3D、4D纺织品——世界高科技纺织研发与创新

文/王欣

任何进行过粗略探究的人都会发现，3D纺织品这个一度模糊的术语为纺织行业创造了无数途径和大量的机会。例如，在谷歌搜索引擎上随意查找3D纺织品，它立即显示数亿次的点击量。而涉及的品种则更是不计其数，有传统纺织、针织、无纺和非传统印花的3D版本，以及各式各样的应用程序。有的清晰易懂，有的则需深入探索。相关的工程师们对此乐此不疲，期待着尽早适应并接受3D纺织品。与此同时，产品设计师也越来越擅长于织物或更合适的纤维材料的设计，期望凸显技术专长，符合视觉或触觉上的专业要求。

3D纺织品功能全面，性能明确，这也是它一直最让人感兴趣之处。考虑到3D纺织品的制造可通过各种纺织技术调整来实现应有的生产模式，因此其应用广度几乎毫无止境。

3D纺织与3D编织设备蜂拥而来

全球业界对3D纺织和3D编织兴趣愈发浓厚，对应用的开发主要集中在复合材料领域，重点仍然是通过扬长避短，甚至用纤维材料替代钢材已提上研发议事日程。美国权威3D纺织专家表示，3D织物的应用为复合材料替代钢材创造了条件。它可用以编织坯料或制造近似预制件，然后通过复杂的设计制造出精确的形状。这样做不仅可减重，还可节省劳动力，提高持久的可靠性。美国一些公司甚至正在研发专用于3D织机的LEAP喷气发动机风扇叶，这就是最好的多用途例证。所谓的LEAP引擎模块就是通过控制纤维材料的放置和缝合纱线的路径实现特定的性能。

用复合材料制造的风扇扇叶比金属发动机的等效金属部件减轻重量100余公斤，复合材料同时还拥有比层压金属复合材料更高的抗冲击性。

全世界的机械制造商在3D领域越来越活跃，他们对3D机织复合材料兴趣盎然，不断推陈出新。从历史上看，3D织机既是传统2D织机的改进版，也是根据特定产品概念的定制品。瑞士史陶比尔集团以其提花经纱控制工艺系统而闻名。在过去几年，该集团推出技术面料织造系统，一种采用模块化设计的重型织机，与其提花机或单体经纱切割控制系统配合，产品设计灵活，其织造能力强大得难以置信。

无独有偶，德国林道尔·多尼尔公司的创新织机可用于制造技术性、工业性和高性能织物，因此远近闻名。该公司不甘落后，最近推出一系列直接针对复合材料行业的3D编织机。目前其复合材料生产系统含一台专为编织3D预制件而设计的设备，及一条扩展型单线和专用于纺织粗纱和铺展牵引带的设备。

德国多尼尔公司最新研发的厚织物织机具有集成导向和水平卷取的特点，适用于复合材料行业。

3D针织异军突起

最近西方业界媒体出现两篇热门文章：“未来针织：用高科技武装起来的古老针织工艺”“3D针织背后的高科技”，两文集中谈到3D与纬编针织的出现、针织3D结构、3D维度控制及用户界面的改进、更高效的针织产品设计等。

3D针织不仅拥有产品设计方面的优势，对机器进行简单编程和装载纱线即可生产完整的服装。它甚至能将可穿戴电子产品整合到完全成型的针织产品中，其中一些3D产品已进入市场。美国先进功能纤维制造创新机构(AFFOA)通过联邦资助创建了旨在将纺织技术用于集成设备和联网系统的项目。AFFOA的研发课题之一是如何让3D针织有效地创造出复杂的形状。高盛公司一篇文章援引了AFFOA公司首席执行官兼麻省理工学院材料科学和电气工程教授约尔·芬克的话：“未来消费者不必再为衬衫付钱，而是为衬衫的功能付钱。你付了服务费，就得到这样的纺织品。”当然，这只是纺织品的一种未来观。

美国3D研发风起云涌，经编织物制造商一直在以焕然一新且振奋人心的方式推进技术的多功能化，其应用范围从时尚到家居，无一例外地瞄准了消费者与纺织业市场。

3D无纺与添加剂制造崛起

从宏观纺织业看，3D打印在许多领域都引起业界的兴趣和关注。其本质之一是更精密的复合无纺布。聚合物被挤压到收集带上或与之结合的平台上即可创造出清晰的织物结构。其真正的区别在于纺粘材料通常具有随机取向和粘合图案的特点，而3D打印件则有精确分层和特定位置。但无论3D打印是否属于纺织品制造工艺的延伸，它无疑都成为近年来技术和业界媒体的宠儿。

最初，许多人认为，3D打印可创造难以置信的复杂形状和创新的方法，现在被视为一种制造机会或解决瑕疵的独特方案。实际上3D打印概念或它的重要性在于它可实现所有设想。3D打印最初在快速原型制作中得到认可，由此可制作详细而精确的产品，可对概念和理论进行探索和评估。随着技术进步和兴趣产生，人们已开发出全新且先进的聚合物系统，改进印刷的“金属”，添加纤维介质作为材料的强化介质，并且可提高3D印刷结构的层与层间的完整性。随着添加介质或入料工艺的进步，3D打印机的尺寸、范围、复杂性和一致性也得到极大的改善。在过去几年中，3D打印机已从最初的桌面模型发展到能生产近一立方英尺大小的产品。尽管所生产物体积受限，但依然是核心竞争力所在。在不久的将来，3D打印机能生产体积与汽车一样大小或更大的产品。

3D打印现被视为一种有效的制造技术。它尤其运用在需要规模化制造的产品上，这是因为其生产过程过于复杂，又或为打破传统制造方法的限制应运而生。其优势仍然是产品设计可能性更高，简化了复杂零件的整体制造难度，缩短了生产周期并减少了劳动力成本。这与所需占地面积相对较小，且能与入料可靠性高的特点相结合，为内部生成替换零件提供大量现成的机会，而不用与原始设备制造商（OEM）和零件供应商打交道。它就像远洋巨轮甚至未来的太空旅行一样，为难以企及的领域开创了先机，例如过去隔月或隔周交货变为隔夜交货，这为业界又提供了另一种机会。随着技术不断发展，成本效益提高，产品规模变大，3D的潜在应用会越来越宽广。

4D纺织品

3D研发尚在途中，4D业已出现。美国在4D领域已捷足先登。杰斐逊大学和富布莱特专家项目的跨学科专家克里斯·帕斯托博士提出：“为什么不在最新报道中提到4D纺织品？”而麻省、哈佛、亚琛等大学已开始探索将纺织品和其他可编程材料与3D打印相结合的可能性。据称，几年前，麻省自组装实验室主任兼杰斐逊大学校友斯凯勒·提比特就提出了4D的构想。4D纺织品是把时间维度与结构的长度、宽度和深度相结合，向业界打开了另一广阔的发展空间。

帕斯托博士解释说：“将纺织材料柔韧性和弹性特点与3D打印的刚性聚合物结构相结合。在这样的系统下，利用加热或新型动力装置来改变其形态，它们就会从二维结构转变为复杂的三维结构。若想在3D打印结构中加入形状记忆聚合物，那么通过激活就可形成完全不同的结构。在扁平纺织材料上通过3D打印网制造产品即可实现，并在将来得以应用。然后，将这种动力装置应用于平面结构，且它会自行展开呈帐篷状。仔细想想，你就能获知4D纺织品的潜力究竟有多大！”

的确，这个概念可让人浮想联翩。业界可在YouTube网站上找到有趣的视频作为例证，它显示3D打印过后的平面结构可转变成不同的形状。其中最火的一个视频显示，一条看似直线的聚合物神奇地转变为麻省MTI的首字母缩写。

尽管4D纺织品尚未让人熟知，但对拥有一定想象力且了解古老而又不断发展的纺织技术的人来说，这类新型纺织品确实为他们提供了巨大的机会。

（据美国《纺织世界》http://www.textileworld.com/textile-world/features/2018/09/3d-textiles-embracing-the-depth/近期资料）