3D打印使得智能紡織得到了極大的發(fā)展。由3D打印制成的智能紡織品具有制造成本大幅度降低、制造環(huán)節(jié)被有效簡(jiǎn)化、多種材料的組合、提升織物性能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造的優(yōu)勢(shì)。

成型方式

3D打印技術(shù)有黏結(jié)成形、光敏成形、熔融成形、選擇性激光燒結(jié)成形4種成形方法。每種方法適用于不同的材料。

成形方式的多樣化是目前3D打印技術(shù)在紡織行業(yè)發(fā)展成熟的見證。黏結(jié)成形技術(shù)是紡織類產(chǎn)品設(shè)計(jì)在著色工藝上發(fā)展成熟的表現(xiàn)，具體是將著色劑與黏合材料相結(jié)合，形成薄層并進(jìn)行著色。光敏技術(shù)是運(yùn)用光敏材料(UV樹脂)，在光作用下堆積成形進(jìn)行制造。熔融成形則是通過熱塑性材料在高溫腔體中熔化，形成液體，再被噴頭均勻噴出并疊加成形。由此可見，這些技術(shù)的應(yīng)用改變了紡織產(chǎn)品的制造方式，甚至影響到服飾產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)模式，因此，3D打印技術(shù)對(duì)紡織產(chǎn)品有著深遠(yuǎn)影響。

智能紡織品可以包含光纖、相變材料、化學(xué)品或其他電子元件，為普通紡織品增加新的功能。越來越多的紡織材料正試圖采用3D打印技術(shù)直接制造出具有復(fù)雜功能的智能紡織品，目前的研究主要集中在導(dǎo)電、形狀記憶、溫度調(diào)節(jié)和柔性電子元件等方面。

智能導(dǎo)電紡織品

開發(fā)導(dǎo)電紡織品最常見的方法是在織物表面附著導(dǎo)電材料，實(shí)現(xiàn)方法包括層壓、涂層、印刷、噴涂、離子電鍍、化學(xué)鍍層、真空金屬化、陰極濺射和化學(xué)氣相沉積等。3D打印機(jī)能夠準(zhǔn)確地打印出所定義的形狀。通過這種方式，可以將導(dǎo)電紗線或涂層連接起來，特別是與無引線的SMD(表面安裝設(shè)備)元件連接。同時(shí)，3D打印可以調(diào)整電子元件的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)與織物最合適的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。德國比勒費(fèi)爾德應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Grimmelsmanna等,利用3D打印技術(shù)在使用導(dǎo)電Shieldex紗線織造的包含電路路徑的面料上直接打印，使3D打印的物體作為導(dǎo)電線與小型電子元件之間連接，從而讓紡織品發(fā)光，如下圖所示。

作為紡織基材，選擇了有肌理效果的、表面相對(duì)緊湊且均勻的單面鉤花針織面料，使3D打印材料能更好地與織物黏結(jié)。開發(fā)者設(shè)計(jì)了一款SMD-LED電子元件，在紡織基材表面利用FDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造。SMD.LED由黑色導(dǎo)電材料、非導(dǎo)電的白色PLA材料及LED三個(gè)部分組成。黑色導(dǎo)電部分主要起到電連接的作用，材料使用的是Proto-Pasta導(dǎo)電PLA長絲，擠出機(jī)溫度207 ℃,打印床溫度60 ℃,層高為0.2 mm,并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充。白色部分為普通的PLA長絲，起到固定和連接的作用。具有導(dǎo)電特性的黑色長絲與Shieldex紗線連接，點(diǎn)亮紡織品上的LED。3D打印部件作為串聯(lián)電阻，保護(hù)LED不受過高的應(yīng)用電壓而影響其正常工作，當(dāng)內(nèi)部電陽較低時(shí)，LED的亮度則較低，因?yàn)長ED和3D打印部件連接串聯(lián)電陽作為分斥器工作，較高電陽下的電壓隆越高。

智能溫控紡織品

具有調(diào)節(jié)溫度的智能紡織品種類繁多，如當(dāng)前市面上最為常見的溫濕度調(diào)節(jié)紡織品，是通過去除多余的水分來降低人體溫度，但這類紡織品只有在身體和織物之間的空氣處于高濕度水平時(shí)才能被觸發(fā)，這限制其在濕度水平較低時(shí)的應(yīng)用。另外還有其他溫控技術(shù)，包括帶有相變材料的冷袋紡織品、空氣冷卻紡織品和液體冷卻紡織品等，但也都有其局限性。研究人員為了解決這類問題，在開發(fā)熱調(diào)節(jié)紡織品方面做了大量的工作。馬里蘭大學(xué)利用一種在聚乙烯醇(PVA)聚合物基體中嵌入了氮化硼納米片(BNNSs)的復(fù)合材料進(jìn)行3D打印，制成能使人體溫度快速下降的智能溫控紡織品，如圖所示。

BNNSs具有二維結(jié)構(gòu)，有高達(dá)2 000 W/(m·K)的平面內(nèi)熱導(dǎo)率，為了利用BNNSs的平面內(nèi)熱性能，片材必須有良好的排列方向和均勻的分散。由于BNNSS在PVA溶液中進(jìn)行超聲處理時(shí)可以通過吸收的聚合物促進(jìn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此可以實(shí)現(xiàn)均勻的分散，同時(shí)，在纖維打印和進(jìn)一步的熱拉加工過程中，通過單軸延伸流動(dòng)引入了納米復(fù)合纖維，其中BNNSs形成良好的排列方向，從而形成聲子熱傳導(dǎo)的能量路徑。高度定向且相互連接可以提供更多導(dǎo)熱途徑，從而有效地提高了a-BN/PVA復(fù)合纖維的熱性能，a-BN/PVA紡織品可以沿看纖維釋放人體產(chǎn)生的額外熱量。紡織品將人體產(chǎn)生的額外熱量沿纖維釋放到周用環(huán)境中，從而為人體提供了熱舒適的微氣候，以達(dá)到降溫的目的。

形狀記憶紡織品

形狀記憶聚合物是一種能記住原始形狀的聚合物，在一定條件下改變其形狀，并能通過施加如熱、電、磁場(chǎng)等刺激，又恢復(fù)到原始形狀的高分子材料。形狀記憶聚合物最常使用的聚乳酸(PLA),也是3D打印中常使用的材料，因此形狀記憶聚合物可以通過3D打印技術(shù)進(jìn)行制作。目前對(duì)于使用3D打印技術(shù)打印形狀記憶聚合物的相關(guān)研究，主要涉及材料的兩方面，一類是使用百分百的純聚乳酸作為形狀記憶聚合物，但由于聚乳酸材料最長能延長10%,因此在進(jìn)行打印之前需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以克服這類限制。Langford等使用人字形折紙結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)問題，如圖所示。圖(a)是具有人字形折紙結(jié)構(gòu)的3D打印物。

圖(b)展示當(dāng)折疊時(shí)，物體體積變小。當(dāng)展開時(shí)，物體體積變大但物體上出現(xiàn)了細(xì)微的幾條裂紋，如圖(c)所示。

通常PLA長絲的恒定恢復(fù)率約61%,而人字形折紙結(jié)構(gòu)的恢復(fù)率提升到約96%。另一類是采用聚乳酸復(fù)合材料進(jìn)行3D打印。Guido Ehrmann、Andrea Ehrmann利用FDM 3D打印機(jī)，通過將80%的PLA與20%的Fe04混合，形成固體混合物并將其粉碎，然后在雙螺桿擠壓機(jī)中擠壓打印了一種骨小梁多孔結(jié)構(gòu),如圖所示。通過施加30 KHz的交變磁場(chǎng)，僅在14~24 s后就達(dá)到了95%以上的形狀恢復(fù)。

智能電子紡織品

智能電子紡織品集成了傳感器、微控制器、執(zhí)行器、連接設(shè)備和能源等電子元件，傳統(tǒng)的電子元件多由金屬、塑料等材料制成，發(fā)生彎折、扭轉(zhuǎn)、拉伸等情況時(shí)容易導(dǎo)致不可逆變形，從而影響電子元件的正常功能，但柔性材質(zhì)的運(yùn)用可以彌補(bǔ)上述問題。這類柔性電子元件不僅能夠?yàn)槿藗兊娜粘Ｉ钐峁┍銛y功能，而且由于其與人體皮膚接口的能力提高，還可以用來監(jiān)測(cè)人體的健康信息。然而，柔性電子元件的傳統(tǒng)加工技術(shù)，對(duì)于功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子元件的加工會(huì)有局限。因此，3D打印的三維快速成型的加工方式受到關(guān)注。目前，各種3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性電子設(shè)備，為了增加對(duì)產(chǎn)品不同功能需求的適應(yīng)性，越來越多的柔性材料被應(yīng)用到3D打印技術(shù)中。例如楊慧等利用PCL10K和甲基丙烯酸異氰乙酯的化學(xué)反應(yīng)合成的聚己內(nèi)酯(PCL),可以作為3D打印的柔性材料。通過商用的SLA打印機(jī)將聚己內(nèi)酯(PCL),打印成柔性裝置，并在上面涂上導(dǎo)電材料，如銀納米粒子或碳納米管(CNTS),形成具有形狀記憶性能的3D打印柔性電子裝置，如圖所示。

其中，圖(a)的設(shè)備由一個(gè)3D形狀記憶聚合物打印物體組成。圖(b)是在室溫下將銀納米粒子以燒結(jié)工藝添加到具有形狀記憶性能的3D打印物體表面，制造的柔性電溫度傳感器。圖(c)中，當(dāng)柔性電溫度傳感器遇到溫度上升后，它的形狀發(fā)生變化，由開放電路變成關(guān)閉電路并點(diǎn)亮發(fā)光二極管。使用3D打印技術(shù)打印的具有形狀記憶行為的柔性傳感器，不僅賦予了電子設(shè)備以新的功能，而且在改變?nèi)伺c電子設(shè)備的互動(dòng)方式的同時(shí)，也在提高產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了重要的作用。

結(jié)語

目前市面上有幾十種3D打印機(jī)，不同類型的機(jī)器可以根據(jù)要求選擇適合的打印材料，但3D打印技術(shù)無論是機(jī)器或材料都依然存在一定的局限性。3D打印智能紡織品，除了需要滿足功能性外，還應(yīng)滿足最其本的織物屬性，這些都受到3D打印機(jī)器和材料的限制，另外還有尺寸、強(qiáng)度、形變等也是需要關(guān)注的問題。3D打印智能紡織品主要是智能數(shù)字化制造和新型材料的應(yīng)用，隨著紡織工業(yè)、智能數(shù)字化、新材料及3D打印技術(shù)等不同領(lǐng)域的融合發(fā)展，使得智能紡織品的生產(chǎn)制造更有靈活性，走向更具有個(gè)性化的生產(chǎn)模式。