3D打印技術(shù)在紡織服裝領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)展

劉天元

（鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院，河南鄭州，451191）

3D打印技術(shù)起始于19世紀(jì)末的美國(guó)，經(jīng)過(guò)不斷研究創(chuàng)新，在21世紀(jì)已基本成熟。3D打印技術(shù)可將計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物，在醫(yī)療、工業(yè)、建筑等不同領(lǐng)域均有所應(yīng)用與發(fā)展［1］。同時(shí)3D打印作為一種快速成形制造方法，在個(gè)人制造和互聯(lián)網(wǎng)云制造的推動(dòng)下，已經(jīng)成為一種新型的設(shè)計(jì)制作潮流，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)計(jì)領(lǐng)域中［2］。

在經(jīng)濟(jì)全球化快速發(fā)展和科技現(xiàn)代化的時(shí)代背景下，多元化審美意識(shí)的發(fā)展已是大勢(shì)所趨，人們?cè)诩徔椃b及配飾品的設(shè)計(jì)理念中不斷創(chuàng)造并呈現(xiàn)出獨(dú)特、富有新鮮感的表達(dá)方式，來(lái)滿足不同人群對(duì)于不同審美理念的需求［3］。如今，對(duì)于絕大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，服裝已不僅僅局限于能夠遮羞蔽體、保溫取暖，而要兼具時(shí)尚潮流和功能性的標(biāo)志［4-5］。在這種需求驅(qū)動(dòng)下，紡織服裝領(lǐng)域?qū)τ?D打印技術(shù)的應(yīng)用及探索不斷深入，已經(jīng)成為紡織服裝領(lǐng)域內(nèi)研究熱點(diǎn)［6-7］。

1 3D打印紡織服裝技術(shù)

1.1 原理

3D打印技術(shù)又名快速成型技術(shù)、增材制造等［8］。它是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用光束、熱熔噴嘴等方式將塑料、金屬粉末、陶瓷粉末等特殊材料進(jìn)行層堆積黏結(jié)、疊加最終成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品，將虛擬的實(shí)體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理實(shí)體，被譽(yù)為第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具［9］。

1.2 方法

3D打印由于所使用原料和堆疊方法的不同，細(xì)化出的打印方式多種多樣?，F(xiàn)如今，使用較多且較為成熟的技術(shù)主要有5種。立體光固化成型（SLA）利用樹(shù)脂聚合反應(yīng)成型，原材料的利用率高，尺寸精度高，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良；選擇性激光燒結(jié)（SLS）采用光敏樹(shù)脂激光凝固成型，無(wú)需支撐，成型零件機(jī)械性能優(yōu)良；熔融沉積（FDM）采用擠壓熔絲成型，系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，材料無(wú)危害，成型零件變形??；層疊成型（LOM）采用層壓剪切成型，原型制作成本低，機(jī)械性能較好，無(wú)需后固化處理和支撐；立體噴墨（3DP）采用噴射黏結(jié)成型，成型速度快，價(jià)格相對(duì)低廉，粉末通過(guò)黏結(jié)劑結(jié)合。不同的3D打印方法根據(jù)其原理的不同都有特定的適用材料。在紡織服裝產(chǎn)業(yè)中，較為常用的為SLS和FDM。前者在成型零件表面平鋪一層細(xì)小粉末顆粒材料，將其加熱熔化、凝固，從而與零件實(shí)現(xiàn)黏結(jié)［10］。其優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單，精度高，可用材料多且利用率高等。后者是將絲狀材料快速加熱并融化成型，清潔環(huán)保，無(wú)需激光器可直接加工，成本較低。原材料多為卷軸絲狀，節(jié)省人力物力［11］。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)是對(duì)模型設(shè)計(jì)后通過(guò)打印機(jī)逐漸打印的一種快速成型技術(shù)，是物理、材料、計(jì)算機(jī)、制造等多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物，亦可用于紡織服裝領(lǐng)域。3D打印技術(shù)包括建模技術(shù)、成型工藝技術(shù)和材料技術(shù)3個(gè)方面［12-13］。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)出三維的虛擬模型，并對(duì)模型進(jìn)行必要的修整，以保證模型制造的精準(zhǔn)度［14］。模型設(shè)計(jì)后，對(duì)模型進(jìn)行3D成型處理。而3D打印技術(shù)成型的物質(zhì)基礎(chǔ)就是材料，材料的多樣性決定了3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性，目前能夠打印的材料已有2 000多種［15］。其中主要有金屬及其復(fù)合粉末、錦綸、光敏樹(shù)脂、塑料等。

2.1 3D打印紡織服裝材料

3D打印技術(shù)起初是應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域，直至21世紀(jì)初在互聯(lián)網(wǎng)、制造業(yè)以及其他不同領(lǐng)域得到廣泛推廣［16］。隨著時(shí)代的發(fā)展，3D打印材料種類多種多樣，其中主要有金屬及其復(fù)合粉末、聚合物、光敏樹(shù)脂、薄片材料等，包括樹(shù)脂、錦綸、金屬、陶瓷等，廣泛應(yīng)用于不同的工程領(lǐng)域。在紡織服裝領(lǐng)域中，3D打印的材料主要為錦綸、塑料等，種類少且缺乏傳統(tǒng)面料的舒適性和彈性，需進(jìn)一步努力探索，提高材料利用的多樣性。

在服裝領(lǐng)域，由于3D打印材料的限制，導(dǎo)致制作服裝的材料無(wú)法滿足穿著舒適、款式新穎、經(jīng)濟(jì)環(huán)保且智能化等條件，故而在符合面料和服裝要求方面遇到較大的困難，目前尚未找到合適材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的服裝面料［17］，基于此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者展開(kāi)了一系列的研究［18］。2018年，王一博等人通過(guò)調(diào)整打印墨水配比，成功打印出柔性鋰離子電池電極，并保證電池的穩(wěn)定容量輸出，為紡織服裝領(lǐng)域的柔性材料3D打印使用提供了思路［19］。2019年，潘剛偉等人通過(guò)對(duì)3D打印材料聚乳酸特性分析，對(duì)聚乳酸材料的不同改性方法進(jìn)行了綜述，對(duì)比了聚乳酸材料改性在不同領(lǐng)域的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)［20］。2020年，孫昭玲等人以ABS長(zhǎng)絲為材料，對(duì)噴絲前后的3D打印立體成型織物成品進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)噴絲后織物透氣、抗皺、抗彎及耐磨性能都顯著提升［21］。2021年，楊露等人在ABS長(zhǎng)絲研究的基礎(chǔ)上創(chuàng)新采用PLA長(zhǎng)絲代替，噴絲后表面平整光滑，透氣率高，3種打印結(jié)構(gòu)面料綜合性能優(yōu)良。隨著研究的繼續(xù)深入，3D打印服裝材料的種類也將越來(lái)越豐富［22］。

2.2 3D打印技術(shù)在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

在互聯(lián)網(wǎng)云數(shù)據(jù)與人工智能化的結(jié)合下，3D打印技術(shù)已成為必然發(fā)展趨勢(shì)［23］。隨之而來(lái)，越來(lái)越多的服裝設(shè)計(jì)者利用3D打印技術(shù)來(lái)表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想，完成設(shè)計(jì)作品，如時(shí)裝、智能服裝等。2010年，美國(guó)時(shí)裝設(shè)計(jì)師Iris van Herpen通過(guò)3D打印技術(shù)，創(chuàng)造出許多別出心裁的作品，如時(shí)裝禮服、“流動(dòng)的水”和“黑色蟒蛇”等著名作品，令人大開(kāi)眼界，一時(shí)激起服裝領(lǐng)域3D打印的浪潮［24-25］?，旣悺S與詹娜·費(fèi)瑟采用錦綸12防水材料，運(yùn)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)將泳衣模型打印出來(lái)，3D打印泳衣在服裝界問(wèn)世，在此基礎(chǔ)上，3D打印技術(shù)才真正地走進(jìn)服裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域［26］。2013年，耐克公司運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作出足球鞋，不僅具有較強(qiáng)的視覺(jué)沖擊力，還有利于提高運(yùn)動(dòng)員的沖刺能力；在同一時(shí)期繼耐克推出3D打印產(chǎn)品后，New Balance公司利用SLS 3D打印技術(shù)推出3D打印田徑跑鞋［27］。同年Michael Schmidt與Francis Bitonti運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的印花裙問(wèn)世，引起廣泛關(guān)注［28］。2016年，采用錦綸塑料材料設(shè)計(jì)了Kinematic禮服，采用3D打印技術(shù)打印成型，基于人機(jī)工程學(xué)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靈活，十分舒適［29］。2018年，張婷婷在綜合造型、結(jié)構(gòu)和色彩等3D打印服裝特征基礎(chǔ)上，在局部裝飾和服裝新形態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新，完成服裝作品創(chuàng)作［30］。2019年，田寶華等人通過(guò)對(duì)服裝設(shè)計(jì)、定制化服務(wù)和3D打印兵馬俑服裝等進(jìn)行分析，并對(duì)兵馬俑文創(chuàng)服裝進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，分析其優(yōu)勢(shì)和不足，提出了急需解決的3D打印兵馬俑服裝多色彩等問(wèn)題［31］。不同案例表明，3D打印技術(shù)打破了技術(shù)壁壘，結(jié)合服裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用需求用于服裝生產(chǎn)，突破傳統(tǒng)服裝生產(chǎn)的限制，可快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀。同時(shí)給我們生活帶來(lái)了無(wú)限的可能，不僅豐富了社會(huì)物質(zhì)生產(chǎn)，也對(duì)日常生活提供了更多的便利。

3 3D打印技術(shù)在紡織服裝領(lǐng)域的發(fā)展前景

3.1 3D打印服裝的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

基于時(shí)代的不斷發(fā)展，新興技術(shù)的興起與傳統(tǒng)行業(yè)的碰撞對(duì)3D打印紡織服裝的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，3D打印技術(shù)具有不可代替的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)工業(yè)在制造過(guò)程中不僅需要長(zhǎng)時(shí)間的制造周期，還需要消耗較多的材料資源［32-33］。但是對(duì)于3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，復(fù)雜零件可一次性完成，省去繁瑣的制造工序；生產(chǎn)效率高，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期；同時(shí)還可以滿足消費(fèi)者個(gè)性化設(shè)計(jì)需求。

現(xiàn)階段在傳統(tǒng)模式下定制服裝仍較為耗時(shí)，少則數(shù)月，長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，與此同時(shí)還需要顧客多次反復(fù)試穿，設(shè)計(jì)師需要不斷設(shè)計(jì)修改，以滿足顧客需求和服裝舒適和美觀性［34］。而結(jié)合3D打印輔助定制服裝，定制過(guò)程顯得較為輕松。如圖1所示，通過(guò)人體數(shù)據(jù)的輸入建立人體模型，以人體真實(shí)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，提高服裝產(chǎn)品的舒適度，結(jié)合人體模型設(shè)計(jì)三維款式服裝圖，后續(xù)選用適宜的材料對(duì)服裝進(jìn)行打印，在較短時(shí)間內(nèi)滿足顧客的定制需求［35］。

圖1 3D打印的服裝成品

3.2 3D打印技術(shù)的發(fā)展前景

根據(jù)現(xiàn)有研究可知，3D打印技術(shù)在服裝領(lǐng)域有著較大的優(yōu)化和上升空間。與傳統(tǒng)服裝生產(chǎn)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化生產(chǎn)，也省去了傳統(tǒng)制作過(guò)程中的繁瑣工序，3D打印技術(shù)作為增材制造，提高了現(xiàn)有材料的使用率，極大地降低了材料廢棄物的產(chǎn)生，節(jié)能環(huán)?！，F(xiàn)階段3D打印技術(shù)在服裝領(lǐng)域應(yīng)用中的成本還較高，主要針對(duì)個(gè)性化服裝制定和一些高端產(chǎn)品的生產(chǎn)，隨著研究的不斷深入，打印成本必將降低，在服裝領(lǐng)域中的應(yīng)用規(guī)模必將擴(kuò)大；同時(shí)隨著服裝領(lǐng)域打印材料的研究不斷加深，可用于3D打印的服裝材料越來(lái)越多，3D打印技術(shù)的發(fā)展必將進(jìn)入一個(gè)新的局面。

4 結(jié)束語(yǔ)

3D打印作為一種新興技術(shù)已經(jīng)深入到紡織服裝領(lǐng)域。3D打印的實(shí)現(xiàn)使設(shè)計(jì)脫離2D，開(kāi)啟了可穿戴3D服裝的世界。國(guó)內(nèi)外多所高校及企業(yè)相繼以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展了材料、工藝與設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。在紡織服裝領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為行業(yè)提供了新的發(fā)展方向，不僅是紡織服裝材料，還有紡織服裝的設(shè)計(jì)與制造工藝。隨著技術(shù)發(fā)展，已有企業(yè)改變傳統(tǒng)紡織品加工工藝，可直接將數(shù)字設(shè)計(jì)3D打印到色彩鮮艷的面料上并應(yīng)用于紡織品組裝，這也預(yù)示了以后3D打印在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，無(wú)論是在技術(shù)、設(shè)備還是材料及加工工藝方面都將有新的突破，以適應(yīng)現(xiàn)代突飛猛進(jìn)的科技發(fā)展和社會(huì)需求。