚丙烯腈(PAN)和聚烯烴[包括聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)]。纖維形成聚合物可被認(rèn)為是聚合物廣泛的制造方法。

        目前使用的一些材料在各類3DP技術(shù)中可被用于某些專業(yè)技術(shù)紡織應(yīng)用,如聚己酸內(nèi)酯、PP、PA技術(shù),如直接噴墨打印和熔融沉積成型(FDM)、聚合物粉末的尼龍和聚氨酯(PU)的選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)。然而,如何利用這些材料來(lái)制作傳統(tǒng)使用的紡織品仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。紡織品另一需要考慮的重要方面是其編程的不均勻性和各異向性,這使其具有空隙的結(jié)構(gòu)和方向性。而紡織品最需要的透氣性、舒適性和靈活性也成為受限的條件。

        服裝與紡織結(jié)構(gòu)

        3DP技術(shù)的某些應(yīng)用上,雖然與紡織品3DP沒(méi)有直接關(guān)系,但已創(chuàng)造了具有計(jì)劃的異質(zhì)性和空隙結(jié)構(gòu),主要用于生物系統(tǒng),如組織支架。這些技術(shù)包括使用集成的組織器官打印機(jī)(ITOP)來(lái)創(chuàng)建由細(xì)胞負(fù)載的水凝膠和可生物降解聚合物組成的人體規(guī)模的組織結(jié)構(gòu),以及連續(xù)的液體界面生產(chǎn)(CLIP),一種還原光聚合技術(shù),以創(chuàng)建從50μm到大于 20厘米的無(wú)層無(wú)縫中空結(jié)構(gòu)。

        一些研究人員和設(shè)計(jì)師利用3DP工藝制作出可穿戴的服裝,比如利用PA的SLS設(shè)計(jì)出一件懸垂裙,即SLS將薄薄的PU細(xì)絲疊放在一起,制成一件蕾絲質(zhì)感的連衣裙,與3D打印流體通道相結(jié)合,形成可穿戴產(chǎn)品。但不能由此定義其他紡織品,而是加入/分層剛性塊以突出褶皺。

        在其他應(yīng)用中,3DP也被用于裝飾現(xiàn)有紡織品的表面,包括使用FDM將纖維素、聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和尼龍等與機(jī)織和針織物融合。同樣,這些僅限于已生產(chǎn)紡織品的表面裝飾。3DP在紡織產(chǎn)品中的應(yīng)用主要側(cè)重于再現(xiàn)紡織品的基本特性:柔軟度、柔韌性、強(qiáng)度和孔隙率。

        但這并非一成不變,有業(yè)界探索出一種有趣的方法,即將纖維成形、機(jī)器人輔助材料分配和當(dāng)今的3DP技術(shù)結(jié)合,被稱為機(jī)器人纖維裝配和控制系統(tǒng)(RFACS),它將熔化的無(wú)紡纖維網(wǎng)裁剪,然后沉積在人體模型形狀的模具上,從而在沒(méi)有任何接縫料或接縫的情況下,一步形成一件定制的服裝。在最近的工作中,他們進(jìn)一步探討了RFACS在3DP應(yīng)用于紡織生產(chǎn)(稱為纖維印花)中的適用性。

        3DP技術(shù)的紡織前景

        最后,還需要強(qiáng)調(diào)的是,盡管現(xiàn)有的聚合物類型、精細(xì)纖維結(jié)構(gòu)的研發(fā)以及在紡織纖維尺度上獲得可接受的分辨率等因素限制了目前的3DP技術(shù),但因它是改變紡織制造的一種非常有前途的技術(shù),因此也不乏創(chuàng)新。

        全球化、離岸外包和對(duì)低成本供應(yīng)鏈的依賴加劇了一度強(qiáng)勁的美國(guó)國(guó)內(nèi)紡織業(yè)的衰落;然而,替代性的制造技術(shù),如紡織品的3DP和訓(xùn)練有素的勞動(dòng)力提供了一個(gè)復(fù)興紡織制造業(yè)的機(jī)會(huì)。

        低成本的機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化和云計(jì)算的日益普及,能夠使適當(dāng)開(kāi)發(fā)的3DP對(duì)紡織品進(jìn)行本地改造和低成本定制。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,3DP有可能通過(guò)大規(guī)模定制、環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,顯著改善供應(yīng)鏈,原料使用和本土制造業(yè),因此這樣的基礎(chǔ)設(shè)施可在未來(lái)全面推進(jìn)全球紡織工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

        (據(jù)美國(guó)高級(jí)紡織資源網(wǎng)https://advancedtextilessource.com/2020/08/24/textiles-and-3d-technology/近期資料)

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