3D、4D紡織品
——世界高科技紡織研發(fā)與創(chuàng)新

文/王欣

任何進(jìn)行過粗略探究的人都會(huì)發(fā)現(xiàn)，3D紡織品這個(gè)一度模糊的術(shù)語為紡織行業(yè)創(chuàng)造了無數(shù)途徑和大量的機(jī)會(huì)。例如，在谷歌搜索引擎上隨意查找3D紡織品，它立即顯示數(shù)億次的點(diǎn)擊量。而涉及的品種則更是不計(jì)其數(shù)，有傳統(tǒng)紡織、針織、無紡和非傳統(tǒng)印花的3D版本，以及各式各樣的應(yīng)用程序。有的清晰易懂，有的則需深入探索。相關(guān)的工程師們對(duì)此樂此不疲，期待著盡早適應(yīng)并接受3D紡織品。與此同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師也越來越擅長(zhǎng)于織物或更合適的纖維材料的設(shè)計(jì)，期望凸顯技術(shù)專長(zhǎng)，符合視覺或觸覺上的專業(yè)要求。

3D紡織品功能全面，性能明確，這也是它一直最讓人感興趣之處?？紤]到3D紡織品的制造可通過各種紡織技術(shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的生產(chǎn)模式，因此其應(yīng)用廣度幾乎毫無止境。

3D紡織與3D編織設(shè)備蜂擁而來

全球業(yè)界對(duì)3D紡織和3D編織興趣愈發(fā)濃厚，對(duì)應(yīng)用的開發(fā)主要集中在復(fù)合材料領(lǐng)域，重點(diǎn)仍然是通過揚(yáng)長(zhǎng)避短，甚至用纖維材料替代鋼材已提上研發(fā)議事日程。美國(guó)權(quán)威3D紡織專家表示，3D織物的應(yīng)用為復(fù)合材料替代鋼材創(chuàng)造了條件。它可用以編織坯料或制造近似預(yù)制件，然后通過復(fù)雜的設(shè)計(jì)制造出精確的形狀。這樣做不僅可減重，還可節(jié)省勞動(dòng)力，提高持久的可靠性。美國(guó)一些公司甚至正在研發(fā)專用于3D織機(jī)的LEAP噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉，這就是最好的多用途例證。所謂的LEAP引擎模塊就是通過控制纖維材料的放置和縫合紗線的路徑實(shí)現(xiàn)特定的性能。

用復(fù)合材料制造的風(fēng)扇扇葉比金屬發(fā)動(dòng)機(jī)的等效金屬部件減輕重量100余公斤，復(fù)合材料同時(shí)還擁有比層壓金屬復(fù)合材料更高的抗沖擊性。

全世界的機(jī)械制造商在3D領(lǐng)域越來越活躍，他們對(duì)3D機(jī)織復(fù)合材料興趣盎然，不斷推陳出新。從歷史上看，3D織機(jī)既是傳統(tǒng)2D織機(jī)的改進(jìn)版，也是根據(jù)特定產(chǎn)品概念的定制品。瑞士史陶比爾集團(tuán)以其提花經(jīng)紗控制工藝系統(tǒng)而聞名。在過去幾年，該集團(tuán)推出技術(shù)面料織造系統(tǒng)，一種采用模塊化設(shè)計(jì)的重型織機(jī)，與其提花機(jī)或單體經(jīng)紗切割控制系統(tǒng)配合，產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活，其織造能力強(qiáng)大得難以置信。

無獨(dú)有偶，德國(guó)林道爾·多尼爾公司的創(chuàng)新織機(jī)可用于制造技術(shù)性、工業(yè)性和高性能織物，因此遠(yuǎn)近聞名。該公司不甘落后，最近推出一系列直接針對(duì)復(fù)合材料行業(yè)的3D編織機(jī)。目前其復(fù)合材料生產(chǎn)系統(tǒng)含一臺(tái)專為編織3D預(yù)制件而設(shè)計(jì)的設(shè)備，及一條擴(kuò)展型單線和專用于紡織粗紗和鋪展?fàn)恳龓У脑O(shè)備。

德國(guó)多尼爾公司最新研發(fā)的厚織物織機(jī)具有集成導(dǎo)向和水平卷取的特點(diǎn)，適用于復(fù)合材料行業(yè)。

3D針織異軍突起

最近西方業(yè)界媒體出現(xiàn)兩篇熱門文章：“未來針織：用高科技武裝起來的古老針織工藝”“3D針織背后的高科技”，兩文集中談到3D與緯編針織的出現(xiàn)、針織3D結(jié)構(gòu)、3D維度控制及用戶界面的改進(jìn)、更高效的針織產(chǎn)品設(shè)計(jì)等。

3D針織不僅擁有產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)機(jī)器進(jìn)行簡(jiǎn)單編程和裝載紗線即可生產(chǎn)完整的服裝。它甚至能將可穿戴電子產(chǎn)品整合到完全成型的針織產(chǎn)品中，其中一些3D產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng)。美國(guó)先進(jìn)功能纖維制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(AFFOA)通過聯(lián)邦資助創(chuàng)建了旨在將紡織技術(shù)用于集成設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的項(xiàng)目。AFFOA的研發(fā)課題之一是如何讓3D針織有效地創(chuàng)造出復(fù)雜的形狀。高盛公司一篇文章援引了AFFOA公司首席執(zhí)行官兼麻省理工學(xué)院材料科學(xué)和電氣工程教授約爾·芬克的話：“未來消費(fèi)者不必再為襯衫付錢，而是為襯衫的功能付錢。你付了服務(wù)費(fèi)，就得到這樣的紡織品?！碑?dāng)然，這只是紡織品的一種未來觀。

美國(guó)3D研發(fā)風(fēng)起云涌，經(jīng)編織物制造商一直在以煥然一新且振奮人心的方式推進(jìn)技術(shù)的多功能化，其應(yīng)用范圍從時(shí)尚到家居，無一例外地瞄準(zhǔn)了消費(fèi)者與紡織業(yè)市場(chǎng)。

3D無紡與添加劑制造崛起

從宏觀紡織業(yè)看，3D打印在許多領(lǐng)域都引起業(yè)界的興趣和關(guān)注。其本質(zhì)之一是更精密的復(fù)合無紡布。聚合物被擠壓到收集帶上或與之結(jié)合的平臺(tái)上即可創(chuàng)造出清晰的織物結(jié)構(gòu)。其真正的區(qū)別在于紡粘材料通常具有隨機(jī)取向和粘合圖案的特點(diǎn)，而3D打印件則有精確分層和特定位置。但無論3D打印是否屬于紡織品制造工藝的延伸，它無疑都成為近年來技術(shù)和業(yè)界媒體的寵兒。

最初，許多人認(rèn)為，3D打印可創(chuàng)造難以置信的復(fù)雜形狀和創(chuàng)新的方法，現(xiàn)在被視為一種制造機(jī)會(huì)或解決瑕疵的獨(dú)特方案。實(shí)際上3D打印概念或它的重要性在于它可實(shí)現(xiàn)所有設(shè)想。3D打印最初在快速原型制作中得到認(rèn)可，由此可制作詳細(xì)而精確的產(chǎn)品，可對(duì)概念和理論進(jìn)行探索和評(píng)估。隨著技術(shù)進(jìn)步和興趣產(chǎn)生，人們已開發(fā)出全新且先進(jìn)的聚合物系統(tǒng)，改進(jìn)印刷的“金屬”，添加纖維介質(zhì)作為材料的強(qiáng)化介質(zhì)，并且可提高3D印刷結(jié)構(gòu)的層與層間的完整性。隨著添加介質(zhì)或入料工藝的進(jìn)步，3D打印機(jī)的尺寸、范圍、復(fù)雜性和一致性也得到極大的改善。在過去幾年中，3D打印機(jī)已從最初的桌面模型發(fā)展到能生產(chǎn)近一立方英尺大小的產(chǎn)品。盡管所生產(chǎn)物體積受限，但依然是核心競(jìng)爭(zhēng)力所在。在不久的將來，3D打印機(jī)能生產(chǎn)體積與汽車一樣大小或更大的產(chǎn)品。

3D打印現(xiàn)被視為一種有效的制造技術(shù)。它尤其運(yùn)用在需要規(guī)模化制造的產(chǎn)品上，這是因?yàn)槠渖a(chǎn)過程過于復(fù)雜，又或?yàn)榇蚱苽鹘y(tǒng)制造方法的限制應(yīng)運(yùn)而生。其優(yōu)勢(shì)仍然是產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能性更高，簡(jiǎn)化了復(fù)雜零件的整體制造難度，縮短了生產(chǎn)周期并減少了勞動(dòng)力成本。這與所需占地面積相對(duì)較小，且能與入料可靠性高的特點(diǎn)相結(jié)合，為內(nèi)部生成替換零件提供大量現(xiàn)成的機(jī)會(huì)，而不用與原始設(shè)備制造商（OEM）和零件供應(yīng)商打交道。它就像遠(yuǎn)洋巨輪甚至未來的太空旅行一樣，為難以企及的領(lǐng)域開創(chuàng)了先機(jī)，例如過去隔月或隔周交貨變?yōu)楦粢菇回?，這為業(yè)界又提供了另一種機(jī)會(huì)。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，成本效益提高，產(chǎn)品規(guī)模變大，3D的潛在應(yīng)用會(huì)越來越寬廣。

4D紡織品

3D研發(fā)尚在途中，4D業(yè)已出現(xiàn)。美國(guó)在4D領(lǐng)域已捷足先登。杰斐遜大學(xué)和富布萊特專家項(xiàng)目的跨學(xué)科專家克里斯·帕斯托博士提出：“為什么不在最新報(bào)道中提到4D紡織品？”而麻省、哈佛、亞琛等大學(xué)已開始探索將紡織品和其他可編程材料與3D打印相結(jié)合的可能性。據(jù)稱，幾年前，麻省自組裝實(shí)驗(yàn)室主任兼杰斐遜大學(xué)校友斯凱勒·提比特就提出了4D的構(gòu)想。4D紡織品是把時(shí)間維度與結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、寬度和深度相結(jié)合，向業(yè)界打開了另一廣闊的發(fā)展空間。

帕斯托博士解釋說：“將紡織材料柔韌性和彈性特點(diǎn)與3D打印的剛性聚合物結(jié)構(gòu)相結(jié)合。在這樣的系統(tǒng)下，利用加熱或新型動(dòng)力裝置來改變其形態(tài)，它們就會(huì)從二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。若想在3D打印結(jié)構(gòu)中加入形狀記憶聚合物，那么通過激活就可形成完全不同的結(jié)構(gòu)。在扁平紡織材料上通過3D打印網(wǎng)制造產(chǎn)品即可實(shí)現(xiàn)，并在將來得以應(yīng)用。然后，將這種動(dòng)力裝置應(yīng)用于平面結(jié)構(gòu)，且它會(huì)自行展開呈帳篷狀。仔細(xì)想想，你就能獲知4D紡織品的潛力究竟有多大！”

的確，這個(gè)概念可讓人浮想聯(lián)翩。業(yè)界可在YouTube網(wǎng)站上找到有趣的視頻作為例證，它顯示3D打印過后的平面結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)變成不同的形狀。其中最火的一個(gè)視頻顯示，一條看似直線的聚合物神奇地轉(zhuǎn)變?yōu)槁槭TI的首字母縮寫。

盡管4D紡織品尚未讓人熟知，但對(duì)擁有一定想象力且了解古老而又不斷發(fā)展的紡織技術(shù)的人來說，這類新型紡織品確實(shí)為他們提供了巨大的機(jī)會(huì)。

（據(jù)美國(guó)《紡織世界》http://www.textileworld.com/textile-world/features/2018/09/3d-textiles-embracing-the-depth/近期資料）