3D打印技術(shù)在可穿戴服裝中的應(yīng)用研究

周洪雷 徐 冉

1. 東華大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海200051；2. 同濟(jì)大學(xué)上海國際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院，上海200080

3D打印技術(shù)又稱“快速成型技術(shù)”或“三維立體打印技術(shù)”，是采用激光束或熱熔噴嘴將材料熔融再塑造的一項(xiàng)增材制造技術(shù)，被稱作第三次科技革命[1-2]。它作為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，涉及多個(gè)行業(yè)、多個(gè)領(lǐng)域。其中，3D打印作為實(shí)現(xiàn)服裝創(chuàng)意、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一門新技術(shù)，其制品在穿著的舒適性和能動(dòng)性方面還有所欠缺，這刺激著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了可穿戴服裝的創(chuàng)意、創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 3D打印服裝的技術(shù)概況與研究意義

3D打印服裝相較于傳統(tǒng)制衣，前者因原材料利用率高、資源浪費(fèi)少、工藝流程簡練、成型速度快及設(shè)計(jì)空間無限等特點(diǎn)，在服裝領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。盡管服裝是3D打印技術(shù)創(chuàng)意、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理想載體，但其對3D打印技術(shù)在柔韌性、牢固性、舒適性等方面提出了較高的要求，因此改良硬質(zhì)制品的組織結(jié)構(gòu)、研制穿戴性高的柔性材料具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，這將拓展3D打印技術(shù)在可穿戴服裝中的應(yīng)用。

2 3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 3D打印工藝

3D打印工藝類別多樣，代表性的3D打印工藝有熔融沉積成型(FDM)工藝、立體光固化成型(SLA)工藝、選擇性激光燒結(jié)(SLS)工藝、分層實(shí)體制造(LOM)工藝及三維印刷(3DP)工藝[3]等。其中：SLA工藝的研究最深入，應(yīng)用也最早，多用于功能零件的制造；FDM工藝?yán)眉訜崛廴诩夹g(shù)成型，其制品耐高溫，常用于航空航天和汽車工業(yè)等領(lǐng)域；SLS工藝?yán)眉す馊廴诩夹g(shù)成型，可加工材料廣泛，是應(yīng)用最普遍的一種3D打印服裝技術(shù)。表1簡要羅列了3D打印服裝常用的SLA工藝、FDM工藝、SLS工藝的狀況。

表1 SLA工藝、FDM工藝、SLS工藝簡介

有研究指出，SLS工藝與FDM工藝的制品硬度較高，可通過改進(jìn)材料成分或制品結(jié)構(gòu)來改善制品的彈性與柔韌性，使其滿足服裝穿著的要求[4]。另外，3D打印工藝作為數(shù)字化的科學(xué)技術(shù)，其周密的參數(shù)設(shè)置有利于制品達(dá)到理想的效果。韓江等[5]通過設(shè)計(jì)并分析得出，層高、打印速度、打印溫度是影響打印精度的核心因素。屈晨光等[6]以ABS為試驗(yàn)材料，研究了環(huán)境溫度對制品成型精度的影響，并就原料性能、制品的收縮率和翹曲率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度越高，制品的翹曲率越低，制品的成型精度越高。

當(dāng)前，3D打印服裝工藝的選擇較為固定，且服裝的成型多依靠復(fù)合材料的研發(fā)與助劑的添加來實(shí)現(xiàn)。此外，設(shè)備的更新?lián)Q代也與3D打印工藝的進(jìn)步息息相關(guān)。

2.2 3D打印材料

3D打印技術(shù)可選擇的材料眾多，在可穿戴服裝領(lǐng)域，選材多以尼龍、工程塑料、光敏樹脂、環(huán)保生物材料、柔性聚氨酯等為代表。

2.2.1 尼龍

尼龍即PA，其具有良好的拉伸強(qiáng)度、彈性和韌性，適用于服裝的打印，但打印制品的精度較低，不能滿足人們對衣物表面柔滑的穿著要求[7]。對此，安妮等[8]156研究發(fā)現(xiàn)，先提高滌綸、丙綸、腈綸、維綸等傳統(tǒng)纖維溶解(或熔融)后溶液(或熔體)的濃度，再以加工PA的方式進(jìn)行3D打印，所得制品的打印精度有所提升。馬乾坤等[9]指出，研發(fā)新材料或研制專用成型設(shè)備是推進(jìn)3D打印技術(shù)在服裝中運(yùn)用的主要?jiǎng)恿Α?/p>

2.2.2 工程塑料

當(dāng)下，用于打印可穿戴服裝的工程塑料以ABS為主。ABS作為熱塑性材料，具有強(qiáng)度高、韌性高、耐低溫及出絲順暢、著色力強(qiáng)等特點(diǎn)，其打印制品的表面較PA更細(xì)膩[10-11]，但打印時(shí)若加熱溫度不均勻，則會(huì)產(chǎn)生濃烈的氣味或造成裂痕或遇冷收縮等問題。針對這些現(xiàn)象，有研究者通過添加試劑或利用共混改性的方法，提升了ABS材料的性能。SHOFNER等[12]發(fā)現(xiàn)，含有10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))碳纖維的ABS材料的拉伸強(qiáng)度和彈性較大；方祿輝等[13]采用熱塑性塑料對ABS進(jìn)行共混改性，發(fā)現(xiàn)改性后ABS材料的流動(dòng)性較強(qiáng)；鄒錦光等[14]在鈦酸酯偶聯(lián)劑的作用下，利用納米導(dǎo)電炭黑對ABS進(jìn)行改性，使其具備導(dǎo)電性能。

2.2.3 光敏樹脂

光敏樹脂是目前最通用、最成熟的3D打印材料，其強(qiáng)度和精度高，液體流動(dòng)性強(qiáng)，固化速度快，成品表面光滑細(xì)膩，因而被廣泛應(yīng)用在服裝及其配飾的制作中，是個(gè)性化定制產(chǎn)品追捧的材料；但光敏樹脂不耐高溫、不防水，因此用該材料制作的服裝應(yīng)避免水的浸漬和高溫暴曬。

2.2.4 環(huán)保生物材料

PLA是一種可降解的環(huán)保生物材料，其拉伸性能和熔融性能俱佳，在服裝領(lǐng)域被視為最具應(yīng)用價(jià)值的聚合物，但PLA制品的脆性大，熱穩(wěn)定性差，韌性和抗沖擊強(qiáng)度明顯不及ABS制品，故不適宜加工很薄的服裝部件。可通過引入其他單體來改變PLA的分子結(jié)構(gòu)，達(dá)到性能改善的目的；還可通過共混、填充、納米復(fù)合等方法制備各種類型的復(fù)合材料，改善PLA的韌性與強(qiáng)度。陳衛(wèi)等[15]在制備的改性PLA中加入擴(kuò)鏈劑，使其拉伸強(qiáng)度提升至原來的140%。鄢國強(qiáng)等[16]研發(fā)了一種拉伸性強(qiáng)、柔韌性高且耐高溫的改性PLA復(fù)合材料，用該材料進(jìn)行3D打印的制品質(zhì)地光滑且收縮率大幅降低。程燕婷等[17]42對比了不同條件下的打印效果，發(fā)現(xiàn)打印溫度、分層厚度、擠出速度等參數(shù)的設(shè)置是提升PLA制品打印效果的關(guān)鍵。

2.2.5 柔性聚氨酯

比利時(shí)MATERIALISE NV公司研制的一款名為TPU92A-1的柔性聚氨酯，具有靈活性高、抗撕裂、拉伸力強(qiáng)及耐溫范圍廣等特點(diǎn)，能在壓迫外力撤除的瞬間回復(fù)到原來的狀態(tài)[18]。目前，很多設(shè)計(jì)師使用該材料制作一次性內(nèi)衣和秀場禮服。例如：2018年，設(shè)計(jì)師Vanessa Schindler采用TPU92A-1制作了薄紗裙上的海洋貝殼造型；同年，巴黎時(shí)裝周上推出了Ludi自然系列服裝，其將聚氨酯薄膜、皮革、織物三者相結(jié)合，所得服裝輕盈柔軟、層次豐富且貼合人體。TPU92A-1的出現(xiàn)彌補(bǔ)了彈性3D打印用材料領(lǐng)域的空白，且隨著時(shí)間的推移，TPU92A-1在3D打印可穿戴服裝中的運(yùn)用將更加廣泛。但TPU92A-1作為一種塑料混合物，其性能受穿著時(shí)間和外部環(huán)境的影響，還具有不透氣性，因此有待進(jìn)一步的優(yōu)化。

2.3 制品的組織結(jié)構(gòu)

柔韌性和舒適性是影響3D打印服裝可穿著性的核心因素。

安妮等[8]156借助點(diǎn)、線、面、體等設(shè)計(jì)要素對制品的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提升了3D打印束身衣的柔軟度；Mary Huang采用幾何扣環(huán)的結(jié)構(gòu)打印出比基尼[19]；談靜[20]采用環(huán)環(huán)相扣的“S”形套鏈設(shè)計(jì)出服帖的3D打印服裝?？梢?，通過重組組織結(jié)構(gòu)的方式可使3D打印的硬質(zhì)服裝變得“柔軟”。圖1所示為多個(gè)鉸鏈結(jié)構(gòu)組成的3D打印連衣裙，該裙貼體且可折疊，甚至可隨人體擺動(dòng)而飄動(dòng)。

圖1 鉸鏈結(jié)構(gòu)組成的3D打印連衣裙

仿織物組織結(jié)構(gòu)的3D打印是另一種制柔方式，其從3D空間的角度塑造機(jī)織面料[21]或模擬針織面料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改善3D打印服裝過硬的現(xiàn)狀。例如：程燕婷等[17]42基于建模建立的緯平針組織模型進(jìn)行打印，其制品體現(xiàn)出紗線線圈之間相互串套的關(guān)系，效果很好。

此外，還可因地制宜地使用創(chuàng)新制品組織結(jié)構(gòu)的方法，例如在肘部、腰部、頸部等對服裝舒適度要求較高的部位進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)的變化，在肩部、胸部、袖口等對服裝舒適度要求較低的部位采取夸張的造型設(shè)計(jì)，以此提升3D打印可穿戴服裝的創(chuàng)意性和舒適性。

3 3D打印技術(shù)在可穿戴服裝中的創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 材料創(chuàng)新

3.1.1 金屬材料

2019年，美國宇航局(NASA)開發(fā)出適用于航空航天領(lǐng)域的3D打印金屬太空織物。該織物的一面反射光，另一面吸收熱，可折疊，并具有一定的抗拉強(qiáng)度和被動(dòng)熱管理等特性，且試驗(yàn)表明，這種織物是打造未來宇航服和航天防護(hù)罩的絕佳材料。

除金屬太空織物外，鎳鈦合金因具有記憶功能而被設(shè)計(jì)師 Van Dongen 用來制作3D打印響應(yīng)式可穿戴服裝。該服裝可因環(huán)境溫度的改變而發(fā)生形變，展現(xiàn)了設(shè)計(jì)師動(dòng)態(tài)式仿生的設(shè)計(jì)理念。

3.1.2 納豆生物材料

美國麻省理工學(xué)院與英國皇家藝術(shù)學(xué)院就納豆生物材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)納豆中的一種古細(xì)菌能對汗水和濕氣做出張開或收縮的反應(yīng)。因此，利用這一生物特性研發(fā)出3D打印的生物混合材料——BioLogic，用于制作可自動(dòng)散熱和排汗的體育服裝。這一研究成果肯定了3D打印技術(shù)用于制作環(huán)保型可穿戴服裝的可能性。

3.1.3 新型工程塑料

德國Orbi-Tech公司推出的一種柔韌度極高的透明線材——Bendlay比ABS柔軟，比PLA緊密，且極具彈性，更適用于打印鞋子等。

Elasto Plastic由著名的3D打印產(chǎn)業(yè)服務(wù)商Shapeways研發(fā)，其具有高抗沖擊性、高彈性和耐壓縮性，常用于打印服裝配飾；但該材料不耐高溫，不能靠近火，因此仍處在測試階段。

3.2 設(shè)備創(chuàng)新

Object Connex multimaterial 3D打印機(jī)及Electroloom 3D纖維打印機(jī)為3D打印服裝帶來了新的制作方式和造型效果。

Object Connex multimaterial 3D打印機(jī)可同時(shí)加工兩種不同質(zhì)地的材料[22]。2014年，Iris Van Herpen 首次使用此打印機(jī)制作出布滿尖錐形態(tài)的服裝。

Electroloom 3D纖維打印機(jī)的工作原理與電鍍金屬類似，通過先給人體模型噴漆，待噴射材料固化后即獲得柔軟的服裝。該服裝柔軟舒適，且高度符合人體體型。

3.3 色彩創(chuàng)新

3D打印技術(shù)中，色彩的實(shí)現(xiàn)方式目前有兩種：使用彩色打印耗材，但選色范圍較?。皇褂脟娖嵬可?，但色彩易因磨損而脫落。

像素是2D打印機(jī)生成圖像的核心構(gòu)成部分。若3D打印制品由體素構(gòu)成，則可基于此改變當(dāng)下3D打印制品顏色單一的現(xiàn)狀。德國弗勞恩霍夫計(jì)算機(jī)圖形研究所借鑒2D印刷與彩色成像技術(shù)，提出半色調(diào)二維打印技術(shù)及物體表面顏色計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了在3D打印過程中精確加入顏色，且打印效果較好。荷蘭設(shè)計(jì)師Alissia Melka-Teichroew基于3D打印技術(shù)及所用材料的特質(zhì)，設(shè)計(jì)了一款色彩鮮艷的項(xiàng)鏈。此外，還有研究提出了三重噴射技術(shù)，該技術(shù)使鞋類在制作過程中可選用多達(dá)82種有色材料。

早期的Connex3只有黑、白、灰和半透明色彩可選?，F(xiàn)在，3D打印用的原料——橡膠已能夠加入剛性不透明的光聚合物中，使Connex3能夠在黑、白、黃、紅等46種鮮明的色彩中進(jìn)行選擇，大大拓寬了材料的選擇范圍，這是3D打印在色彩拓展上的實(shí)質(zhì)性提高[23]。

4 發(fā)展趨勢

3D打印技術(shù)的普及和推進(jìn)使可穿戴服裝逐步向著智能化和功能化的方向發(fā)展，其未來趨勢體現(xiàn)在：

(1) 材料。環(huán)?？山到馍锊牧稀⒅悄懿牧霞肮δ芴荻炔牧鲜强纱┐鞣b未來創(chuàng)新和研發(fā)的重要課題。

(2) 形式。醫(yī)療檢測用3D打印智能服裝、防護(hù)服類3D打印功能性服裝為可穿戴服裝的發(fā)展提供更多的可能性。

(3) 打印組織結(jié)構(gòu)。改變材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)和仿織物組織結(jié)構(gòu)打印皆可達(dá)到服裝制柔的效果，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及力學(xué)性能欠佳，3D打印可模仿“三向”織物的方式，以期達(dá)到彈性與牢固性兼得的3D打印制品。