3D、4D紡織品
——世界高科技紡織研發與創新

文/王欣

任何進行過粗略探究的人都會發現，3D紡織品這個一度模糊的術語為紡織行業創造了無數途徑和大量的機會。例如，在谷歌搜索引擎上隨意查找3D紡織品，它立即顯示數億次的點擊量。而涉及的品種則更是不計其數，有傳統紡織、針織、無紡和非傳統印花的3D版本，以及各式各樣的應用程序。有的清晰易懂，有的則需深入探索。相關的工程師們對此樂此不疲，期待著盡早適應并接受3D紡織品。與此同時，產品設計師也越來越擅長于織物或更合適的纖維材料的設計，期望凸顯技術專長，符合視覺或觸覺上的專業要求。

3D紡織品功能全面，性能明確，這也是它一直最讓人感興趣之處。考慮到3D紡織品的制造可通過各種紡織技術調整來實現應有的生產模式，因此其應用廣度幾乎毫無止境。

3D紡織與3D編織設備蜂擁而來

全球業界對3D紡織和3D編織興趣愈發濃厚，對應用的開發主要集中在復合材料領域，重點仍然是通過揚長避短，甚至用纖維材料替代鋼材已提上研發議事日程。美國權威3D紡織專家表示，3D織物的應用為復合材料替代鋼材創造了條件。它可用以編織坯料或制造近似預制件，然后通過復雜的設計制造出精確的形狀。這樣做不僅可減重，還可節省勞動力，提高持久的可靠性。美國一些公司甚至正在研發專用于3D織機的LEAP噴氣發動機風扇葉，這就是最好的多用途例證。所謂的LEAP引擎模塊就是通過控制纖維材料的放置和縫合紗線的路徑實現特定的性能。

用復合材料制造的風扇扇葉比金屬發動機的等效金屬部件減輕重量100余公斤，復合材料同時還擁有比層壓金屬復合材料更高的抗沖擊性。

全世界的機械制造商在3D領域越來越活躍，他們對3D機織復合材料興趣盎然，不斷推陳出新。從歷史上看，3D織機既是傳統2D織機的改進版，也是根據特定產品概念的定制品。瑞士史陶比爾集團以其提花經紗控制工藝系統而聞名。在過去幾年，該集團推出技術面料織造系統，一種采用模塊化設計的重型織機，與其提花機或單體經紗切割控制系統配合，產品設計靈活，其織造能力強大得難以置信。

無獨有偶，德國林道爾·多尼爾公司的創新織機可用于制造技術性、工業性和高性能織物，因此遠近聞名。該公司不甘落后，最近推出一系列直接針對復合材料行業的3D編織機。目前其復合材料生產系統含一臺專為編織3D預制件而設計的設備，及一條擴展型單線和專用于紡織粗紗和鋪展牽引帶的設備。

德國多尼爾公司最新研發的厚織物織機具有集成導向和水平卷取的特點，適用于復合材料行業。

3D針織異軍突起

最近西方業界媒體出現兩篇熱門文章：“未來針織：用高科技武裝起來的古老針織工藝”“3D針織背后的高科技”，兩文集中談到3D與緯編針織的出現、針織3D結構、3D維度控制及用戶界面的改進、更高效的針織產品設計等。

3D針織不僅擁有產品設計方面的優勢，對機器進行簡單編程和裝載紗線即可生產完整的服裝。它甚至能將可穿戴電子產品整合到完全成型的針織產品中，其中一些3D產品已進入市場。美國先進功能纖維制造創新機構(AFFOA)通過聯邦資助創建了旨在將紡織技術用于集成設備和聯網系統的項目。AFFOA的研發課題之一是如何讓3D針織有效地創造出復雜的形狀。高盛公司一篇文章援引了AFFOA公司首席執行官兼麻省理工學院材料科學和電氣工程教授約爾·芬克的話：“未來消費者不必再為襯衫付錢，而是為襯衫的功能付錢。你付了服務費，就得到這樣的紡織品。”當然，這只是紡織品的一種未來觀。

美國3D研發風起云涌，經編織物制造商一直在以煥然一新且振奮人心的方式推進技術的多功能化，其應用范圍從時尚到家居，無一例外地瞄準了消費者與紡織業市場。

3D無紡與添加劑制造崛起

從宏觀紡織業看，3D打印在許多領域都引起業界的興趣和關注。其本質之一是更精密的復合無紡布。聚合物被擠壓到收集帶上或與之結合的平臺上即可創造出清晰的織物結構。其真正的區別在于紡粘材料通常具有隨機取向和粘合圖案的特點，而3D打印件則有精確分層和特定位置。但無論3D打印是否屬于紡織品制造工藝的延伸，它無疑都成為近年來技術和業界媒體的寵兒。

最初，許多人認為，3D打印可創造難以置信的復雜形狀和創新的方法，現在被視為一種制造機會或解決瑕疵的獨特方案。實際上3D打印概念或它的重要性在于它可實現所有設想。3D打印最初在快速原型制作中得到認可，由此可制作詳細而精確的產品，可對概念和理論進行探索和評估。隨著技術進步和興趣產生，人們已開發出全新且先進的聚合物系統，改進印刷的“金屬”，添加纖維介質作為材料的強化介質，并且可提高3D印刷結構的層與層間的完整性。隨著添加介質或入料工藝的進步，3D打印機的尺寸、范圍、復雜性和一致性也得到極大的改善。在過去幾年中，3D打印機已從最初的桌面模型發展到能生產近一立方英尺大小的產品。盡管所生產物體積受限，但依然是核心競爭力所在。在不久的將來，3D打印機能生產體積與汽車一樣大小或更大的產品。

3D打印現被視為一種有效的制造技術。它尤其運用在需要規模化制造的產品上，這是因為其生產過程過于復雜，又或為打破傳統制造方法的限制應運而生。其優勢仍然是產品設計可能性更高，簡化了復雜零件的整體制造難度，縮短了生產周期并減少了勞動力成本。這與所需占地面積相對較小，且能與入料可靠性高的特點相結合，為內部生成替換零件提供大量現成的機會，而不用與原始設備制造商（OEM）和零件供應商打交道。它就像遠洋巨輪甚至未來的太空旅行一樣，為難以企及的領域開創了先機，例如過去隔月或隔周交貨變為隔夜交貨，這為業界又提供了另一種機會。隨著技術不斷發展，成本效益提高，產品規模變大，3D的潛在應用會越來越寬廣。

4D紡織品

3D研發尚在途中，4D業已出現。美國在4D領域已捷足先登。杰斐遜大學和富布萊特專家項目的跨學科專家克里斯·帕斯托博士提出：“為什么不在最新報道中提到4D紡織品？”而麻省、哈佛、亞琛等大學已開始探索將紡織品和其他可編程材料與3D打印相結合的可能性。據稱，幾年前，麻省自組裝實驗室主任兼杰斐遜大學校友斯凱勒·提比特就提出了4D的構想。4D紡織品是把時間維度與結構的長度、寬度和深度相結合，向業界打開了另一廣闊的發展空間。

帕斯托博士解釋說：“將紡織材料柔韌性和彈性特點與3D打印的剛性聚合物結構相結合。在這樣的系統下，利用加熱或新型動力裝置來改變其形態，它們就會從二維結構轉變為復雜的三維結構。若想在3D打印結構中加入形狀記憶聚合物，那么通過激活就可形成完全不同的結構。在扁平紡織材料上通過3D打印網制造產品即可實現，并在將來得以應用。然后，將這種動力裝置應用于平面結構，且它會自行展開呈帳篷狀。仔細想想，你就能獲知4D紡織品的潛力究竟有多大！”

的確，這個概念可讓人浮想聯翩。業界可在YouTube網站上找到有趣的視頻作為例證，它顯示3D打印過后的平面結構可轉變成不同的形狀。其中最火的一個視頻顯示，一條看似直線的聚合物神奇地轉變為麻省MTI的首字母縮寫。

盡管4D紡織品尚未讓人熟知，但對擁有一定想象力且了解古老而又不斷發展的紡織技術的人來說，這類新型紡織品確實為他們提供了巨大的機會。

（據美國《紡織世界》http://www.textileworld.com/textile-world/features/2018/09/3d-textiles-embracing-the-depth/近期資料）