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        3D打印技術(shù)在紡織服裝領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)展

        2022-11-15 06:09:22劉天元
        棉紡織技術(shù) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:成型紡織服裝

        劉天元

        (鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院,河南鄭州,451191)

        3D打印技術(shù)起始于19世紀(jì)末的美國,經(jīng)過不斷研究創(chuàng)新,在21世紀(jì)已基本成熟。3D打印技術(shù)可將計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物,在醫(yī)療、工業(yè)、建筑等不同領(lǐng)域均有所應(yīng)用與發(fā)展[1]。同時3D打印作為一種快速成形制造方法,在個人制造和互聯(lián)網(wǎng)云制造的推動下,已經(jīng)成為一種新型的設(shè)計制作潮流,廣泛應(yīng)用于各種設(shè)計領(lǐng)域中[2]。

        在經(jīng)濟(jì)全球化快速發(fā)展和科技現(xiàn)代化的時代背景下,多元化審美意識的發(fā)展已是大勢所趨,人們在紡織服裝及配飾品的設(shè)計理念中不斷創(chuàng)造并呈現(xiàn)出獨(dú)特、富有新鮮感的表達(dá)方式,來滿足不同人群對于不同審美理念的需求[3]。如今,對于絕大多數(shù)人來說,服裝已不僅僅局限于能夠遮羞蔽體、保溫取暖,而要兼具時尚潮流和功能性的標(biāo)志[4-5]。在這種需求驅(qū)動下,紡織服裝領(lǐng)域?qū)τ?D打印技術(shù)的應(yīng)用及探索不斷深入,已經(jīng)成為紡織服裝領(lǐng)域內(nèi)研究熱點(diǎn)[6-7]。

        1 3D打印紡織服裝技術(shù)

        1.1 原理

        3D打印技術(shù)又名快速成型技術(shù)、增材制造等[8]。它是以計算機(jī)三維設(shè)計模型為基礎(chǔ),通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng),利用光束、熱熔噴嘴等方式將塑料、金屬粉末、陶瓷粉末等特殊材料進(jìn)行層堆積黏結(jié)、疊加最終成型,制造出實(shí)體產(chǎn)品,將虛擬的實(shí)體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理實(shí)體,被譽(yù)為第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具[9]。

        1.2 方法

        3D打印由于所使用原料和堆疊方法的不同,細(xì)化出的打印方式多種多樣?,F(xiàn)如今,使用較多且較為成熟的技術(shù)主要有5種。立體光固化成型(SLA)利用樹脂聚合反應(yīng)成型,原材料的利用率高,尺寸精度高,表面質(zhì)量優(yōu)良;選擇性激光燒結(jié)(SLS)采用光敏樹脂激光凝固成型,無需支撐,成型零件機(jī)械性能優(yōu)良;熔融沉積(FDM)采用擠壓熔絲成型,系統(tǒng)構(gòu)造簡單,維護(hù)成本低,材料無危害,成型零件變形小;層疊成型(LOM)采用層壓剪切成型,原型制作成本低,機(jī)械性能較好,無需后固化處理和支撐;立體噴墨(3DP)采用噴射黏結(jié)成型,成型速度快,價格相對低廉,粉末通過黏結(jié)劑結(jié)合。不同的3D打印方法根據(jù)其原理的不同都有特定的適用材料。在紡織服裝產(chǎn)業(yè)中,較為常用的為SLS和FDM。前者在成型零件表面平鋪一層細(xì)小粉末顆粒材料,將其加熱熔化、凝固,從而與零件實(shí)現(xiàn)黏結(jié)[10]。其優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡單,精度高,可用材料多且利用率高等。后者是將絲狀材料快速加熱并融化成型,清潔環(huán)保,無需激光器可直接加工,成本較低。原材料多為卷軸絲狀,節(jié)省人力物力[11]。

        2 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

        3D打印技術(shù)是對模型設(shè)計后通過打印機(jī)逐漸打印的一種快速成型技術(shù),是物理、材料、計算機(jī)、制造等多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物,亦可用于紡織服裝領(lǐng)域。3D打印技術(shù)包括建模技術(shù)、成型工藝技術(shù)和材料技術(shù)3個方面[12-13]。通過軟件設(shè)計出三維的虛擬模型,并對模型進(jìn)行必要的修整,以保證模型制造的精準(zhǔn)度[14]。模型設(shè)計后,對模型進(jìn)行3D成型處理。而3D打印技術(shù)成型的物質(zhì)基礎(chǔ)就是材料,材料的多樣性決定了3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性,目前能夠打印的材料已有2 000多種[15]。其中主要有金屬及其復(fù)合粉末、錦綸、光敏樹脂、塑料等。

        2.1 3D打印紡織服裝材料

        3D打印技術(shù)起初是應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域,直至21世紀(jì)初在互聯(lián)網(wǎng)、制造業(yè)以及其他不同領(lǐng)域得到廣泛推廣[16]。隨著時代的發(fā)展,3D打印材料種類多種多樣,其中主要有金屬及其復(fù)合粉末、聚合物、光敏樹脂、薄片材料等,包括樹脂、錦綸、金屬、陶瓷等,廣泛應(yīng)用于不同的工程領(lǐng)域。在紡織服裝領(lǐng)域中,3D打印的材料主要為錦綸、塑料等,種類少且缺乏傳統(tǒng)面料的舒適性和彈性,需進(jìn)一步努力探索,提高材料利用的多樣性。

        在服裝領(lǐng)域,由于3D打印材料的限制,導(dǎo)致制作服裝的材料無法滿足穿著舒適、款式新穎、經(jīng)濟(jì)環(huán)保且智能化等條件,故而在符合面料和服裝要求方面遇到較大的困難,目前尚未找到合適材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的服裝面料[17],基于此,國內(nèi)外專家學(xué)者展開了一系列的研究[18]。2018年,王一博等人通過調(diào)整打印墨水配比,成功打印出柔性鋰離子電池電極,并保證電池的穩(wěn)定容量輸出,為紡織服裝領(lǐng)域的柔性材料3D打印使用提供了思路[19]。2019年,潘剛偉等人通過對3D打印材料聚乳酸特性分析,對聚乳酸材料的不同改性方法進(jìn)行了綜述,對比了聚乳酸材料改性在不同領(lǐng)域的特點(diǎn)和優(yōu)勢[20]。2020年,孫昭玲等人以ABS長絲為材料,對噴絲前后的3D打印立體成型織物成品進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)噴絲后織物透氣、抗皺、抗彎及耐磨性能都顯著提升[21]。2021年,楊露等人在ABS長絲研究的基礎(chǔ)上創(chuàng)新采用PLA長絲代替,噴絲后表面平整光滑,透氣率高,3種打印結(jié)構(gòu)面料綜合性能優(yōu)良。隨著研究的繼續(xù)深入,3D打印服裝材料的種類也將越來越豐富[22]。

        2.2 3D打印技術(shù)在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

        在互聯(lián)網(wǎng)云數(shù)據(jù)與人工智能化的結(jié)合下,3D打印技術(shù)已成為必然發(fā)展趨勢[23]。隨之而來,越來越多的服裝設(shè)計者利用3D打印技術(shù)來表達(dá)自己的設(shè)計思想,完成設(shè)計作品,如時裝、智能服裝等。2010年,美國時裝設(shè)計師Iris van Herpen通過3D打印技術(shù),創(chuàng)造出許多別出心裁的作品,如時裝禮服、“流動的水”和“黑色蟒蛇”等著名作品,令人大開眼界,一時激起服裝領(lǐng)域3D打印的浪潮[24-25]?,旣悺S與詹娜·費(fèi)瑟采用錦綸12防水材料,運(yùn)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)將泳衣模型打印出來,3D打印泳衣在服裝界問世,在此基礎(chǔ)上,3D打印技術(shù)才真正地走進(jìn)服裝設(shè)計領(lǐng)域[26]。2013年,耐克公司運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計制作出足球鞋,不僅具有較強(qiáng)的視覺沖擊力,還有利于提高運(yùn)動員的沖刺能力;在同一時期繼耐克推出3D打印產(chǎn)品后,New Balance公司利用SLS 3D打印技術(shù)推出3D打印田徑跑鞋[27]。同年Michael Schmidt與Francis Bitonti運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計的印花裙問世,引起廣泛關(guān)注[28]。2016年,采用錦綸塑料材料設(shè)計了Kinematic禮服,采用3D打印技術(shù)打印成型,基于人機(jī)工程學(xué),其設(shè)計結(jié)構(gòu)靈活,十分舒適[29]。2018年,張婷婷在綜合造型、結(jié)構(gòu)和色彩等3D打印服裝特征基礎(chǔ)上,在局部裝飾和服裝新形態(tài)兩個方面進(jìn)行創(chuàng)新,完成服裝作品創(chuàng)作[30]。2019年,田寶華等人通過對服裝設(shè)計、定制化服務(wù)和3D打印兵馬俑服裝等進(jìn)行分析,并對兵馬俑文創(chuàng)服裝進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐,分析其優(yōu)勢和不足,提出了急需解決的3D打印兵馬俑服裝多色彩等問題[31]。不同案例表明,3D打印技術(shù)打破了技術(shù)壁壘,結(jié)合服裝設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用需求用于服裝生產(chǎn),突破傳統(tǒng)服裝生產(chǎn)的限制,可快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀。同時給我們生活帶來了無限的可能,不僅豐富了社會物質(zhì)生產(chǎn),也對日常生活提供了更多的便利。

        3 3D打印技術(shù)在紡織服裝領(lǐng)域的發(fā)展前景

        3.1 3D打印服裝的特點(diǎn)與優(yōu)勢

        基于時代的不斷發(fā)展,新興技術(shù)的興起與傳統(tǒng)行業(yè)的碰撞對3D打印紡織服裝的發(fā)展帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比,3D打印技術(shù)具有不可代替的優(yōu)勢,傳統(tǒng)工業(yè)在制造過程中不僅需要長時間的制造周期,還需要消耗較多的材料資源[32-33]。但是對于3D打印技術(shù)來說,復(fù)雜零件可一次性完成,省去繁瑣的制造工序;生產(chǎn)效率高,縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期;同時還可以滿足消費(fèi)者個性化設(shè)計需求。

        現(xiàn)階段在傳統(tǒng)模式下定制服裝仍較為耗時,少則數(shù)月,長達(dá)數(shù)年,與此同時還需要顧客多次反復(fù)試穿,設(shè)計師需要不斷設(shè)計修改,以滿足顧客需求和服裝舒適和美觀性[34]。而結(jié)合3D打印輔助定制服裝,定制過程顯得較為輕松。如圖1所示,通過人體數(shù)據(jù)的輸入建立人體模型,以人體真實(shí)數(shù)據(jù)作為設(shè)計基礎(chǔ),提高服裝產(chǎn)品的舒適度,結(jié)合人體模型設(shè)計三維款式服裝圖,后續(xù)選用適宜的材料對服裝進(jìn)行打印,在較短時間內(nèi)滿足顧客的定制需求[35]。

        圖1 3D打印的服裝成品

        3.2 3D打印技術(shù)的發(fā)展前景

        根據(jù)現(xiàn)有研究可知,3D打印技術(shù)在服裝領(lǐng)域有著較大的優(yōu)化和上升空間。與傳統(tǒng)服裝生產(chǎn)技術(shù)相比,3D打印技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了個性化生產(chǎn),也省去了傳統(tǒng)制作過程中的繁瑣工序,3D打印技術(shù)作為增材制造,提高了現(xiàn)有材料的使用率,極大地降低了材料廢棄物的產(chǎn)生,節(jié)能環(huán)?!,F(xiàn)階段3D打印技術(shù)在服裝領(lǐng)域應(yīng)用中的成本還較高,主要針對個性化服裝制定和一些高端產(chǎn)品的生產(chǎn),隨著研究的不斷深入,打印成本必將降低,在服裝領(lǐng)域中的應(yīng)用規(guī)模必將擴(kuò)大;同時隨著服裝領(lǐng)域打印材料的研究不斷加深,可用于3D打印的服裝材料越來越多,3D打印技術(shù)的發(fā)展必將進(jìn)入一個新的局面。

        4 結(jié)束語

        3D打印作為一種新興技術(shù)已經(jīng)深入到紡織服裝領(lǐng)域。3D打印的實(shí)現(xiàn)使設(shè)計脫離2D,開啟了可穿戴3D服裝的世界。國內(nèi)外多所高校及企業(yè)相繼以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ),開展了材料、工藝與設(shè)計的創(chuàng)新。在紡織服裝領(lǐng)域,3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為行業(yè)提供了新的發(fā)展方向,不僅是紡織服裝材料,還有紡織服裝的設(shè)計與制造工藝。隨著技術(shù)發(fā)展,已有企業(yè)改變傳統(tǒng)紡織品加工工藝,可直接將數(shù)字設(shè)計3D打印到色彩鮮艷的面料上并應(yīng)用于紡織品組裝,這也預(yù)示了以后3D打印在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊,無論是在技術(shù)、設(shè)備還是材料及加工工藝方面都將有新的突破,以適應(yīng)現(xiàn)代突飛猛進(jìn)的科技發(fā)展和社會需求。

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