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)，現在它正在改變紡織品生產領域。南極熊將探討3D打印技術在現代紡織工業(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，產品是根據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用于服裝和家具等用途的面料所需的資源數量。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)制造技術無法實現的先進、創(chuàng)新材料設計提供了機會。

●3D 打印實現的另一項關鍵創(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，但使用傳統(tǒng)針織方法生產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，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“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。