3D打印技术在功能性纺织品中的应用及发展趋势

1. 东华大学服装与艺术设计学院，上海 200051；2. 同济大学上海国际设计创新研究院，上海 200051

3D打印技术是一种通过逐层增加材料来生成三维实体的快速增材制造技术[1]。3D打印技术使得产品的制造更加智能、精准和高效[2]。近年来，3D打印技术得到了快速发展和广泛运用。它作为一种新的制造工艺，极大地推动了现代制造技术和控制技术的发展，同时带动了各个产业的优化升级。3D打印技术的进步为功能性纺织品的发展提供了契机。我国对功能性纺织品的需求量很大，主要是舒适功能纺织品，它们在医疗保健、卫生、防护及环保等领域运用广泛。功能性纺织品要具备舒适、卫生、防护、保健、可调节等功能[3]，用于医疗和环保等领域时还要满足生物相容性和安全性等要求。

1 3D打印材料现状

1.1 3D打印材料的产业规模

3D打印技术已在工业制造、建筑工程、航空航天及医疗卫生等领域得到广泛应用[4]。3D打印产业主要由制造装备、材料与服务组成，其中2017年材料的贸易额占比为26.9%[5]。图1给出了2017年3D打印产业中制造装备、材料、服务的产值占比。目前，3D打印材料主要有塑料、金属材料、陶瓷材料和碳纤维增强塑料等类别。表1归纳了这四种3D打印材料的优点及应用范畴。

图1 2017年3D打印产业中制造装备、材料、服务的产值占比

3D打印材料优点应用范畴塑料丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物具有良好的热熔性、冲击强度日用品、工程用品和部分机械用品聚己内酯具有可降解性、较低的熔点(约60 ℃)、极好的生物相容性药物传输设备、缝合剂光敏树脂具有较快的固化速度,表干性能优异高精度汽车、电子产品金属材料钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金、镁合金生产效率高,质量高,制备成本低航空航天、医疗、工业产品氧化铝陶瓷具有高抗弯强度、高硬度、优良的抗磨损性等刀具、磨轮、球阀、轴承陶瓷材料碳化钛陶瓷具有较高的熔点、热稳定性、屈服强度和高温强度,良好的耐腐蚀性和抗氧化性,常温下具有良好的导热、导电性能航空航天、高端武器、船舶、汽车、电子产品碳纤维增强塑料短碳纤维增强改性工程塑料、连续碳纤维增强塑料及复合材料具有高强度、高冲击韧性、耐热耐腐蚀性好、导电导热、可循环利用等特点航空航天、高铁、新能源、汽车、机械、电子、体育运动器材和医疗器材

1.2 3D打印技术在功能性纺织品中的应用

功能性纺织品是指具有某些特殊性能，能满足人们特殊需求的纺织品[6]。利用3D打印技术，可将3D打印材料置于纺织品内部或外部，赋予纺织品新的功能特性。3D结构可黏附在纺织品表面，通过相应功能材料的添加，使纺织品具备期望的物理化学特性。2016年，以色列Nano Dimension公司与一家欧洲的功能性纺织品公司合作，尝试在织物上打印导线，成功获得了具备导电功能的织物[7]。英国Tamicare公司开发出一个制造系统Cosyflex，用于生产3D打印智能纺织品，其可将传感器和导线与织物同时进行打印，制造出一系列导电纺织品[8]。

3D打印材料种类繁多，不同的3D打印机器和技术可以打印不同的材料，生产出不同功能的产品。将3D打印技术与纺织品以不同方式结合，可以达到不同的效果。例如，通过3D打印技术在纺织品表层直接打印3D打印材料，可达到美观、装饰、耐久的效果；使用3D打印技术打印出不同的3D结构，并将3D结构与纺织品黏合，可赋予纺织品相应的功能；将具有导电导热能力的3D打印材料，如碳纤维增强材料，应用于纺织品中间层或底层，可赋予纺织品导电和导热功能。基于3D打印技术和3D打印所使用材料的不断突破，3D打印材料或3D结构(统称“3D打印件”)与功能性纺织品相结合，可使功能性纺织品获得多样的外观，或赋予功能性纺织品自身不能实现的功能，如导电导热等。目前，我国的3D打印技术正在高速发展，3D打印所使用材料正呈功能多样化趋势发展，3D打印技术与功能性纺织品结合，对我国智能化纺织品的研究将起到一定的推动作用。

1.3 3D打印技术应用于功能性纺织品的基本要求

(1) 功能性。在3D打印材料中融入功能性添加剂，如含有聚乳酸(PLA)纤维的3D打印颜料可以呈现出不同的颜色，并且具有荧光或金属效果；或将3D结构功能化，即通过3D打印，引入具有装饰性和功能性的结构元件，如用于连接、锚固和防护的机械结构元件，如图2所示[9]。

图2 3D打印件实例——锚固和连接元件

(2) 稳定性。除了通过3D打印技术在纺织品表面实现简单的功能外，3D打印件与纺织品稳定结合也是一个重要前提。3D打印件与纺织品结合成为一个整体，在其使用过程中，会经受洗涤和磨损等作用，影响其稳固性的最重要因素是3D打印件与纺织品之间的黏附性。

(3) 具备吸湿、保温、防水、透湿、抗菌、防霉、防污、防火、防静电、环保、可调节及防过敏等功能性纺织品的基本特性[10]。

2 3D打印功能性纺织品的研究成果及发展趋势

2.1 研究成果

目前，国内外的3D打印技术虽日渐成熟，但仍处于发展阶段。3D打印技术与功能性纺织品结合所体现的作用是提高纺织品的导热性、耐磨损性等功能，或呈现多样化的装饰效果。

武汉纺织大学开发出适用于3D打印的光固化蜡和高性能光固化树脂材料。该材料是利用纳米增韧剂和芳纶短纤维、浆粕增强剂改性丙烯酸酯类树脂，通过树脂增韧增强技术改性得到的，具有低收缩率、高精度和优异的力学性能等特点[11]。

瑞典博罗斯大学(University of Borås)、法国国立艺术与纺织工业学院(ENSAIT)、法国里尔一大GEMTEX(GEnie et Matériaux TEXtiles)实验室、法国北部里尔大学(Université Lille Nord de France)及苏州大学纺织与服装工程学院联合进行了“聚合物和纳米复合材料直接3D打印在纺织品上的黏附性能”的研究，结果表明PLA纤维丝对PLA织物的黏附性最大。此研究使用3D打印技术代替传统的喷墨打印技术，并且使用的PLA材料具有可持续、生态环保等特点，因此其研究成果肯定了使用3D打印技术制造环保和智能功能性纺织品的可能性[12]。

德国下莱茵应用技术大学和比勒费尔德中型企业应用技术大学联合进行了“机织物融入3D打印元素增强织物力学性能”的研究，结果发现，利用3D打印技术将碳纤维打印在机织物上(图3)，织物的横向拉伸强度较未打印碳纤维时增大[13]。

(a) 未打印碳纤维的机织物

(b) 打印碳纤维的机织物

2.2 发展趋势

近年来，我国对功能性纺织品的需求逐渐增多，这在一定程度上推动了功能性纺织品的研究和开发进程。3D打印技术的逐步成熟与发展，推动功能性纺织品往智能化、多功能化的方向发展。3D打印功能性纺织品的发展趋势可以从以下方面体现：

(1) 智能化。将3D打印技术与功能性纺织品相结合，可促进我国医疗事业的发展，如制备智能绷带、智能穿戴设备等，同时也可促进我国军事事业和工业的发展，如开发带有传感器的服装等。目前，出现了将电子工业和纺织领域的生产工艺相结合制备智能纺织品的发展趋势。

(2) 环保。功能性纺织品的发展主要指向环保且可循环。3D打印材料层出不穷，目前已出现许多生态环保、可降解的3D打印材料，如利用植物资源制成的PLA(聚乳酸)。利用3D打印技术与传统功能性纺织品结合，可获得新型生物降解纺织品、可重复使用织物等环保型的功能性纺织品。

(3) 高性能。在传统纺织品中嵌入3D打印材料，可增强纺织品的某些性能。CHEN等[14]将3D打印技术和静电纺丝结合，得到了能快速响应和可设计性增强的水凝胶致动器。

(4) 形式多样化。3D打印技术在功能性纺织品中应用，比如在纺织品上直接打印3D打印材料，或将3D打印结构黏附于纺织品上，使得功能性纺织品的形式更加多样化，为功能性纺织品的发展提供更多的可能性。

3 结语

本文分析了3D打印材料现状，通过分析目前3D打印技术和功能性纺织品结合的研究成果，指出未来基于3D打印技术的功能性纺织品的发展趋势；总结了3D打印技术在功能性纺织品中的应用，目前主要通过利用3D打印技术在纺织品上直接打印3D打印材料，以及利用3D打印技术打印出3D结构再黏附于纺织品上两种途径，尚未涉及利用3D打印技术直接制备功能性纺织品。笔者认为，目前的工业技术发展很难突破不能直接利用3D打印技术制备功能性纺织品的局限，因为所得制品无法满足纺织品的舒适功能要求。随着社会经济和生活水平的提高，功能性纺织品将在保证其舒适、卫生、防护、保健、可调节等功能的前提下，往智能、环保、高性能及形式多样的方向发展。3D打印技术为此提供了一定的可能性。