纺织业的3D技术创新

3D打印(3DP)的出现吸引了学术界、工业界和业余爱好者的极大兴趣，因为它是一种通过自下而上的制造方法，以分层(lbl)生产的新方法，又称为“加法式”的制造方法(与术语3DP互换使用)，它通过添加材料并随后固化制造产品，与传统的减法制造方法不同，减法制造方法是将材料从一块材料中移除来创建产品。

使用3DP方法，从软弹性体到硬陶瓷和金属，从固体到多孔结构的物体，均可制造从几微米到几米大小的物体。尽管许多研究和工业领域都受益于3DP技术，但纺织制造业采用3DP尚缺乏技术支持。这是因为纺织材料和纺织结构的独特性和纤维形成聚合物数量有限所致。要在现有的条件下实现3DP技术，在目前的纺织业中并不容易。此外，纺织结构本身需要异质性和程序化的连续性，因此这很难实现高分辨率的3DP。

常见的3DP方法有（a）熔融沉积建模(FDM)；（b）直接喷墨(DIW)；（c）粘结剂喷射；（d）还原光聚合；（e）粉床熔合；（f）定向沉积。

有前途的技术

3DP一词广泛用于包括许多具体的特定技术，这些技术的区别在于（液态或固态）的初始材料或原料形式、材料的沉积（通过喷嘴或材料的累积实现）和物体的固化（热或光硬化）。虽然描述每一种3DP方法超出了本文的范围，但仍可参考最近的研发评论。

有两种3DP技术在纺织技术上显示出应用前景——材料挤压和还原光聚合。材料挤压3DP工艺包括推动材料通过可编程喷嘴链接到计算机控制的平移台上，以创建3D零件，即lbl。这包括基于丝状的挤出法，其中热塑性长丝熔化后用作打印材料，还包括诸如熔融沉积建模(FDM)和直接墨水书写(DIW)等技术。

另一种材料挤压技术包括基于滴管的挤压，如喷墨打印和直接按需打印。在基于液滴的挤压中，印刷材料通常是低黏度的流体，沉积在基板上凝固成形。还原光聚合（也称为立体平版印刷或SLA）通过固化光聚合物形成三维部件——软材料，在紫外线（UV）光照射（在某些情况下可见光）下从液体凝固为固体。

研发的局限

纺织品是通过独特的制造和组装方法生产的。几千年来，它们的基本底层结构一直没有改变；在纺织结构的层次结构中，高纵横比的纤维（长度的数量及较大的直径）被组装成纱线，然后编织或针织成纺织品。另外，也可以直接用纤维或聚合物生产无纺品。这些织物随后被制成产品。这种结构层次是必要的，以获得表面上相互冲突的纺织品性能要求，如强度和柔韧性。由此可明显看出，在整个纺织制造过程中，起始原料（聚合物）在机械性能和孔隙率方面经历了广泛的变化。

纺织性能的演变，如聚合物加工成纤维、纱线、机织/针织物和无纺。（a）拉伸强度和（b）拉伸模量被绘制成体积比的函数。（c）孔隙度的演变作为纺织品等级的过渡。从已公布的数据中获得的值用于最常见的纺织材料（棉花、聚酯、羊毛、尼龙及其混纺物）。

此外，大多数纺织品仅由纤维形成聚合物的一小部分组成：纤维素、蛋白质、聚酰胺(PAs)、聚酯[包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚丁烯对苯二酸酯(PBT)]、聚丙烯腈(PAN)和聚烯烃[包括聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)]。纤维形成聚合物可被认为是聚合物广泛的制造方法。

目前使用的一些材料在各类3DP技术中可被用于某些专业技术纺织应用，如聚己酸内酯、PP、PA技术，如直接喷墨打印和熔融沉积成型(FDM)、聚合物粉末的尼龙和聚氨酯(PU)的选择性激光烧结(SLS)技术。然而，如何利用这些材料来制作传统使用的纺织品仍然是个挑战。纺织品另一需要考虑的重要方面是其编程的不均匀性和各异向性，这使其具有空隙的结构和方向性。而纺织品最需要的透气性、舒适性和灵活性也成为受限的条件。

服装与纺织结构

3DP技术的某些应用上，虽然与纺织品3DP没有直接关系，但已创造了具有计划的异质性和空隙结构，主要用于生物系统，如组织支架。这些技术包括使用集成的组织器官打印机(ITOP)来创建由细胞负载的水凝胶和可生物降解聚合物组成的人体规模的组织结构，以及连续的液体界面生产(CLIP)，一种还原光聚合技术，以创建从50μm到大于 20厘米的无层无缝中空结构。

一些研究人员和设计师利用3DP工艺制作出可穿戴的服装，比如利用PA的SLS设计出一件悬垂裙，即SLS将薄薄的PU细丝叠放在一起，制成一件蕾丝质感的连衣裙，与3D打印流体通道相结合，形成可穿戴产品。但不能由此定义其他纺织品，而是加入/分层刚性块以突出褶皱。

在其他应用中，3DP也被用于装饰现有纺织品的表面，包括使用FDM将纤维素、聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和尼龙等与机织和针织物融合。同样，这些仅限于已生产纺织品的表面装饰。3DP在纺织产品中的应用主要侧重于再现纺织品的基本特性：柔软度、柔韧性、强度和孔隙率。

但这并非一成不变，有业界探索出一种有趣的方法，即将纤维成形、机器人辅助材料分配和当今的3DP技术结合，被称为机器人纤维装配和控制系统(RFACS)，它将熔化的无纺纤维网裁剪，然后沉积在人体模型形状的模具上，从而在没有任何接缝料或接缝的情况下，一步形成一件定制的服装。在最近的工作中，他们进一步探讨了RFACS在3DP应用于纺织生产(称为纤维印花)中的适用性。

3DP技术的纺织前景

最后，还需要强调的是，尽管现有的聚合物类型、精细纤维结构的研发以及在纺织纤维尺度上获得可接受的分辨率等因素限制了目前的3DP技术，但因它是改变纺织制造的一种非常有前途的技术，因此也不乏创新。

全球化、离岸外包和对低成本供应链的依赖加剧了一度强劲的美国国内纺织业的衰落；然而，替代性的制造技术，如纺织品的3DP和训练有素的劳动力提供了一个复兴纺织制造业的机会。

低成本的机器人技术、自动化和云计算的日益普及，能够使适当开发的3DP对纺织品进行本地改造和低成本定制。从长远来看，3DP有可能通过大规模定制、环境和社会可持续发展，显著改善供应链，原料使用和本土制造业，因此这样的基础设施可在未来全面推进全球纺织工业的竞争力。

（据美国高级纺织资源网https://advancedtextilessource.com/2020/08/24/textiles-and-3d-technology/近期资料）