تقدم البحث في تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد في المنسوجات الذكية

المُقدّمة

مع النمو المتسارع لسوق الطباعة ثلاثية الأبعاد ، بدأت صناعة النسيج في الابتكار والتصنيع بطرق مختلفة باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، مثل المنسوجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد والملابس وإكسسوارات الموضة والأحذية. بالمقارنة مع المنسوجات التقليدية ، تتطلب المنسوجات الذكية تقنية تصنيع أعلى يمكن لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أن تحل هذه المشكلة على مستوى ما عن طريق الطباعة المباشرة بثلاثة أبعاد باستخدام مواد ذات خصائص ذكية لتصنيع المنسوجات الذكية. يمكن أن يوفر البحث في تطبيق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجال المنسوجات الذكية أفكارًا جديدة لتعزيز تطوير وتصميم واستغلال صناعة المنسوجات الذكية.

تصنيف Sسوق Textiles و Tوريث Applications

تعريف المنسوجات الذكية

المنسوجات الذكية هي منسوجات جديدة تدمج المواد ، والبيولوجية ، والكيميائية ، والمعلومات الإلكترونية ، وغيرها من التقنيات في المنسوجات حتى تتمكن من الإحساس أو التفاعل أو التكيف أو التكيف مع المحفزات المختلفة (الضوء ، ودرجة الحرارة ، والرطوبة ، والمذيبات ، والكهرباء ، والمغناطيسية ، إلخ. ) ، فضلا عن استمرار ممتلكاتهم الخاصة. يمكن تقسيمها إلى فئتين: الأولى هي المنسوجات الذكية "السلبية" ، والتي لها القدرة على تغيير أدائها بعد تحفيزها من قبل البيئة. على سبيل المثال ، تنتمي المنسوجات ذات الذاكرة الشكل والمنسوجات الكارهة للماء أو المحبة للماء وما إلى ذلك إلى هذه الفئة. فئة أخرى من المنسوجات الذكية "النشطة" هي القدرة على تحويل معلمات المحتوى إلى معلومات الإرسال عن طريق أجهزة الاستشعار والمحركات. يمكن أن تستشعر هذه المنسوجات الذكية "النشطة" إشارات بيئية مختلفة مثل درجة الحرارة ، وشدة الضوء ، والتلوث ، وتوفر تغذية راجعة للإشارات البيئية باستخدام مشغلات متنوعة ومرنة ومُصغرة قائمة على النسيج ، بما في ذلك شاشات المنسوجات وأجهزة الاهتزازات الدقيقة و الثنائيات الباعثة للضوء. مع التقدم في تقنيات مثل الأقمشة غير المنسوجة المصنوعة من الألياف النانوية والألياف الموصلة والألياف البصرية البلاستيكية والجرافين والأنابيب النانوية الكربونية والمكونات الإلكترونية الصغيرة وأجهزة الاستشعار والبطاريات الرقيقة جدًا ، تم تعزيز نمو سوق المنسوجات الذكية بشكل كبير.

تصنيف المنسوجات الذكية

تُستخدم المنسوجات الذكية على نطاق واسع في مجالات النقل والطاقة والطب والحماية والأمن والاتصالات وغيرها من المنتجات الإلكترونية ، ويمكن تصنيفها إلى تغيير ذكي للون ، والتحكم في درجة الحرارة ، وذاكرة الشكل ، ومقاومة للماء والرطوبة ، والمنسوجات النشطة والمنسوجات الإلكترونية الذكية وفقًا للوظائف المختلفة.

المنسوجات الذكية المتغيرة اللون

المنسوجات الذكية المتغيرة الألوان هي المنسوجات التي يمكن أن تظهر ألوانًا مختلفة مع تغيرات في الظروف البيئية الخارجية ، مثل الضوء ودرجة الحرارة والضغط وما إلى ذلك ، وتشمل هذه المنسوجات الذكية بشكل أساسي المنسوجات اللونية ، والمنسوجات الحرارية ، والمنسوجات الكهروكرومية ، والمنسوجات الحرارية ، والمنسوجات ذات الضغط الكرومي ، والمنسوجات المصنوعة من الكروم. تنتج المنسوجات الفوتوكرومية تحولًا عكسيًا بين شكلين بأطياف امتصاص مختلفة عن طريق تشعيع الضوء ، بشكل أساسي في شكل تغيير اللون وفقًا لمصدر الضوء ، ويمكن استعادة اللون الأصلي بعد اختفاء مصدر الضوء. يمكن أن تغير المنسوجات ذات اللون الحراري لونها وفقًا لتغير درجة الحرارة المحيطة ، ويعتمد تغيير لونها بشكل أساسي على آلية تغيير الأس الهيدروجيني وآلية كسب / فقدان الإلكترون. تستخدم المنسوجات الكهربية بشكل أساسي بنية شطيرة مسطحة أو بنية خطية ، حيث يتم لف أقطاب ليفية مختلفة معًا لتحقيق تأثير تغيير اللون للألياف عن طريق ضبط تركيبة المنشطات ونسبة المواد المتغيرة اللون أو تغيير التركيب الكيميائي لمادة كهربائية واحدة . تشير المنسوجات المتغيرة الألوان الكهروحرارية إلى تغير اللون القابل للانعكاس لبعض مواد الألياف بسبب حرارة الجول تحت تأثير الجهد المتناوب الموجب والسالب. هذا النوع من المنسوجات عبارة عن نسيج ذكي متغير اللون يجمع بين التأثيرات الكهروضوئية والتأثيرات الحرارية ، ومبدأه الأساسي هو حراري اللون. تغير المنسوجات الخزفية اللون من خلال استشعار منطقة النسيج تحت الضغط من خلال مصفوفة تكونت من تشابك الألياف الموصلة في السداة واللحمة.

لوحة تحكم ذكية Tالمنسوجات التي تسيطر عليها درجة الحرارة

يعتمد انتقال الحرارة بين جسم الإنسان والبيئة بشكل كبير على التأثيرات التآزرية لدرجة الحرارة المحيطة ، وحركة الهواء ، ومتوسط ​​التسخين المشع ، والرطوبة النسبية ، ومنسوجات الملابس. المواد النسيجية التقليدية بما في ذلك القطن والبوليستر والصوف والنايلون ، كلها لها عيوب في التحكم في درجة الحرارة. على سبيل المثال ، عند استخدام القطن لمنع فقدان الحرارة في الشتاء البارد ، فإن زيادة السماكة هي الطريقة الوحيدة ، ومع ذلك ، فإن أداء الدفء يكون محدودًا. في الصيف الحار ، لا يستطيع القطن أيضًا منع الأشعة تحت الحمراء. لذلك ، فإن تطوير المنسوجات الذكية التي يتم التحكم في درجة حرارتها يمكّن المنسوجات من التفاعل مع جسم الإنسان للتحكم في إنتاج الطاقة وتنظيم درجة حرارة الجسم. يمكن تقسيم المنسوجات الذكية التي يتم التحكم في درجة حرارتها إلى فئتين وفقًا لآلياتهما: الفئة الأولى تشير إلى المنسوجات التي يمكن أن تستشعر المنبهات البيئية وتستجيب لها بدون طاقة إدخال. يمكن أن يتغير هيكلها الفيزيائي أو الكيميائي استجابة للتغيرات في درجة الحرارة المحيطة. على سبيل المثال ، تعد مواد تغيير الطور ، التي يمكنها امتصاص الحرارة أو إطلاقها استجابة للتغيرات البيئية ، إحدى المواد الرئيسية للمنسوجات الذكية التي يتم التحكم في درجة حرارتها. يمكن أن تشكل المنسوجات المنصهرة بمواد تغيير الطور نظامًا لتنظيم الطاقة ، وهو مصمم للحفاظ على درجة حرارة جسم الإنسان عند درجة حرارة ثابتة ، بحيث لا يشعر الناس بالبرودة الشديدة أو السخونة الشديدة ، ويقلل من إنتاج طاقة الجسم بين السخونة والباردة أعمدة. الفئة الثانية هي المنسوجات التي يمكنها تحويل حرارة الجسم إلى كهرباء. على سبيل المثال ، يتم استخدام المواد الكهروحرارية (TE) القائمة على تأثير Seebeck في مجال النسيج وأظهرت إمكاناتها الكبيرة. تستخدم مواد TE هذا التأثير لتحويل طاقة الانتروبيا العالية مباشرة إلى كهرباء. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لمواد TE أيضًا تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية للتبريد أو التدفئة.

منسوجات ذاكرة الشكل

منسوجات ذاكرة الشكل عبارة عن منسوجات ذات خصائص ممتازة مثل ذاكرة الشكل ، ومعدل الاسترداد العالي ، ومقاومة الصدمات ، والقدرة الجيدة على التكيف في ظل الظروف الخارجية مثل درجة الحرارة ، ودرجة الحموضة ، والكهرباء ، والضوء ، والمجال المغناطيسي ، والمذيبات عن طريق وضع المواد بوظيفة ذاكرة الشكل في لهم من خلال النسيج أو التشطيب. يمكن تقسيم منسوجات ذاكرة الشكل إلى سبائك وبوليمرات حسب المادة. سبائك ذاكرة الشكل عبارة عن مواد معدنية خاصة يمكنها استعادة شكلها الأصلي بعد إعطائها شكلًا معينًا عن طريق التسخين المناسب أو التشعيع أو المعالجة الكيميائية. تُستخدم بوليمرات ذاكرة الشكل ، كفئة من المواد البوليمرية ، على نطاق واسع بسبب النطاق الواسع لخيارات ذاكرة درجة الحرارة ، وخفة الوزن ، والمواد الخام السهلة والمعالجة ، ومتغيرات الشكل الكبيرة القابلة للاسترداد. يمكن تصنيع بوليمرات ذاكرة الشكل في ألياف ذاكرة ، ثم نسجها من الألياف إلى منسوجات بوظيفة الذاكرة ؛ يمكن أيضًا تحويلها إلى حل نهائي ، بعد الانتهاء من الأقمشة العادية ، بحيث تكون المنسوجات ذات وظيفة ذاكرة الشكل. بعد الانتهاء من شكل المنسوجات بذاكرة الشكل ، سيضعف أداء ذاكرتها ببطء مع زيادة أوقات الغسيل ، أو حتى تختفي ؛ في حين أن ألياف ذاكرة الشكل المنسوجة من المنسوجات وخصائص ذاكرتها وطبيعة الألياف نفسها ، يمكن لبعض المواد أن تحافظ بشكل دائم على خصائص ذاكرة الشكل.

 المنسوجات المقاومة للماء والرطوبة

المنسوجات المقاومة للماء والقابلة للتنفس ، والمعروفة أيضًا باسم "المنسوجات القابلة للتنفس" ، هي المنسوجات التي لا يتم ترطيبها بالماء تحت ضغط ماء معين ، مما يجعلها مقاومة للماء ، وفي الوقت نفسه ، يمكن نقل العرق المنبعث من جسم الإنسان إلى خارج النسيج في شكل بخار الماء ، مما يجعل الناس يشعرون بعدم الارتياح. مبدأ المنسوجات المقاومة للماء ونفاذية الرطوبة هو انتشار جزيئات الغاز من تركيزات عالية إلى منخفضة من خلال فجوة الغزل. وهي تشمل بشكل أساسي الأنواع الأربعة التالية: المنسوجات عالية الكثافة مصنوعة من خيوط قطنية ممشطة عالية التعداد أو ألياف تركيبية فائقة النعومة ذات نسيج كثيف بشكل خاص ، واستخدام تغيير بنية النسيج لتحقيق الغرض من نفاذية مقاومة الماء والرطوبة ؛ تستخدم المنسوجات ذات الأغشية المسامية والمضادة للماء والرطوبة الفرق بين قطر قطرات الماء وقطر جزيئات بخار الماء لتلعب دورًا مقاومًا للماء والرطوبة ؛ تستخدم المنسوجات ذات الغشاء غير المسامي والمضادة للرطوبة والمقاومة للماء الجزيئي لزيادة سطح الغشاء المضاد للماء تشير المنسوجات الذكية المقاومة للماء والرطوبة إلى أن القماش يمكنه ضبط مستوى نفاذية الرطوبة تلقائيًا وفقًا لخصائص بيئية مختلفة ، مثل النسيج ذو درجة الحرارة العالية من خلال نفاذية الرطوبة العالية لتحقيق تأثير ممتاز في تبديد الحرارة والتعرق ، ونسيج درجة حرارة منخفضة من خلال نفاذية رطوبة منخفضة لتقليل تبديد الحرارة لتعزيز الدفء.

المنسوجات الذكية النشطة

تقوم المنسوجات الذكية النشطة بتغيير شكلها الهيكلي استجابة للمحفزات المطبقة مثل درجة الحرارة والضغط والتيار الكهربائي والضوء والرطوبة والمذيبات لإنتاج التشغيل والاستشعار وتغيير اللون وحصاد الطاقة. مع مزايا الضغط العالي ، والقدرة العالية على التكيف ، ومعدل إنتاج الذروة المرتفع ، والخصائص الميكانيكية المستقرة ، يتم استخدامها الآن بشكل متكرر في الروبوتات اللينة ، والأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء ، والتمويه الديناميكي ، والتطبيقات الطبية الحيوية. بينما يعتمد التسلسل الهرمي التقليدي لتصنيع المنسوجات على مادة الألياف وهيكل الغزل وشكل النسيج ، يتم تطوير المنسوجات الذكية النشطة بناءً على المستوى الهيكلي للمنسوجات. من خلال إضافة مواد فعالة مثل الهيدروجيل والأنابيب النانوية الكربونية والجرافين والرقائق المزدوجة إلى تركيبة الألياف ، يتم الحفاظ على الخصائص الأساسية لمواد ألياف النسيج وإضافة ميزات نشطة جديدة. هيكل الغزل هو الخطوة الثانية في التسلسل الهرمي الذكي للنسيج ، والذي يعدل الخواص الميكانيكية لمادة الألياف الأصلية عن طريق تطبيق الضغط المسبق والقيود. التشوهات الهيكلية الرئيسية للخيوط النشطة هي هيكل حلزوني ملتوي ، هيكل مسامي ، هيكل شبكي متصالب ، هيكل شطيرة ، وهيكل محوري هجين. تتضمن المعلمات المتضمنة في هذه العملية عدد الخيوط في الحزم والتواء المطبق لكل وحدة طول ، مما يضبط مزيدًا من صلابة الانحناء وقوة الكسر ومعدل شد الخيط. أخيرًا ، يمكن تعديل الخواص الميكانيكية للألياف والخيوط النشطة باستخدام عمليات التصنيع مثل النسيج أو الحياكة أو التضفير لتحويل الخيوط النشطة إلى أشكال نسيجية.

المنسوجات الإلكترونية الذكية

تجمع المنسوجات الإلكترونية الذكية بين المنسوجات وتكنولوجيا المعلومات الإلكترونية من خلال دمج أجهزة الاستشعار وأجهزة الاتصال في المنسوجات ، ثم جمع وتحليل البيانات الناتجة عن الأجهزة في المنسوجات وإعطاء الملاحظات من خلال تقنيات مثل إنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي وأجهزة الكمبيوتر. تتكون المنسوجات الإلكترونية الذكية من مكونات إلكترونية مثل وحدات المعالجة الموزعة ، وأجهزة الاستشعار المختلفة ، وأجهزة التفاعل بين الإنسان والحاسوب وأنظمة إمداد الطاقة ، وما إلى ذلك. هناك ثلاث طرق رئيسية لتنفيذ هذه المكونات الإلكترونية في المنسوجات الذكية: الطريقة الأولى هي دمج الموجود المكونات الإلكترونية في المنسوجات. الميزة هي أن عملية الإنتاج بسيطة نسبيًا ، ولكن إذا كانت المكونات الإلكترونية المستخدمة كبيرة جدًا ، فهناك أيضًا مشكلات تؤثر على استخدام المستخدم وغسله. الطريقة الثانية هي استخدام مواد النسيج وتكنولوجيا تصنيع المنسوجات لإنتاج مكونات إلكترونية. على الرغم من أن عملية التكامل أسهل ، إلا أن مواد النسيج وتكنولوجيا تصنيع المنسوجات يمكن أن تنتج نوعًا محدودًا من المكونات الإلكترونية. التنفيذ الثالث هو إنتاج الألياف واستخدامها لتوفير بعض الوظائف الإلكترونية.

تصنيف وخصائص تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

تعريف الطباعة ثلاثية الأبعاد

الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والمعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي ، هي تقنية تستخدم ملفات النماذج الرقمية ثلاثية الأبعاد كأساس لبناء الكائنات عن طريق طباعة طبقة تلو الأخرى باستخدام مواد لاصقة مثل مسحوق المعادن أو البلاستيك. تتكون عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد من ثلاث خطوات رئيسية: النمذجة والطباعة والمعالجة اللاحقة. يتم تنفيذ تصميم CAD عن طريق برنامج التصميم أو الماسح الضوئي ثلاثي الأبعاد ، ويتم نقل الملفات الرقمية إلى نظام الطابعة ثلاثية الأبعاد ، ويتم تعيين المعلمات ذات الصلة لبدء الطباعة ، وقد تكون المعالجة اللاحقة للكائن المطبوع باستخدام الطحن والصباغة واللصق مطلوبة بعد الطباعة. منجز. تقنية المعالجة التقليدية هي معالجة ميكانيكية بشكل أساسي عن طريق قطع المواد أو قطعها ، في حين أن الطباعة ثلاثية الأبعاد هي عكس معالجة القطع التقليدية عن طريق تكديس الطبقات. بالمقارنة مع الآلات التقليدية ، تتمثل مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد في المعالجة الأسرع للأجزاء المعقدة ، وتحسين أداء تصميم المنتجات الوظيفية ، وعملية تصميم المنتج الأسرع ، والقولبة المتكاملة لتقليل عملية التجميع ، وأدوات التصنيع الأبسط ، وزيادة توفير الطاقة ، وتقليل تكاليف الإنتاج منتجات متعددة في خط مشترك. لذلك ، تم استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجالات الطب الحيوي ، والفضاء ، والإبداع الثقافي ، والترفيه الرقمي ، والتصنيع الصناعي ، وهندسة البناء ، وحتى لها مكان في مجال التعليم.

تصنيف تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

تُستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع في عمليات التشكيل بما في ذلك قولبة المعالجة بالضوء (SLA) ، والتلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) ، وقولبة الترسيب المنصهر (FDM) ، والصهر الانتقائي بالليزر (SLM) ، والصب بالليزر بالقرب من الشبكة (LENS) ، وذوبان شعاع الإلكترون القولبة (EBM) ، التصنيع الصلب متعدد الطبقات (LOM) ، تقنية الرش متعدد الرؤوس (PolyJet) ، النفث اللاصق (Binder Jetting) ، إلخ. في صناعة المنسوجات والملابس ، تعد تقنيات FDM و SLS هي الأكثر استخدامًا ، بالإضافة إلى SLA ، PolyJet ، Binder Jetting ، وغيرها من التقنيات. يمكن تقسيم الطرق المختلفة لعملية التشكيل إلى 3 أنواع ، كما هو موضح في الجدول 7. تستخدم تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة مواد مختلفة ، تستخدم FDM بشكل أساسي البوليمرات البلاستيكية الحرارية للطباعة ، مثل ABS ، PLA ، PC ، TPU ، PVC ، PPS ، إلخ. . SLS و SLA هما نفسهما من الناحية النظرية ، ولكن الاختلاف هو أن SLS يستخدم الليزر لتلبيد المسحوق ، مثل مسحوق النايلون ، ومسحوق المعادن ، وما إلى ذلك. هناك أيضًا أنواع مختلفة من المواد مثل البلاستيك والمعادن والسيراميك والزجاج والورق ، والخشب ، والمكونات ، وقشور جوز الهند ، والصوف ، والكتان ، وما إلى ذلك المستخدمة في التصنيع. PLA و TPU عبارة عن لدائن حرارية تتمتع بمرونة جيدة ومقاومة للتآكل ومقاومة للتآكل ، وبنتلي عبارة عن أكريلونيتريل بوتادين ستايرين من إنتاج Orbi-Tech. وفقًا للدراسات الحديثة ، يمكن استخدام الألياف الطبيعية والاصطناعية نفسها كمواد طباعة ثلاثية الأبعاد مع استمرار تطوير المواد. في صناعة المنسوجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، الخصائص الفيزيائية التي يجب التركيز عليها هي النعومة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب استيفاء الخصائص الأساسية المطلوبة للمواد النسيجية مثل مقاومة الشد ، ومقاومة التآكل ، والتهوية ، وما إلى ذلك.

تقني Classification و Cخصائص 3D Pالتزيين

 

شكل مادي	عملية التصنيع	تصنيف العملية
المواد السائلة	صب علاج الضوء	علاج نقطة بنقطة （SL LTP BIS）
		علاج طبقة تلو الأخرى SGC）
		علاج التداخل المجسم （HIS）
	الصب الكهربائي	الصب الكهربائي (ES)
	تبريد وعلاج	معالجة نقطة بنقطة （BPM ， FDM ， 3DW ， ASP）
		علاج طبقة تلو الأخرى SDM PVD ， CVD）
مادة طبقة رقيقة	مادة رقيقة ملتصقة بالذوبان الساخن	مادة رقيقة ملتصقة بالذوبان الساخن (LOM)
	مادة رقيقة خفيفة الترابط	مادة رقيقة خفيفة الترابط (SFP)
جزيئات المسحوق	التبريد بالذوبان الساخن	التلبيد والصهر بالليزر (SLS ، GPD ، SLM ، EBM)
	جزيئات مسحوق الترابط اللاصق	جزيئات مسحوق الرابطة اللاصقة بواسطة مادة رابطة (3DP ، SF ، TSF)

مزايا المنسوجات الذكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد

تفتح تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مسارات جديدة وتوفر العديد من الاحتمالات الجديدة للتصنيع الفعال للمنسوجات الذكية. إنه يبسط طرق التصنيع التقليدية ويقلل من تعقيد التصنيع من خلال عمليات التشكيل المتعددة. مقارنةً بالتصنيع التقليدي ، تتمتع الطباعة ثلاثية الأبعاد بخمس مزايا رئيسية في مجال المنسوجات الذكية: التكلفة والسرعة والابتكار والجودة والتأثير.

انخفاض كبير في تكاليف التصنيع

يمكن تصنيع المنسوجات الذكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد أو تصنيعها مباشرة دون استخدام الأدوات والقوالب ، والتي يمكن أن تكون كبيرةtلي تقصير دورة النموذج الأولي للمنتج وتوفير تكاليف الأدوات. نظرًا لأن عملية التصنيع تتم بشكل مستقل عن طريق الطابعات ثلاثية الأبعاد ، فلا داعي لشراء آلات متنوعة ، مما يلغي أيضًا بعض تكاليف شراء المعدات وصيانتها. علاوة على ذلك ، فإن سرعة التصنيع سريعة جدًا ، من النموذج الرقمي CAD إلى اكتمال الإنتاج أسرع بكثير من طرق المعالجة والقولبة التقليدية ، عند استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع المنسوجات الذكية ، لأن المادة تضاف طبقة تلو طبقة في بطريقة تقلل من هدر المواد ، وتوفر الوقت والتكاليف الاقتصادية. بالإضافة إلى ذلك ، تقصر الطباعة ثلاثية الأبعاد من سلسلة التوريد وتلغي الحاجة إلى المخزون والتخزين والتعبئة والنقل ، مما يقلل أيضًا من التكاليف بالمقارنة.

يتم تبسيط عملية التصنيع بشكل فعال

يتطلب إنتاج المنسوجات الذكية حل العديد من المشكلات ، مثل استخدام خيوط غير تقليدية للنسيج ، وتقليل الأضرار التي تلحق بالخيوط الملتوية واللحمة أثناء عملية النسيج ، والحفاظ على قابلية تشكيل الأقمشة المنظمة بشكل خاص. بالمقارنة مع التصنيع التقليدي ، قللت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل كبير من عملية التصنيع وصعوبات التصنيع ، خاصة من حيث تصميم المنتج الأسرع ، وتقليل التكرار في التصنيع المتكامل ، وأدوات التصنيع الأكثر بساطة ، لكل من خيوط الطباعة وأشكال المنسوجات.

 مزيج من مواد متعددة

ينعكس جزء من وظائف المنسوجات الذكية في استخدام مواد الألياف الذكية ، أي أنه من أجل إنشاء ألياف ذكية سيكون لها خصائص مختلفة للمواد مجتمعة في بنية واحدة من الألياف ، في حين أن الآلات التقليدية في عملية تشكيل النسيج ليست كذلك من السهل دمج مجموعة متنوعة من المواد للنسيج. في مجالات أخرى ، هناك مجموعة متنوعة من المواد لتطبيقات القولبة بالحقن المختلطة ، ولكن التكلفة مرتفعة وجودة القولبة غير متساوية. على عكس تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، من الممكن مزج مواد مختلفة على نفس الجهاز ، مما يوفر إمكانيات مبتكرة لتطوير وظائف جديدة في المنسوجات الذكية.

 تحسين جودة أداء النسيج

تعمل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد على تحسين أداء النسيج من جانبين: الأول هو مادة الطباعة ، من خلال استخدام مواد ذات خصائص خاصة لتصنيع الأقمشة ، يؤثر الأداء الممتاز للمادة بشكل مباشر على خصائص أداء النسيج. والثاني هو هيكل الطباعة ، وهيكل طباعة النسيج عن طريق تغيير الفجوة بين الالتواء ولحمة الغزل ، والسمك ، وترتيب الطريقة لإظهار جودة أداء مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، في عملية التصنيع التقليدية ، نظرًا لقيود أدوات التصنيع وطرق المعالجة ، يصعب معالجة الهياكل المعقدة والأسطح المنحنية والملتوية للغاية ، على النقيض من ذلك ، يتميز تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد بميزة تحقيق أي شكل معقد بسبب التكنولوجيا لا يخضع للقيود الفنية لعملية التصنيع التقليدية.

 تحقيق التصنيع المستدام

يشمل التلوث البيئي الناجم عن صناعة النسيج التقليدية بشكل أساسي عمليات معالجة المواد الخام ، وإنتاج المنسوجات ، والصباغة ، والتشطيب ، مثل الكمية الكبيرة من الضوضاء الناتجة عن المعدات ، ومياه الصرف الناتجة عن تغيير الحجم ، والغليان ، والتبييض والغسيل ، الكمية الكبيرة من الطاقة المستهلكة في عملية تسخين الجهاز ، والنفايات المتولدة في عملية تقليل تصنيع المواد ، وكلها يمكن أن تسبب تلوثًا بيئيًا. الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية تصنيع مضافة من قطعة واحدة ، مما يقلل من دورة تصنيع المنسوجات ولا ينتج بشكل أساسي غازات عادمة ومياه الصرف الصحي ، ويمكن إعادة تدوير بعض النفايات المستعادة.

أنواع تطبيقات تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجال المنسوجات الذكية

يمكن أن تحتوي المنسوجات الذكية على ألياف بصرية أو مواد متغيرة الطور أو مواد كيميائية أو مكونات إلكترونية أخرى تضيف وظائف جديدة إلى المنسوجات العادية. يحاول المزيد والمزيد من مواد النسيج استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء منسوجات ذكية ذات وظائف معقدة مباشرة. يركز البحث الحالي على الذاكرة الموصلة والشكلية وتنظيم درجة الحرارة والمكونات الإلكترونية المرنة.

طباعة ثلاثية الأبعاد للمنسوجات الذكية الموصلة للكهرباء

الطريقة الأكثر شيوعًا لتطوير المنسوجات الموصلة هي إرفاق مواد موصلة بسطح القماش ، والتي يمكن تحقيقها عن طريق التصفيح والطلاء والطباعة والرش والطلاء الأيوني والطلاء الكيميائي والتعدين بالفراغ والرشاشات الكاثودية وترسيب البخار الكيميائي ، الطابعات ثلاثية الأبعاد قادرة على طباعة الأشكال المحددة بدقة. وبهذه الطريقة ، يمكن توصيل خيوط أو مواد طلاء موصلة ، خاصة مع مكونات SMD التي لا تحتوي على الرصاص (جهاز مثبت على السطح). في الوقت نفسه ، تسمح الطباعة ثلاثية الأبعاد بتعديل هيكل المكونات الإلكترونية لتحقيق الحالة الهيكلية الأكثر ملاءمة مع القماش. Grimmelsmanna et al. من جامعة العلوم التطبيقية في بيليفيلد ، ألمانيا ، استخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للطباعة مباشرة على قماش يحتوي على مسارات دوائر منسوجة باستخدام خيوط Shieldex الموصلة بحيث يتم توصيل الكائنات المطبوعة ثلاثية الأبعاد كأسلاك موصلة إلى مكونات إلكترونية صغيرة ، مما يسمح للمنسوجات ينبعث الضوء ، كما هو موضح في الشكل 3. كركيزة نسيجية ، تم اختيار نسيج محبوك من الكروشيه أحادي الجانب مع تأثير نسيج وسطح مضغوط وموحد نسبيًا لتمكين المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد من الالتصاق بشكل أفضل بالنسيج. قام المطور بتصميم مكون إلكتروني SMD-LED ، والذي تم تصنيعه على سطح الركيزة النسيجية باستخدام تقنية FDM. يستخدم الجزء الأسود الموصّل بشكل أساسي للتوصيل الكهربائي وهو مصنوع من خيوط PLA الموصلة لـ Proto-Pasta عند درجة حرارة الطارد تبلغ 3 درجة مئوية ودرجة حرارة سرير الطباعة 3 درجة مئوية. ارتفاع الطبقة 3 مم والهيكل ممتلئ. الجزء الأبيض هو خيوط PLA العادية ، والتي تعمل كتثبيت وتوصيل. يتم توصيل الخيوط السوداء ذات الخصائص الموصلة بخيوط Shields لإضاءة مصابيح LED على النسيج. تعمل الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد كمقاومات متسلسلة لحماية مصابيح LED من الفولتية المفرطة للتطبيق التي يمكن أن تؤثر على عملها الطبيعي. عندما تكون المقاومة الداخلية منخفضة ، يكون سطوع مصابيح LED أقل لأن مصابيح LED والأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد متصلة بالمقاوم المتسلسل للعمل كمقسمات للجهد ويكون انخفاض الجهد أعلى عند المقاومة الأعلى.

 منسوجات مطبوعة ذكية يمكن التحكم في درجة حرارتها

هناك أنواع مختلفة من المنسوجات الذكية مع تنظيم درجة الحرارة ، مثل المنسوجات الأكثر شيوعًا لتنظيم درجة الحرارة والرطوبة المتوفرة حاليًا في السوق ، والتي تُستخدم لخفض درجة حرارة الجسم عن طريق إزالة الرطوبة الزائدة. ومع ذلك ، لا يمكن تشغيل هذه المنسوجات إلا عندما يكون الهواء بين الجسم والنسيج في مستوى رطوبة مرتفع ، مما يحد من استخدامها عند مستويات الرطوبة المنخفضة. هناك تقنيات أخرى للتحكم في درجة الحرارة ، بما في ذلك منسوجات الجيب الباردة مع مواد تغيير الطور ، والمنسوجات المبردة بالهواء ، والمنسوجات المبردة بالسائل ، ولكن جميعها لها قيود أيضًا. قام الباحثون بالكثير من العمل في تطوير المنسوجات المنظمة حراريًا لحل مثل هذه المشكلات. تمت طباعة مادة مركبة بها صفائح نانوية من نيتريد البورون (BNNSs) مضمنة في مصفوفة بوليمر من كحول البولي فينيل (PVA) ثلاثية الأبعاد في جامعة ماريلاند لصنع منسوجات ذكية يمكن التحكم في درجة حرارتها ويمكنها خفض درجة حرارة الجسم بسرعة ، كما هو موضح في الشكل 3. BNNS لها هيكل ثنائي الأبعاد وموصلية حرارية داخل الطائرة تصل إلى 2 واط / (مللي كلفن). من أجل الاستفادة من الخصائص الحرارية داخل الطائرة لـ BNNSs ، يجب أن يكون للأوراق اتجاه محاذاة جيد وتشتت منتظم. يمكن تحقيق تشتت موحد لأن BNNSs يمكن أن تعزز الاستقرار الهيكلي عن طريق امتصاص البوليمرات عند صوتنة في محلول PVA. أيضًا ، أثناء طباعة الألياف والمزيد من معالجة السحب الساخن ، تم إدخال ألياف المركب النانوي عن طريق التدفق الموسع أحادي المحور حيث شكلت BNNSs اتجاهات محاذاة جيدًا ، مما أدى إلى مسارات طاقة لنقل حرارة الفونون. توفر الطبيعة عالية التوجيه والمترابطة لـ BNNS مسارات حرارية إضافية ، مما يحسن الأداء الحراري للألياف المركبة a-BN / PVA بشكل فعال. يمكن لمنسوجات a-BN / PVA إطلاق حرارة إضافية يولدها جسم الإنسان على طول الألياف. تطلق المنسوجات الحرارة الإضافية التي يولدها جسم الإنسان على طول الألياف في البيئة المحيطة ، مما يوفر مناخًا محليًا مريحًا حراريًا لتبريد جسم الإنسان.

منسوجات ذاكرة مطبوعة ثلاثية الأبعاد

بوليمر ذاكرة الشكل عبارة عن بوليمر يتذكر شكله الأصلي ، ويغير شكله في ظل ظروف معينة ، ويعود إلى شكله الأصلي من خلال تطبيق محفزات مثل الحرارة والكهرباء والمجالات المغناطيسية. تُستخدم بوليمرات ذاكرة الشكل الأكثر شيوعًا في حمض polylactic (PLA) ، وهو أيضًا مادة شائعة الاستخدام في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وبالتالي يمكن إنتاجها بواسطة تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يرتبط البحث الحالي حول استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لطباعة بوليمرات ذاكرة الشكل بشكل أساسي بجانبين من المادة ، أحدهما هو استخدام PLA النقي بنسبة 3٪ كبوليمر ذاكرة الشكل ، ولكن نظرًا لأنه يمكن تمديد مادة PLA لأعلى حتى 3٪ [3] ، يجب تصميم الهيكل للتغلب على هذا القيد قبل الطباعة. تم حل هذه المشكلة بواسطة Langford et al. باستخدام هيكل اوريغامي متعرج ، كما هو موضح في الشكل 100. يوضح الشكل 10 (أ) كائنًا مطبوعًا ثلاثي الأبعاد بهيكل أوريغامي متعرج. يوضح الشكل 41 (ب) أنه عند الطي ، يصبح حجم الجسم أصغر. عندما تتكشف ، يصبح حجم الجسم أكبر ، ولكن تظهر بعض الشقوق الصغيرة على الجسم ، كما هو موضح في الشكل 3 (ج). يبلغ معدل الاسترداد الثابت المعتاد لخيوط PLA حوالي 3٪ ، بينما يزداد معدل استرداد هيكل الأوريجامي المتعرج إلى حوالي 3٪. فئة أخرى هي الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مركبات PLA. جيدو إيرمان ، أندريا إيرمان ، باستخدام طابعة FDM ثلاثية الأبعاد ، شكّل خليطًا صلبًا عن طريق خلط 3٪ PLA مع 3٪ Fe₃O₄ وسحقه ، ثم بثقه في بثق ثنائي اللولب. تمت طباعة هيكل مسامي التربيق العظمي [61] ، مثل كما هو مبين في الشكل 96. بتطبيق مجال مغناطيسي متناوب قدره 3 كيلو هرتز ، تم تحقيق أكثر من 3٪ من استعادة الشكل بعد 80 إلى 20 ثانية فقط. بالإضافة إلى هذه الاحتمالات ، يمكن خلط PLA مع بوليمرات أخرى لإنشاء كائنات بخصائص الاسترداد. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون لإضافة هيدروكسيباتيت (HAP) وألياف الكربون وتيتانات الباريوم والبوليستر أميد (PEA) إلى PLA تأثير على معدل الاسترداد اعتمادًا على الجرعة المضافة وإعداد معلمات الطباعة والعوامل الخارجية فرضت لتحقيق استعادة الشكل. يمكن استخدام بوليمرات ذاكرة الشكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد هذه لصنع أقمشة ذاكرة الشكل لاستخدامها في المنسوجات الذكية.

 

المنسوجات الإلكترونية الذكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد

تدمج المنسوجات الإلكترونية الذكية المكونات الإلكترونية مثل المستشعرات ووحدات التحكم الدقيقة والمشغلات وأجهزة الاتصال ومصادر الطاقة. تتكون المكونات الإلكترونية التقليدية في الغالب من المعدن والبلاستيك والمواد الأخرى ، والتي تكون عرضة لتشوه لا رجعة فيه عند حدوث الانحناء والالتواء والتمدد وغيرها من المواقف ، مما يؤثر على الوظيفة الطبيعية للمكونات الإلكترونية ، ولكن استخدام المواد المرنة يمكن أن يشكل للمشاكل المذكورة أعلاه. لا يمكن لهذه المكونات الإلكترونية المرنة توفير وظائف محمولة للحياة اليومية للأشخاص فحسب ، بل يمكن استخدامها أيضًا لمراقبة المعلومات الصحية لجسم الإنسان نظرًا لقدرتها على التفاعل مع جلد الإنسان. ومع ذلك ، فإن تقنية المعالجة التقليدية للمكونات الإلكترونية المرنة لها قيود على معالجة المكونات الإلكترونية ذات الهياكل الوظيفية المعقدة. لذلك ، تجذب الطباعة ثلاثية الأبعاد الانتباه كعملية ثلاثية الأبعاد سريعة للنماذج الأولية. في الوقت الحاضر ، تم استخدام العديد من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع للأجهزة الإلكترونية الهيكلية ، وتم تطبيق المزيد والمزيد من المواد المرنة على تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد من أجل زيادة القدرة على التكيف مع المتطلبات الوظيفية المختلفة للمنتجات. على سبيل المثال ، استخدم Yang Hui et al [3] التفاعل الكيميائي لـ PCL3K و isocyanic ethyl methacrylate لتركيب polycaprolactone (PCL) ، والذي يمكن استخدامه كمادة مرنة للطباعة ثلاثية الأبعاد. تمت طباعة Polycaprolactone (PCL) في جهاز مرن بواسطة طابعة SLA تجارية ومطلية بمواد موصلة ، مثل الجسيمات النانوية الفضية أو الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) ، لتشكيل جهاز إلكتروني مرن مطبوع ثلاثي الأبعاد بخصائص ذاكرة الشكل ، كما هو موضح في الشكل 3 من بينها ، يتكون الجهاز في الشكل 3 (أ) من كائن مطبوع ببوليمر ذي ذاكرة الشكل ثلاثي الأبعاد. يوضح الشكل 43 (ب) مستشعر درجة حرارة كهربائيًا مرنًا تم تصنيعه عن طريق إضافة جسيمات نانوية فضية إلى سطح الكائن المطبوع ثلاثي الأبعاد بخصائص ذاكرة الشكل عن طريق عملية تلبيد في درجة حرارة الغرفة. في الشكل 10 (ج) ، عندما يواجه مستشعر درجة الحرارة الكهربائية المرنة ارتفاعًا في درجة الحرارة ، يتغير شكله من دائرة مفتوحة إلى دائرة مغلقة ويضيء الصمام الثنائي الباعث للضوء. لا يوفر المستشعر المرن مع سلوك ذاكرة الشكل المطبوع باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد وظائف جديدة للأجهزة الإلكترونية فحسب ، بل يلعب أيضًا دورًا مهمًا في تحسين جودة المنتج مع تغيير طريقة تفاعل الأشخاص مع الأجهزة الإلكترونية.

التطوير التجاري Tعرض ثلاثي الأبعاد Pالتزيين Sسوق Tالمنفي

من خلال تطبيق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد على المنسوجات الذكية ، فإن استكشاف المواد الجديدة ، وتركيبات المواد ، والخيوط المخلوطة ، ومعالجة مكونات النسيج الأساسية ، بما في ذلك الألياف الجديدة ، وأشكال الغزل ، وهياكل النسيج ، سيدخل مجالًا جديدًا بالكامل. يمكن تحقيق مجموعة واسعة من التطبيقات من حيث وظائف الحماية والراحة والرعاية الصحية وأداء الرعاية السهلة والمظهر والشكل وسهولة الاستخدام والأداء والخصائص البيئية. يوجد حاليًا ثلاثة تطبيقات تكنولوجية للمنسوجات الذكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد: أكثرها شيوعًا هو الطباعة ثلاثية الأبعاد مباشرة على المنسوجات ، والتي يمكن أن تضيف وظائف جديدة إلى المنسوجات الحالية. تركز هذه التقنية على الالتصاق بين المنسوجات ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد. درجة التصاق المواد المختلفة على القماش ، بالإضافة إلى خصائص التسخين للمادتين ، ترتبط أيضًا بإعداد معلمات الطباعة ، مثل درجة حرارة الطباعة ، وسرعة الطباعة ، ومعدل التعبئة ، وزاوية المحاذاة ، وما إلى ذلك بناءً على مزيج من ركائز النسيج الناعمة والمريحة والمواد الصلبة ، سيتم استخدام هذه المنتجات على نطاق واسع في إعادة التأهيل الطبي وحماية السلامة في المستقبل. الجانب الثاني هو الطباعة ثلاثية الأبعاد لهياكل النسيج المختلفة ، بحيث يكون لها بعض الوظائف الذكية ، وسيتم استخدامها على نطاق واسع في مجال الروبوتات ، والملابس ، والبناء ، وغيرها من المجالات. الجانب الثالث هو استخدام المواد المرنة للطباعة ثلاثية الأبعاد ، ولا يزال تطوير المواد المرنة في مهده ، مع التطور السريع للمواد المرنة في المستقبل ، يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد للمنسوجات الذكية أن توفر تهوية جيدة ونفاذية للرطوبة مع إعطاء عدة المهام. من المتوقع أن يتم إنتاج كل من الطباعة ثلاثية الأبعاد المباشرة على المنسوجات والطباعة الهيكلية للمنسوجات الذكية باستخدام مواد مركبة مختلفة تجاريًا بكميات كبيرة في المستقبل.

الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية لإنشاء نماذج صلبة تعتمد على نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد مع تراكم متحكم فيه الكمبيوتر لمواد منفصلة طبقة تلو طبقة. على الرغم من أن معظم الطابعات ثلاثية الأبعاد تعمل وفقًا لمبادئ وعمليات العمل هذه ، إلا أن أنواع الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة لها قيود فنية مختلفة. الأنواع الرئيسية للمواد المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد هي المواد السائلة والمواد الصلبة والمواد المسحوقة ، وقد تختلف عملية الطباعة بنفس المادة ، وتستخدم نفس مادة المسحوق للطباعة ثلاثية الأبعاد ، لكن عملية SLS تتطلب يجب أن يكون المسحوق يتطلب عملية SLS التسخين المسبق للمسحوق لتقليل التشوه والبودرة اللاصقة أثناء عملية الطباعة ، بينما لا تتطلب عملية BJ خطوة التسخين المسبق للمسحوق. بالإضافة إلى ذلك ، تختار بعض التقنيات إضافة مكونات جديدة بخصائص مختلفة إلى المواد المطبوعة لإعطاء وظائف خاصة للمنسوجات ، وعند الطباعة باستخدام مواد جديدة ، يجب إعادة ضبط المعلمات مثل درجة حرارة الطباعة وسرعة الطباعة. تتطلب هياكل عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد في الغالب معالجة لاحقة لإنشاء منسوجات ذكية بجودة سطح جيدة وخصائص ميكانيكية ووظائف. تشمل المعالجة اللاحقة بشكل أساسي إزالة الهياكل الداعمة ، والتلميع ، والتلوين ، والتشكيل المعزز ، ومعالجة الحفظ طويلة الأمد ، وطلاء السطح. على الرغم من أن المعالجة اللاحقة تعوض نقص النماذج المطبوعة ، إلا أنها تزيد أيضًا من عملية التشغيل ووقت الإنتاج. في الوقت الحاضر ، تم تطوير وتحسين المنسوجات الذكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بسرعة ، ولكن هناك بعض العيوب والمجالات التي تحتاج إلى تحسين في استقرار عملية الطباعة ، ودقة التشكيل ، والتشطيب ، والمعالجة اللاحقة. بالإضافة إلى ذلك ، تفتقر صناعة المنسوجات الذكية للطباعة ثلاثية الأبعاد إلى التطوير المنسق والمستقر ، ولا توجد سلسلة صناعية أو نظام صناعي كامل ، بما في ذلك الموردين المثاليين ، ونظام مزود الخدمة ، ومنصة سوق جيدة ، وما إلى ذلك. لا يزال هناك اتجاه صعودي كبير في التكنولوجيا البحث والتطوير وتعزيز التكنولوجيا.