紡織業(yè)的3D技術創(chuàng)新

3D打印(3DP)的出現(xiàn)吸引了學術界、工業(yè)界和業(yè)余愛好者的極大興趣，因為它是一種通過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(與術語3DP互換使用)，它通過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，從固體到多孔結構的物體，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)領域都受益于3DP技術，但紡織制造業(yè)采用3DP尚缺乏技術支持。這是因為紡織材料和紡織結構的獨特性和纖維形成聚合物數(shù)量有限所致。要在現(xiàn)有的條件下實現(xiàn)3DP技術，在目前的紡織業(yè)中并不容易。此外，紡織結構本身需要異質(zhì)性和程序化的連續(xù)性，因此這很難實現(xiàn)高分辨率的3DP。

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

有前途的技術

3DP一詞廣泛用于包括許多具體的特定技術，這些技術的區(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（通過噴嘴或材料的累積實現(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)評論。

有兩種3DP技術在紡織技術上顯示出應用前景——材料擠壓和還原光聚合。材料擠壓3DP工藝包括推動材料通過可編程噴嘴鏈接到計算機控制的平移臺上，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)和直接墨水書寫(DIW)等技術。

另一種材料擠壓技術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（在某些情況下可見光）下從液體凝固為固體。

研發(fā)的局限

紡織品是通過獨特的制造和組裝方法生產(chǎn)的。幾千年來，它們的基本底層結構一直沒有改變；在紡織結構的層次結構中，高縱橫比的纖維（長度的數(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)無紡品。這些織物隨后被制成產(chǎn)品。這種結構層次是必要的，以獲得表面上相互沖突的紡織品性能要求，如強度和柔韌性。由此可明顯看出，在整個紡織制造過程中，起始原料（聚合物）在機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、機織/針織物和無紡。（a）拉伸強度和（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的過渡。從已公布的數(shù)據(jù)中獲得的值用于最常見的紡織材料（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[包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚丁烯對苯二酸酯(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技術中可被用于某些專業(yè)技術紡織應用，如聚己酸內(nèi)酯、PP、PA技術，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(SLS)技術。然而，如何利用這些材料來制作傳統(tǒng)使用的紡織品仍然是個挑戰(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構和方向性。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。

服裝與紡織結構

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

一些研究人員和設計師利用3DP工藝制作出可穿戴的服裝，比如利用PA的SLS設計出一件懸垂裙，即SLS將薄薄的PU細絲疊放在一起，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)品中的應用主要側重于再現(xiàn)紡織品的基本特性：柔軟度、柔韌性、強度和孔隙率。

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、機器人輔助材料分配和當今的3DP技術結合，被稱為機器人纖維裝配和控制系統(tǒng)(RFACS)，它將熔化的無紡纖維網(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，他們進一步探討了RFACS在3DP應用于紡織生產(chǎn)(稱為纖維印花)中的適用性。

3DP技術的紡織前景

最后，還需要強調(diào)的是，盡管現(xiàn)有的聚合物類型、精細纖維結構的研發(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，但因它是改變紡織制造的一種非常有前途的技術，因此也不乏創(chuàng)新。

全球化、離岸外包和對低成本供應鏈的依賴加劇了一度強勁的美國國內(nèi)紡織業(yè)的衰落；然而，替代性的制造技術，如紡織品的3DP和訓練有素的勞動力提供了一個復興紡織制造業(yè)的機會。

低成本的機器人技術、自動化和云計算的日益普及，能夠使適當開發(fā)的3DP對紡織品進行本地改造和低成本定制。從長遠來看，3DP有可能通過大規(guī)模定制、環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展，顯著改善供應鏈，原料使用和本土制造業(yè)，因此這樣的基礎設施可在未來全面推進全球紡織工業(yè)的競爭力。

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