3D打印技術在紡織服裝領域應用的進展

劉天元

（鄭州經貿學院，河南鄭州，451191）

3D打印技術起始于19世紀末的美國，經過不斷研究創新，在21世紀已基本成熟。3D打印技術可將計算機上的藍圖變成實物，在醫療、工業、建筑等不同領域均有所應用與發展［1］。同時3D打印作為一種快速成形制造方法，在個人制造和互聯網云制造的推動下，已經成為一種新型的設計制作潮流，廣泛應用于各種設計領域中［2］。

在經濟全球化快速發展和科技現代化的時代背景下，多元化審美意識的發展已是大勢所趨，人們在紡織服裝及配飾品的設計理念中不斷創造并呈現出獨特、富有新鮮感的表達方式，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志［4-5］。在這種需求驅動下，紡織服裝領域對于3D打印技術的應用及探索不斷深入，已經成為紡織服裝領域內研究熱點［6-7］。

1 3D打印紡織服裝技術

1.1 原理

3D打印技術又名快速成型技術、增材制造等［8］。它是以計算機三維設計模型為基礎，通過軟件分層離散和數控成型系統，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行層堆積黏結、疊加最終成型，制造出實體產品，將虛擬的實體模型數據轉換成物理實體，被譽為第三次工業革命最具標志性的生產工具［9］。

1.2 方法

3D打印由于所使用原料和堆疊方法的不同，細化出的打印方式多種多樣。現如今，使用較多且較為成熟的技術主要有5種。立體光固化成型（SLA）利用樹脂聚合反應成型，原材料的利用率高，尺寸精度高，表面質量優良；選擇性激光燒結（SLS）采用光敏樹脂激光凝固成型，無需支撐，成型零件機械性能優良；熔融沉積（FDM）采用擠壓熔絲成型，系統構造簡單，維護成本低，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）采用噴射黏結成型，成型速度快，價格相對低廉，粉末通過黏結劑結合。不同的3D打印方法根據其原理的不同都有特定的適用材料。在紡織服裝產業中，較為常用的為SLS和FDM。前者在成型零件表面平鋪一層細小粉末顆粒材料，將其加熱熔化、凝固，從而與零件實現黏結［10］。其優點在于工藝簡單，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，節省人力物力［11］。

2 關鍵技術研究現狀

3D打印技術是對模型設計后通過打印機逐漸打印的一種快速成型技術，是物理、材料、計算機、制造等多種學科交叉的產物，亦可用于紡織服裝領域。3D打印技術包括建模技術、成型工藝技術和材料技術3個方面［12-13］。通過軟件設計出三維的虛擬模型，并對模型進行必要的修整，以保證模型制造的精準度［14］。模型設計后，對模型進行3D成型處理。而3D打印技術成型的物質基礎就是材料，材料的多樣性決定了3D打印技術應用領域的多樣性，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打印技術起初是應用于機械制造領域，直至21世紀初在互聯網、制造業以及其他不同領域得到廣泛推廣［16］。隨著時代的發展，3D打印材料種類多種多樣，其中主要有金屬及其復合粉末、聚合物、光敏樹脂、薄片材料等，包括樹脂、錦綸、金屬、陶瓷等，廣泛應用于不同的工程領域。在紡織服裝領域中，3D打印的材料主要為錦綸、塑料等，種類少且缺乏傳統面料的舒適性和彈性，需進一步努力探索，提高材料利用的多樣性。

在服裝領域，由于3D打印材料的限制，導致制作服裝的材料無法滿足穿著舒適、款式新穎、經濟環保且智能化等條件，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傳統的服裝面料［17］，基于此，國內外專家學者展開了一系列的研究［18］。2018年，王一博等人通過調整打印墨水配比，成功打印出柔性鋰離子電池電極，并保證電池的穩定容量輸出，為紡織服裝領域的柔性材料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行了綜述，對比了聚乳酸材料改性在不同領域的特點和優勢［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行對比，發現噴絲后織物透氣、抗皺、抗彎及耐磨性能都顯著提升［21］。2021年，楊露等人在ABS長絲研究的基礎上創新采用PLA長絲代替，噴絲后表面平整光滑，透氣率高，3種打印結構面料綜合性能優良。隨著研究的繼續深入，3D打印服裝材料的種類也將越來越豐富［22］。

2.2 3D打印技術在紡織服裝領域的應用

在互聯網云數據與人工智能化的結合下，3D打印技術已成為必然發展趨勢［23］。隨之而來，越來越多的服裝設計者利用3D打印技術來表達自己的設計思想，完成設計作品，如時裝、智能服裝等。2010年，美國時裝設計師Iris van Herpen通過3D打印技術，創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，一時激起服裝領域3D打印的浪潮［24-25］。瑪麗·黃與詹娜·費瑟采用錦綸12防水材料，運用選擇性激光燒結技術將泳衣模型打印出來，3D打印泳衣在服裝界問世，在此基礎上，3D打印技術才真正地走進服裝設計領域［26］。2013年，耐克公司運用3D打印技術設計制作出足球鞋，不僅具有較強的視覺沖擊力，還有利于提高運動員的沖刺能力；在同一時期繼耐克推出3D打印產品后，New Balance公司利用SLS 3D打印技術推出3D打印田徑跑鞋［27］。同年Michael Schmidt與Francis Bitonti運用3D打印技術設計的印花裙問世，引起廣泛關注［28］。2016年，采用錦綸塑料材料設計了Kinematic禮服，采用3D打印技術打印成型，基于人機工程學，其設計結構靈活，十分舒適［29］。2018年，張婷婷在綜合造型、結構和色彩等3D打印服裝特征基礎上，在局部裝飾和服裝新形態兩個方面進行創新，完成服裝作品創作［30］。2019年，田寶華等人通過對服裝設計、定制化服務和3D打印兵馬俑服裝等進行分析，并對兵馬俑文創服裝進行應用實踐，分析其優勢和不足，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打印技術打破了技術壁壘，結合服裝設計領域應用需求用于服裝生產，突破傳統服裝生產的限制，可快速實現復雜結構和形狀。同時給我們生活帶來了無限的可能，不僅豐富了社會物質生產，也對日常生活提供了更多的便利。

3 3D打印技術在紡織服裝領域的發展前景

3.1 3D打印服裝的特點與優勢

基于時代的不斷發展，新興技術的興起與傳統行業的碰撞對3D打印紡織服裝的發展帶來了機遇和挑戰。與傳統制造業相比，3D打印技術具有不可代替的優勢，傳統工業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打印技術來說，復雜零件可一次性完成，省去繁瑣的制造工序；生產效率高，縮短產品生產周期；同時還可以滿足消費者個性化設計需求。

現階段在傳統模式下定制服裝仍較為耗時，少則數月，長達數年，與此同時還需要顧客多次反復試穿，設計師需要不斷設計修改，以滿足顧客需求和服裝舒適和美觀性［34］。而結合3D打印輔助定制服裝，定制過程顯得較為輕松。如圖1所示，通過人體數據的輸入建立人體模型，以人體真實數據作為設計基礎，提高服裝產品的舒適度，結合人體模型設計三維款式服裝圖，后續選用適宜的材料對服裝進行打印，在較短時間內滿足顧客的定制需求［35］。

圖1 3D打印的服裝成品

3.2 3D打印技術的發展前景

根據現有研究可知，3D打印技術在服裝領域有著較大的優化和上升空間。與傳統服裝生產技術相比，3D打印技術真正實現了個性化生產，也省去了傳統制作過程中的繁瑣工序，3D打印技術作為增材制造，提高了現有材料的使用率，極大地降低了材料廢棄物的產生，節能環保。現階段3D打印技術在服裝領域應用中的成本還較高，主要針對個性化服裝制定和一些高端產品的生產，隨著研究的不斷深入，打印成本必將降低，在服裝領域中的應用規模必將擴大；同時隨著服裝領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打印技術的發展必將進入一個新的局面。

4 結束語

3D打印作為一種新興技術已經深入到紡織服裝領域。3D打印的實現使設計脫離2D，開啟了可穿戴3D服裝的世界。國內外多所高校及企業相繼以3D打印技術為基礎，開展了材料、工藝與設計的創新。在紡織服裝領域，3D打印技術的出現為行業提供了新的發展方向，不僅是紡織服裝材料，還有紡織服裝的設計與制造工藝。隨著技術發展，已有企業改變傳統紡織品加工工藝，可直接將數字設計3D打印到色彩鮮艷的面料上并應用于紡織品組裝，這也預示了以后3D打印在紡織服裝領域的應用前景廣闊，無論是在技術、設備還是材料及加工工藝方面都將有新的突破，以適應現代突飛猛進的科技發展和社會需求。