3D打印如何改变纺织行业？

导读：近年来，3D 打印彻底改变了多个行业，现在它正在改变纺织品生产领域。南极熊将探讨3D打印技术在现代纺织工业中发挥的关键作用。



一、什么是 3D 打印？
3D 打印，也称为增材制造，是一项创新的制造技术，已迅速成为最重要的制造方法之一。在这个过程中，产品是根据特定的计算机辅助设计逐层构建的。在过去的几十年中，已经开发了几种不同类型的 3D 打印工艺，包括熔融沉积建模、立体光刻、选择性激光烧结、选择性激光熔化、数字光处理和熔丝制造。

与传统制造相比，3D打印方法具有多项优势，包括成本效益、时间短、能源节约、材料浪费显着减少以及高设计自由度。制造业、航空航天、交通运输、航天工业和建筑等多个行业已经广泛探索了这些方法的使用，并广泛实施了 3D 打印技术。

二、3D打印如何帮助纺织行业？
3D打印织物领域处于起步阶段，使用3D打印生产纺织品具有很大的优势。纺织业是水和物质资源的主要消耗者，给环境增加了很大的负担。目前，全球纺织业不可持续的现象日益明显，科学家们正在不断探索新的途径来改变该行业。

●3D 纺织品打印有可能显着减少生产用于服装和家具等用途的面料所需的资源数量。流程可以简化，使用更少的原材料、化学品和水。

●此外，使用 3D 打印方法可以显着减少产生的废料量。

●其他好处包括减少能源需求和碳排放、节省成本和增强设计自由度。

●多材料打印能力为传统制造技术无法实现的先进、创新材料设计提供了机会。

●3D 打印实现的另一项关键创新是制造具有嵌入式功能和独特结构的“智能”材料。


△Uncommon Alchemy用海藻打造可持续纺织品

简而言之，3D 打印是纺织行业的革命性解决方案。

三、3D 打印纺织品：灵活性和耐磨性问题
与传统制造的纺织品相比，3D 打印织物的一个关键挑战是它们的相对刚度，这限制了它们的耐磨性和舒适性。近年来，一些 3D 打印纺织品已被引入市场，但这些织物的广泛商业可行性受到此问题的限制。

研究人员已经提出了一些解决方案来克服这一限制并使得3D打印织物具有可拉伸性、柔软性和柔韧性等特性。三种主要方法是打印柔性结构单元、打印纤维和在纺织品上打印。

现已有几项研究探索了这个问题，为完全灵活和可穿戴的 3D 打印织物提供了不同的途径。例如，某些研究人员探索了具有锁子甲结构、几何结构和仿生结构的织物的发展。还有的研究者探索了将3D打印聚合物直接沉积在传统织物上以生产具有独特结构和功能的织物。


△锁子甲结构

四、3D打印织物的新研究

●近年来，针织品在世界各地生产，但使用传统针织方法生产服装的过程非常耗费资源，极大地增加了纺织行业的碳足迹。人们对 3D 针织品进行了研究，New Industrial Order等公司开发了可以 3D 打印单根纤维的机器。这项技术有望提高服装制造的循环性。衣服可以按订单生产，节省成本、材料、能源和浪费。无缝结构允许重复使用纱线来制造新服装。


△New Industrial Order针织品

●麻省理工学院在软织物方面的工作：麻省理工学院的研究人员用TPU开发出柔软的面料。他们主要开发了一种新的打印材料的结构。研究人员受到胶原蛋白的启发，胶原蛋白是生物有机体中的主要蛋白质之一，具有交织在一起的结构，具有增强的柔韧性和强度。研究人员提出，他们的创新可用于纺织行业以及医疗领域，如心血管支架、外科网片和支架。



△麻省理工学院的 3D 打印面料轻薄、柔软且富有弹性。

●生产具有增强冷却功能的3D打印织物：马里兰大学的科学家们已经开发出具有先进散热能力的 3D 打印材料。该材料的创新结构由聚乙烯醇和氮化硼组成，可最大限度地提高导热性，以一种方式将热量吸入材料并从另一种方式排出。从本质上讲，这将织物变成了一种低成本、无动力的空调，适用于运动服和日常服装。


△马里兰大学特殊的 3D 打印面料设计为穿着者降温

●NASA 的 Scale Maille 项目：太空探索领域需要能够应对严酷极端环境的材料。处于 3D 打印技术前沿的美国宇航局一直在寻求开发能够增强绝缘和保护外层空间恶劣环境的织物。NASA 正在进行的一个项目是生产“scale maille”，它可以用创新的柔性金属一体打印。它类似于鳞甲，具有增强的热控制、柔韧性、可折叠性和强度。几何形状和功能都可以打印，美国宇航局的科学家将其称为“4D打印”。


△可按需加固的智能锁子甲面料

●具有增强保护性能的材料：Wang 等人的一项研究。使用选择性激光烧结技术生产了一种创新的 3D 打印保护材料。这种材料由互锁的颗粒颗粒组成，可以在柔软、柔韧、耐磨的状态和硬化的保护状态之间切换。当施加压力时，这些粒子会互锁并形成坚硬的链甲状结构，其刚度是其松弛状态的 25 倍。分析表明，在这种硬化状态下，材料可以承受超过材料重量三十倍的载荷。（相关链接：DOI: 10.1038/s41586-021-03698-7）



●3D打印电子材料：Zhang等人已经使用 3D 打印创建了一种导电材料。该材料由碳纳米管的导电芯和丝素蛋白介电护套组成。这种智能材料可用于多种可穿戴电子设备的生物电采集织物。（相关链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.02.003）


△3D打印电子材料

总结
3D 打印为纺织行业及相关领域提供了一些创新的解决方案。虽然仍处于起步阶段，但已经为当前商业需求提供了许多解决方案，以此证明了3D打印在该领域的潜力。随着该领域的发展，3D 打印织物的制造无疑将不断创新发挥其更大的作用。