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Forschungsfortschritt zur Anwendung des 3D-Drucks in Smart Textiles

Einführung

Mit dem beschleunigten Wachstum des 3D-Druckmarktes hat die Textilindustrie begonnen, auf verschiedene Weise mit der 3D-Drucktechnologie zu innovieren und herzustellen, z. B. 3D-gedruckte Textilien, Bekleidung, Modeaccessoires und Schuhe. Im Vergleich zu herkömmlichen Textilien erfordern intelligente Textilien eine höhere Fertigungstechnologie. Die 3D-Drucktechnologie kann dieses Problem bis zu einem gewissen Grad lösen, indem Materialien mit intelligenten Eigenschaften direkt in drei Dimensionen gedruckt werden, um intelligente Textilien herzustellen. Die Forschung zur Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Bereich Smart Textiles kann neue Ideen liefern, um die Entwicklung, Gestaltung und Nutzung der Smart Textile-Industrie voranzutreiben.

Klassifizierung von SMarkt TExtilien und TErbe AAnwendungen

Definition von Smart Textiles

Intelligente Textilien sind neue Textilien, die Materialien, biologische, chemische, elektronische Informationen und andere Technologien in Textilien integrieren, damit sie verschiedene Reize (Licht, Temperatur, Feuchtigkeit, Lösungsmittel, Elektrizität, Magnetismus usw.) wahrnehmen, reagieren, anpassen oder sich an sie anpassen können. ) sowie die Fortführung eigener Liegenschaften. Es kann in zwei Kategorien unterteilt werden: Eine davon sind „passive“ intelligente Textilien, die die Fähigkeit haben, ihre Leistung zu ändern, nachdem sie durch die Umgebung stimuliert wurden. Zu dieser Kategorie gehören beispielsweise Formgedächtnistextilien, hydrophobe oder hydrophile Textilien etc. Eine weitere Kategorie „aktiver“ Smart Textiles ist die Fähigkeit, Inhaltsparameter mittels Sensoren und Aktoren in Übertragungsinformationen umzuwandeln. Diese „aktiven“ intelligenten Textilien können verschiedene Umgebungssignale wie Temperatur, Lichtintensität und Verschmutzung erfassen und mithilfe verschiedener stoffbasierter, flexibler und miniaturisierter Aktuatoren, einschließlich Textildisplays, Mikrovibrationsgeräten usw., eine Rückmeldung zu den Umgebungssignalen geben Leuchtdioden. Mit der Weiterentwicklung von Technologien wie Nanofaser-Vliesstoffen, leitfähigen Fasern, optischen Kunststofffasern, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, kleinen elektronischen Komponenten und Sensoren sowie mikrodünnen Batterien hat das Marktwachstum für intelligente Textilien einen enormen Schub erhalten.

Smart Textiles und 3D-Druck
Klassifizierung von Smart Textiles

Intelligente Textilien werden häufig in den Bereichen Transport, Energie und Medizin, Schutz, Sicherheit, Kommunikation und anderen elektronischen Produkten eingesetzt und können entsprechend in intelligente Farbwechsel, Temperaturregelung, Formgedächtnis, wasserdichte und feuchtigkeitsdurchlässige, aktive Textilien und intelligente elektronische Textilien eingeteilt werden zu den verschiedenen Funktionen.

Intelligente Farbwechsel-Textilien

Intelligente Farbwechseltextilien sind Textilien, die bei Änderungen der äußeren Umgebungsbedingungen wie Licht, Temperatur, Druck usw. unterschiedliche Farben zeigen können. Zu diesen intelligenten Textilien gehören hauptsächlich photochrome Textilien, thermochrome Textilien, elektrochrome Textilien, thermochrome Textilien, druckchrome Textilien und feuchtigkeitsverchromte Textilien. Photochrome Textilien erzeugen durch Lichteinstrahlung eine reversible Umwandlung zwischen zwei Formen mit unterschiedlichen Absorptionsspektren, hauptsächlich in Form einer Farbänderung entsprechend der Lichtquelle, und die ursprüngliche Farbe kann wiederhergestellt werden, nachdem die Lichtquelle verschwunden ist. Thermochrome Textilien können ihre Farbe entsprechend der Änderung der Umgebungstemperatur ändern, und ihre Farbänderung basiert hauptsächlich auf dem pH-Änderungsmechanismus und dem Elektronengewinn/-verlustmechanismus. Elektrochrome Textilien verwenden hauptsächlich eine flache Sandwichstruktur oder lineare Struktur, bei der verschiedene Faserelektroden zusammengewickelt werden, um den Farbänderungseffekt von Fasern zu erzielen, indem die Dotierungszusammensetzung und das Verhältnis von farbverändernden Materialien angepasst oder die chemische Struktur eines einzelnen elektrochromen Materials geändert werden . Unter elektrothermischen Farbwechseltextilien versteht man die reversible Farbänderung bestimmter Fasermaterialien durch Joulesche Wärme unter Einwirkung von positiver und negativer Wechselspannung. Diese Art von Textil ist ein intelligentes Farbwechseltextil, das elektrochrome und thermochrome Effekte kombiniert, deren Grundprinzip thermochrom ist. Piezokeramische Textilien ändern ihre Farbe, indem sie den unter Druck stehenden Bereich des Gewebes durch eine Matrix erfassen, die durch das Verweben leitfähiger Fasern in Kette und Schuss gebildet wird.

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Smart TTemperaturgeregelte Textilien

Die Wärmeübertragung zwischen dem menschlichen Körper und der Umgebung hängt stark von den Synergieeffekten von Umgebungstemperatur, Luftbewegung, durchschnittlicher Strahlungswärme, relativer Luftfeuchtigkeit und Bekleidungstextilien ab. Herkömmliche Textilmaterialien einschließlich Baumwolle, Polyester, Wolle und Nylon haben alle Nachteile bei der Temperaturregelung. Wenn zum Beispiel Baumwolle verwendet wird, um Wärmeverluste in kalten Wintern zu verhindern, ist eine Erhöhung der Dicke die einzige Möglichkeit, jedoch ist die Wärmeleistung begrenzt. Im heißen Sommer kann Baumwolle auch keine Infrarotstrahlung blockieren. Daher ermöglicht die Entwicklung intelligenter temperaturgesteuerter Textilien, dass die Textilien mit dem menschlichen Körper interagieren, um die Energieabgabe zu steuern und die Körpertemperatur zu regulieren. Intelligente temperaturgesteuerte Textilien können entsprechend ihrer Mechanismen in zwei Kategorien eingeteilt werden: Die erste Kategorie bezieht sich auf Textilien, die ohne Energiezufuhr Umweltreize wahrnehmen und darauf reagieren können. Seine physikalische oder chemische Struktur kann sich als Reaktion auf Änderungen der Umgebungstemperatur ändern. Beispielsweise sind Phasenwechselmaterialien, die als Reaktion auf Umweltveränderungen Wärme aufnehmen oder abgeben können, eines der Hauptmaterialien für intelligente temperaturgesteuerte Textilien. Mit Phasenwechselmaterialien verschmolzene Textilien können ein Energieregulierungssystem bilden, das darauf ausgelegt ist, die menschliche Körpertemperatur auf einer konstanten Temperatur zu halten, damit Menschen sich nicht zu kalt oder zu heiß fühlen, und die Energieabgabe des Körpers zwischen heiß und kalt zu reduzieren Stangen. Die zweite Kategorie sind Textilien, die Körperwärme in Strom umwandeln können. Beispielsweise werden thermoelektrische (TE) Materialien auf Basis des Seebeck-Effekts im Textilbereich eingesetzt und haben ihr großes Potenzial bewiesen. TE-Materialien nutzen diesen Effekt, um Energie mit hoher Entropie direkt in Strom umzuwandeln. Darüber hinaus können TE-Materialien auch elektrische Energie in thermische Energie zum Kühlen oder Heizen umwandeln.

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Textilien mit Formgedächtnis

Formgedächtnistextilien sind Textilien mit hervorragenden Eigenschaften wie Formgedächtnis, hoher Erholungsrate, Schlagfestigkeit und guter Anpassungsfähigkeit an äußere Bedingungen wie Temperatur, pH-Wert, Elektrizität, Licht, Magnetfeld und Lösungsmittel durch Einbringen von Materialien mit Formgedächtnisfunktion sie durch Weben oder Veredeln. Formgedächtnistextilien lassen sich nach Material in Legierungen und Polymere einteilen. Formgedächtnislegierungen sind spezielle metallische Materialien, die ihre ursprüngliche Form wiedererlangen können, nachdem sie durch geeignete Erwärmung, Bestrahlung oder chemische Behandlung eine bestimmte Form erhalten haben. Formgedächtnispolymere als eine Klasse von Polymermaterialien werden aufgrund ihrer breiten Palette von Temperaturspeicheroptionen, ihres geringen Gewichts, ihres einfachen Rohmaterials und ihrer einfachen Verarbeitung und ihrer großen wiederherstellbaren Formvariablen weit verbreitet verwendet. Formgedächtnispolymere können zu Gedächtnisfasern verarbeitet und dann aus den Fasern zu Textilien mit Gedächtnisfunktion gewebt werden; kann auch in Appreturlösung, Nachveredelung von gewöhnlichen Stoffen verarbeitet werden, so dass Textilien mit Formgedächtnisfunktion entstehen. Nach der Nachbehandlung von Textilien mit Formgedächtnis wird ihre Gedächtnisleistung mit zunehmender Waschzeit langsam schwächer oder verschwindet sogar; Während die aus den Textilien gewebten Formgedächtnisfasern, ihre Gedächtniseigenschaften und die Natur der Faser selbst, einige Materialien die Formgedächtniseigenschaften dauerhaft beibehalten können.

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 Wasserdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Textilien

Wasserdichte und atmungsaktive Textilien, auch „atmungsaktive Textilien“ genannt, sind Textilien, die bei einem bestimmten Wasserdruck von Wasser nicht benetzt werden, also wasserabweisend sind und gleichzeitig vom menschlichen Körper abgegebener Schweiß an die Haut geleitet werden können außerhalb des Textils in Form von Wasserdampf, wodurch ein unangenehmes Gefühl entsteht. Das Prinzip wasserabweisender und feuchtigkeitsdurchlässiger Textilien ist die Diffusion von Gasmolekülen von hoher zu niedriger Konzentration durch den Fadenspalt. Es umfasst hauptsächlich die folgenden vier Typen: Textilien mit hoher Dichte bestehen aus gekämmtem Baumwollgarn mit hoher Fadenzahl oder ultrafeinen synthetischen Fasern mit einer besonders dichten Textur, wobei die Gewebestruktur geändert wird, um den Zweck der Wasserdichtigkeit und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit zu erreichen; mikroporöse Membrane wasserdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Textilien nutzen den Unterschied zwischen dem Durchmesser von Wassertropfen und dem Durchmesser von Wasserdampfmolekülen, um eine wasserdichte und feuchtigkeitsbeständige Rolle zu spielen; wasserdichte und feuchtigkeitsbeständige Textilien mit nicht poröser Membran verwenden molekulare Hydrophilie, um die Oberfläche der wasserdichten Membran zu vergrößern. Intelligente wasserdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Textilien beziehen sich auf das Gewebe, das die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit automatisch an verschiedene Umgebungsmerkmale anpassen kann, z. B. Hochtemperaturgewebe durch hohe Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, um eine hervorragende Wärmeableitung und Schwitzwirkung zu erzielen, und Niedrigtemperaturgewebe durch geringe Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, um die Wärmeableitung zu reduzieren und die Wärme zu verbessern.

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Smarte Aktivtextilien

Intelligente aktive Textilien ändern ihre strukturelle Form als Reaktion auf angelegte Reize wie Temperatur, Druck, elektrischer Strom, Licht, Feuchtigkeit und Lösungsmittel, um Betätigung, Wahrnehmung, Farbänderung und Energiegewinnung zu erzeugen. Mit den Vorteilen hoher Belastung, hoher Anpassungsfähigkeit, hoher Spitzenleistung und stabiler mechanischer Eigenschaften werden sie heute häufiger in Softrobotern, tragbaren elektronischen Geräten, dynamischer Tarnung und biomedizinischen Anwendungen eingesetzt. Während die traditionelle Textilherstellungshierarchie auf Fasermaterial, Garnstruktur und Textilform basiert, werden intelligente aktive Textilien auf der strukturellen Ebene von Textilien entwickelt. Durch das Hinzufügen aktiver Materialien wie Hydrogel, Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen und Doppelchips zur Faserzusammensetzung werden die grundlegenden Eigenschaften von Textilfasermaterialien beibehalten und neue aktive Eigenschaften hinzugefügt. Die Garnstruktur ist die zweite Stufe der intelligenten aktiven Textilhierarchie, die die mechanischen Eigenschaften des ursprünglichen Fasermaterials durch Aufbringen von Vorspannung und Zwang modifiziert. Die wichtigsten strukturellen Verformungen aktiver Garne sind verdrillte Spiralstrukturen, poröse Strukturen, vernetzte Maschenstrukturen, Sandwichstrukturen und hybride koaxiale Strukturen. Zu den an diesem Prozess beteiligten Parametern gehören die Anzahl der Filamente in Bündeln und die pro Längeneinheit aufgebrachte Drehung, die die Biegesteifigkeit, Bruchfestigkeit und Dehnungsdehnungsrate des Garns weiter anpasst. Schließlich können die mechanischen Eigenschaften der aktiven Fasern und Garne weiter angepasst werden, indem Herstellungsverfahren wie Weben, Stricken oder Flechten verwendet werden, um die aktiven Garne in textile Formen zu bringen.

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Smarte E-Textilien

Intelligente E-Textilien kombinieren Textilien mit elektronischer Informationstechnologie, indem sie Sensoren und Kommunikationsgeräte in Textilien einbetten und dann Daten sammeln und analysieren, die von Geräten in Textilien generiert werden, und durch Technologien wie das Internet der Dinge, künstliche Intelligenz und Computer Feedback geben. Intelligente E-Textilien bestehen aus elektronischen Komponenten wie verteilten Verarbeitungseinheiten, verschiedenen Sensoren, Mensch-Computer-Interaktionsgeräten und Stromversorgungssystemen usw. Es gibt im Wesentlichen drei Möglichkeiten, diese elektronischen Komponenten in intelligente Textilien zu implementieren: Die erste Möglichkeit besteht darin, vorhandene zu integrieren elektronische Bauteile in Textilien. Der Vorteil ist, dass der Produktionsprozess relativ einfach ist, aber wenn die verwendeten elektronischen Komponenten zu groß sind, gibt es auch Probleme, die die Verwendung und das Waschen des Benutzers beeinträchtigen. Der zweite Weg besteht darin, textile Materialien und textile Fertigungstechnologien zur Herstellung elektronischer Komponenten zu verwenden. Obwohl der Integrationsprozess einfacher ist, können die Textilmaterialien und die Textilherstellungstechnologie eine begrenzte Art von elektronischen Komponenten produzieren. Die dritte Implementierung besteht darin, Fasern herzustellen und zu verwenden, um eine gewisse elektronische Funktionalität bereitzustellen.

Smart Textiles und 3D-Druck

Klassifizierung und Eigenschaften der 3D-Drucktechnologie

Definition von 3D-Druck

3D-Druck, auch als additive Fertigung bekannt, ist eine Technologie, die digitale 3D-Modelldateien als Grundlage für die Konstruktion von Objekten verwendet, indem sie Schicht für Schicht unter Verwendung von haftenden Materialien wie Metallpulver oder Kunststoffen gedruckt wird. Der 3D-Druckprozess besteht aus drei Hauptschritten: Modellieren, Drucken und Nachbearbeitung. Das CAD-Design wird von einer Designsoftware oder einem 3D-Scanner durchgeführt, digitale Dateien werden an das 3D-Druckersystem übertragen, relevante Parameter werden eingestellt, um mit dem Drucken zu beginnen, und eine Nachbearbeitung des gedruckten Objekts durch Schleifen, Färben und Kleben kann nach dem Drucken erforderlich sein abgeschlossen. Die traditionelle Verarbeitungstechnologie ist hauptsächlich die mechanische Verarbeitung durch Schneiden oder Schneiden von Materialien, während der 3D-Druck das Gegenteil der traditionellen Schneidverarbeitung durch Stapeln von Schichten ist. Im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung sind die Vorteile des 3D-Drucks eine schnellere Verarbeitung komplexer Teile, eine verbesserte Designleistung von funktionalen Produkten, ein schnellerer Produktdesignprozess, integriertes Formen zur Reduzierung des Montageprozesses, einfachere Fertigungswerkzeuge, erhöhte Energieeinsparungen und reduzierte Produktionskosten von mehrere Produkte in einer gemeinsamen Linie. Daher wurde der 3D-Druck in den Bereichen Biomedizin, Luft- und Raumfahrt, kulturelle Kreativität und digitale Unterhaltung, industrielle Fertigung und Bautechnik eingesetzt und hat sogar einen Platz im Bildungsbereich.

Smart Textiles und 3D-Druck

Technologieklassifizierung des 3D-Drucks

Die 3D-Drucktechnologie wird häufig in Formprozessen eingesetzt, darunter Lichthärtendes Formen (SLA), selektives Lasersintern (SLS), Fused Deposition Moulding (FDM), selektives Laserschmelzen (SLM), Laser Near Net Moulding (LENS) und Elektronenstrahlschmelzen Moulding (EBM), Layered Solid Manufacturing (LOM), Mehrkopf-Sprühtechnologie (PolyJet), Klebstoff-Jetting (Binder Jetting) usw. In der Textil- und Bekleidungsindustrie werden neben SLA am häufigsten FDM- und SLS-Technologien eingesetzt , PolyJet, Binder Jetting und andere Technologien. Die verschiedenen Arten des Formprozesses können in 7 Typen unterteilt werden, wie in Tabelle 1 gezeigt. Verschiedene 3D-Drucktechnologien verwenden unterschiedliche Materialien, FDM verwendet hauptsächlich thermoplastische Polymere zum Drucken, wie ABS, PLA, PC, TPU, PVC, PPS usw SLS und SLA sind theoretisch gleich, aber der Unterschied besteht darin, dass SLS einen Laser zum Sintern von Pulver verwendet, wie Nylonpulver, Metallpulver usw. Es gibt auch verschiedene Arten von Materialien wie Kunststoffe, Metalle, Keramik, Glas, Papier , Holz, Zutaten, Kokosnussschalen, Wolle, Leinen usw., die für die Herstellung verwendet werden. PLA und TPU sind Thermoplaste mit guter Flexibilität, Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit, und Bentley ist Acrylnitril-Butadien-Styrol, hergestellt von Orbi-Tech. Aktuellen Studien zufolge können Natur- und Kunstfasern selbst als 3D-Druckmaterialien verwendet werden, wenn die Materialentwicklung voranschreitet. Bei der 3D-gedruckten Textilherstellung sind die physikalischen Eigenschaften, auf die man sich konzentrieren muss, die Weichheit. Außerdem müssen die grundlegenden geforderten Eigenschaften textiler Materialien wie Reißfestigkeit, Abriebfestigkeit, Atmungsaktivität etc. erfüllt werden.

Technische CLassifizierung und CEigenschaften von 3D PSpülen

 

Materialform

 

Herstellungsprozess Prozessklassifizierung
Flüssiges Material Lichthärtendes Formteil Punktweise Aushärtung (SL LTP BIS)
Schichtweise Aushärtung (SGC)
Holografische Interferenzhärtung (HIS)
Elektrisches Gießen Elektrisches Gießen (ES)

 

Kühlen & Aushärten Punkt-für-Punkt-Aushärtung (BPM, FDM, 3DW, ASP)
Schichtweise Aushärtung (SDM, PVD, CVD)
 

Dünnschichtmaterial

Mit Schmelzkleber verklebtes dünnes Material Schmelzklebstoffgebundenes dünnes Material (LOM)

 

Leicht gebundenes dünnes Material Leicht gebondetes dünnes Material (SFP)
 

Pulverpartikel

Heißschmelzkühlung Lasersintern und -schmelzen (SLS, GPD, SLM, EBM)
Pulverpartikel zum Kleben Verklebung von Pulverpartikeln durch einen Binder (3DP, SF, TSF)

Vorteile von 3D-gedruckten Smart Textiles

Die 3D-Drucktechnologie eröffnet neue Wege und bietet viele neue Möglichkeiten für die effiziente Herstellung von Smart Textiles. Es vereinfacht herkömmliche Herstellungsverfahren und reduziert die Komplexität der Herstellung durch mehrere Formprozesse. Im Vergleich zur konventionellen Fertigung hat der 3D-Druck im Bereich Smart Textiles fünf entscheidende Vorteile: Kosten, Geschwindigkeit, Innovation, Qualität und Wirkung.

Signifikante Reduzierung der Herstellungskosten

3D-gedruckte intelligente Textilien können als Prototypen oder direkt ohne den Einsatz von Werkzeugen und Formen hergestellt werden, was von Bedeutung sein kanntVerkürzen Sie den Zyklus der Produktprototypen und sparen Sie Werkzeugkosten ein. Da der Herstellungsprozess eigenständig durch 3D-Drucker erfolgt, entfällt die Anschaffung verschiedener Maschinen, wodurch auch ein Teil der Anschaffungs- und Wartungskosten für die Ausrüstung entfällt. Darüber hinaus ist die Herstellungsgeschwindigkeit sehr schnell, vom digitalen CAD-Modell bis zur Fertigstellung der Produktion viel schneller als die herkömmlichen Verarbeitungs- und Formverfahren, wenn die 3D-Drucktechnologie zur Herstellung intelligenter Textilien verwendet wird, da das Material Schicht für Schicht in einer kontrollierten Weise hinzugefügt wird Art und Weise, wodurch der Materialabfall reduziert und sowohl Zeit als auch wirtschaftliche Kosten gespart werden. Darüber hinaus verkürzt der 3D-Druck die Lieferkette und macht Lagerhaltung, Lagerung, Verpackung und Transport überflüssig, was im Vergleich auch die Kosten senkt.

Der Herstellungsprozess wird effektiv vereinfacht

Die Herstellung intelligenter Textilien erfordert die Lösung vieler Probleme, wie z. B. die Verwendung unkonventioneller Garne zum Weben, die Reduzierung von Schäden an Kett- und Schussgarnen während des Webprozesses und die Aufrechterhaltung der Formbarkeit von speziell strukturierten Stoffen. Im Vergleich zur traditionellen Fertigung hat die 3D-Drucktechnologie den Herstellungsprozess und die Herstellungsschwierigkeiten stark reduziert, hauptsächlich in Bezug auf ein schnelleres Produktdesign, weniger Redundanz in der integrierten Fertigung und einfachere Fertigungswerkzeuge, sowohl zum Drucken von Garnen als auch von Textilformen.

 Kombination mehrerer Materialien

Ein Teil der Funktionalität intelligenter Textilien spiegelt sich in der Verwendung von intelligenten Fasermaterialien wider, das heißt, um intelligente Fasern herzustellen, werden unterschiedliche Materialeigenschaften zu einer einzigen Faserstruktur kombiniert, während dies bei herkömmlichen Maschinen im Stoffbildungsprozess nicht der Fall ist einfach eine Vielzahl von Materialien zum Weben zu integrieren. In anderen Bereichen gibt es eine Vielzahl von Materialien für gemischte Spritzgussanwendungen, aber die Kosten sind hoch und die Formteilqualität ist uneinheitlich. Im Gegensatz zur 3D-Drucktechnologie ist es möglich, verschiedene Materialien auf derselben Maschine zu mischen, was innovative Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Funktionen in Smart Textiles bietet.

 Verbesserung der Qualität der Stoffleistung

Die 3D-Drucktechnologie verbessert die Leistung des Gewebes in zweierlei Hinsicht: Erstens wirkt sich das Druckmaterial durch die Verwendung von Materialien mit besonderen Eigenschaften für die Herstellung von Stoffen direkt auf die Leistungseigenschaften des Gewebes aus. Die zweite ist die Druckstruktur, die Stoffdruckstruktur, indem der Abstand zwischen Kette und Schuss des Garns, die Dicke und die Anordnung geändert werden, um unterschiedliche Leistungsqualität zu zeigen. Darüber hinaus sind im traditionellen Herstellungsprozess aufgrund der Einschränkungen von Herstellungswerkzeugen und Prozessmethoden komplexe Strukturen und zu gekrümmte und verdrehte Oberflächen schwer zu verarbeiten. Im Gegensatz dazu hat die 3D-Druckherstellung den Vorteil, dass aufgrund der Technologie jede komplexe Form erreicht werden kann unterliegt nicht den technischen Beschränkungen des traditionellen Herstellungsverfahrens.

 Erreichen Sie eine nachhaltige Produktion

Die durch die traditionelle Textilindustrie verursachten Umweltbelastungen betreffen hauptsächlich die Prozesse der Rohstoffverarbeitung, der Textilherstellung, des Färbens und Veredelns, wie z. die große Menge an Energie, die beim Heizen der Ausrüstung verbraucht wird, und der Abfall, der beim Prozess der Reduzierung der Materialherstellung entsteht, die alle eine Umweltverschmutzung verursachen können. Der 3D-Druck ist eine einteilige additive Fertigungstechnologie, die den Herstellungszyklus von Textilien verkürzt und im Grunde keine Abgase und kein Abwasser erzeugt, und ein Teil des zurückgewonnenen Abfalls kann recycelt werden.

Anwendungsarten der 3D-Drucktechnologie im Bereich Smart Textiles

Intelligente Textilien können optische Fasern, Phasenwechselmaterialien, Chemikalien oder andere elektronische Komponenten enthalten, die gewöhnlichen Textilien neue Funktionen hinzufügen. Immer mehr Textilmaterialien versuchen, die 3D-Drucktechnologie zu nutzen, um Smart Textiles mit komplexen Funktionen direkt herzustellen. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf Leitfähigkeit, Formgedächtnis, Temperaturregelung und flexible elektronische Komponenten.

3D-Druck intelligenter leitfähiger Textilien

Die gebräuchlichste Methode zur Entwicklung leitfähiger Textilien besteht darin, leitfähige Materialien an der Oberfläche des Gewebes anzubringen, was durch Laminieren, Beschichten, Drucken, Sprühen, Ionenplattieren, chemisches Plattieren, Vakuummetallisierung, kathodisches Sputtern und chemische Gasphasenabscheidung erreicht werden kann. usw. 3D-Drucker sind in der Lage, genau die definierten Formen zu drucken. Insbesondere bei bleifreien SMD-Bauteilen (Surface Mounted Device) können auf diese Weise leitfähige Garne oder Beschichtungen verbunden werden. Gleichzeitig ermöglicht der 3D-Druck die Anpassung der Struktur elektronischer Bauteile, um mit dem Gewebe den am besten geeigneten Strukturzustand zu erreichen. Grimmelsmanna et al. von der Fachhochschule Bielefeld, Deutschland, verwendete 3D-Drucktechnologie, um direkt auf einen Stoff zu drucken, der Leiterbahnen enthielt, die mit leitfähigen Shieldex-Garnen gewebt waren, sodass die 3D-gedruckten Objekte als leitfähige Drähte mit kleinen elektronischen Komponenten verbunden wurden, wodurch das Textil dies ermöglichte emittieren Licht, wie in Abbildung 1 gezeigt. Als textiles Substrat wurde ein einseitig gehäkeltes Gestrick mit Struktureffekt und einer relativ kompakten und gleichmäßigen Oberfläche gewählt, damit das 3D-gedruckte Material besser auf dem Stoff haftet. Der Entwickler entwarf ein SMD-LED-Elektronikbauteil, das mittels FDM-Technologie auf der Oberfläche des Textilsubstrats hergestellt wurde. Der schwarze leitfähige Teil wird hauptsächlich für die elektrische Verbindung verwendet und besteht aus leitfähigem Proto-Pasta-PLA-Filament bei einer Extrudertemperatur von 207 °C und einer Druckbetttemperatur von 60 °C. Die Schichthöhe beträgt 0.2 mm und die Struktur ist gefüllt. Der weiße Teil ist das normale PLA-Filament, das als Fixierung und Verbindung dient. Das schwarze Filament mit leitfähigen Eigenschaften ist mit dem Shields-Garn verbunden, um die LEDs auf dem Textil zum Leuchten zu bringen. 3D-gedruckte Teile fungieren als Vorwiderstände, um die LEDs vor übermäßigen Anwendungsspannungen zu schützen, die ihren normalen Betrieb beeinträchtigen können. Wenn der Innenwiderstand niedrig ist, ist die Helligkeit der LEDs geringer, da die LEDs und die 3D-gedruckten Teile mit dem Vorwiderstand verbunden sind, um als Spannungsteiler zu arbeiten, und der Spannungsabfall bei höheren Widerständen höher ist.

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 bedruckte intelligente temperaturgesteuerte Textilien

Es gibt verschiedene Arten von intelligenten Textilien mit Temperaturregulierung, wie z. B. die gebräuchlichsten derzeit auf dem Markt erhältlichen temperatur- und feuchtigkeitsregulierenden Textilien, die verwendet werden, um die Körpertemperatur zu senken, indem überschüssige Feuchtigkeit entfernt wird. Diese Textilien können jedoch nur ausgelöst werden, wenn die Luft zwischen Körper und Stoff eine hohe Luftfeuchtigkeit aufweist, was ihre Anwendung bei niedriger Luftfeuchtigkeit einschränkt. Es gibt andere Temperatursteuerungstechniken, einschließlich Cold-Pocket-Textilien mit Phasenwechselmaterialien, luftgekühlte Textilien und flüssigkeitsgekühlte Textilien, aber alle haben auch ihre Grenzen. Forscher haben viel Arbeit in die Entwicklung thermoregulierter Textilien investiert, um solche Probleme zu lösen. Ein Verbundmaterial mit Bornitrid-Nanoblättern (BNNS), die in eine Polymermatrix aus Polyvinylalkohol (PVA) eingebettet sind, wurde an der University of Maryland 3D-gedruckt, um intelligente temperaturgesteuerte Textilien herzustellen, die die Körpertemperatur schnell senken können, wie in Abbildung 2 gezeigt. BNNS haben eine zweidimensionale Struktur und eine Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von bis zu 2,000 W/(mK). Um die thermischen Eigenschaften von BNNS in der Ebene zu nutzen, müssen die Schichten eine gute Ausrichtungsorientierung und eine gleichmäßige Dispersion aufweisen. Eine gleichmäßige Dispersion kann erreicht werden, da BNNSs die strukturelle Stabilisierung fördern können, indem sie Polymere absorbieren, wenn sie in einer PVA-Lösung beschallt werden. Auch während des Faserdrucks und der weiteren Heißziehverarbeitung wurden Nanokompositfasern durch uniaxialen Dehnungsfluss eingeführt, in dem BNNSs gut ausgerichtete Orientierungen bildeten, was zu Energiepfaden für die Phononenwärmeübertragung führte. Die stark orientierte und verbundene Natur der BNNSs stellt zusätzliche Wärmewege bereit, was die Wärmeleistung der a-BN/PVA-Verbundfasern effektiv verbessert. a-BN/PVA-Textilien können zusätzlich vom menschlichen Körper erzeugte Wärme entlang der Fasern abgeben. Die Textilien geben die vom menschlichen Körper zusätzlich erzeugte Wärme entlang der Fasern an die Umgebung ab und sorgen so für ein thermisch angenehmes Mikroklima zur Kühlung des menschlichen Körpers.

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3D-gedruckte Textilien mit Formgedächtnis

Formgedächtnispolymer ist ein Polymer, das sich an seine ursprüngliche Form erinnert, seine Form unter bestimmten Bedingungen ändert und durch Anlegen von Reizen wie Wärme, Elektrizität und Magnetfeldern wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Formgedächtnispolymere werden am häufigsten in Polymilchsäure (PLA) verwendet, die ebenfalls ein häufig im 3D-Druck verwendetes Material ist und daher durch 3D-Drucktechnologie hergestellt werden kann. Die aktuelle Forschung zur Verwendung der 3D-Drucktechnologie zum Drucken von Formgedächtnispolymeren bezieht sich hauptsächlich auf zwei Aspekte des Materials, einer ist die Verwendung von 100 % reinem PLA als Formgedächtnispolymer, aber da PLA-Material erweitert werden kann auf 10 % [41], muss die Struktur so gestaltet werden, dass diese Einschränkung vor dem Drucken überwunden wird. Dieses Problem wurde von Langford et al. unter Verwendung einer Fischgrät-Origami-Struktur, wie in Abbildung 3 gezeigt. Abbildung 3(a) zeigt ein 3D-gedrucktes Objekt mit einer Fischgrät-Origami-Struktur. Abbildung 3(b) zeigt, dass das Volumen des Objekts kleiner wird, wenn es gefaltet ist. Beim Entfalten wird das Volumen des Objekts größer, aber auf dem Objekt erscheinen einige winzige Risse, wie in Abbildung 3(c) gezeigt. Die übliche konstante Rückgewinnungsrate von PLA-Filament beträgt etwa 61 %, während die Rückgewinnungsrate von Fischgrät-Origami-Strukturen auf etwa 96 % erhöht wird. Eine weitere Kategorie ist der 3D-Druck mit PLA-Verbundwerkstoffen. Guido Ehrmann und Andrea Ehrmann bildeten mit einem FDM-3D-Drucker eine feste Mischung, indem sie 80 % PLA mit 20 % Fe₃O₄ mischten und zerkleinerten, und dann in einem Doppelschneckenextruder extrudierten. Eine poröse Knochentrabekelstruktur wurde gedruckt [42], wie in Abbildung 4 dargestellt. Durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes von 30 kHz wurde nach nur 95 bis 14 s mehr als 24 % Formwiederherstellung erreicht. Zusätzlich zu diesen Möglichkeiten kann PLA mit anderen Polymeren gemischt werden, um Gegenstände mit Erholungseigenschaften zu schaffen. Beispielsweise kann die Zugabe von Hydroxyapatit (HAP), Kohlefaser, Bariumtitanat und Polyesteramid (PEA) zu PLA je nach zugesetzter Dosis, Einstellung der Druckparameter und externen Faktoren die Rückgewinnungsrate beeinflussen auferlegt, um eine Wiederherstellung der Form herbeizuführen. Diese 3D-gedruckten Formgedächtnispolymere können zur Herstellung von Formgedächtnisgeweben zur Verwendung in intelligenten Textilien verwendet werden.

 

Smart Textiles und 3D-Druck

Smart Textiles und 3D-Druck

3D-gedruckte intelligente E-Textilien

Smarte E-Textilien integrieren elektronische Komponenten wie Sensoren, Mikrocontroller, Aktoren, Verbindungsgeräte und Energiequellen. Herkömmliche elektronische Komponenten bestehen hauptsächlich aus Metall, Kunststoff und anderen Materialien, die beim Biegen, Verdrehen, Dehnen und anderen Situationen zu irreversiblen Verformungen neigen, wodurch die normale Funktion elektronischer Komponenten beeinträchtigt wird, aber die Verwendung flexibler Materialien kann dies ausgleichen für die oben genannten Probleme. Diese flexiblen elektronischen Komponenten können nicht nur tragbare Funktionen für das tägliche Leben der Menschen bereitstellen, sondern können aufgrund ihrer Fähigkeit, mit der menschlichen Haut in Kontakt zu treten, auch zur Überwachung der Gesundheitsinformationen des menschlichen Körpers verwendet werden. Die traditionelle Verarbeitungstechnologie flexibler elektronischer Komponenten hat jedoch Einschränkungen für die Verarbeitung elektronischer Komponenten mit komplexen funktionellen Strukturen. Daher erregt der 3D-Druck als 3D-Rapid-Prototyping-Verfahren Aufmerksamkeit. Derzeit sind verschiedene 3D-Drucktechnologien weit verbreitet für strukturelle elektronische Geräte, und immer flexiblere Materialien wurden für 3D-Drucktechnologien verwendet, um die Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche funktionale Anforderungen von Produkten zu erhöhen. Zum Beispiel nutzten Yang Hui et al. [43] die chemische Reaktion von PCL10K und Isocyanethylmethacrylat, um Polycaprolacton (PCL) zu synthetisieren, das als flexibles Material für den 3D-Druck verwendet werden kann. Polycaprolacton (PCL) wurde mit einem kommerziellen SLA-Drucker in ein flexibles Gerät gedruckt und mit leitfähigen Materialien wie Silbernanopartikeln oder Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) beschichtet, um ein 3D-gedrucktes flexibles elektronisches Gerät mit Formgedächtniseigenschaften zu bilden, wie in Abbildung 5 gezeigt Darunter besteht das Gerät in Abb. 5(a) aus einem 3D-Formgedächtnis-Polymer-Druckobjekt. Abbildung 5(b) zeigt einen flexiblen elektrischen Temperatursensor, der durch Hinzufügen von Silbernanopartikeln zur Oberfläche des 3D-gedruckten Objekts mit Formgedächtniseigenschaften durch einen Sinterprozess bei Raumtemperatur hergestellt wurde. Wenn in Fig. 5(c) der flexible elektrische Temperatursensor einen Temperaturanstieg erfährt, ändert sich seine Form von einem offenen Stromkreis zu einem geschlossenen Stromkreis und bringt eine lichtemittierende Diode zum Leuchten. Der mit 3D-Drucktechnologie gedruckte flexible Sensor mit Formgedächtnisverhalten verleiht elektronischen Geräten nicht nur neue Funktionen, sondern spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Produktqualität und verändert die Art und Weise, wie Menschen mit elektronischen Geräten interagieren.

Smart Textiles und 3D-Druck

Entwicklung TWiedergabe von 3D PSpülen SMarkt TExtiles

Durch die Anwendung der 3D-Drucktechnologie auf intelligente Textilien wird die Erforschung neuer Materialien, Materialkombinationen, Mischgarne und der Verarbeitung grundlegender Stoffkomponenten, einschließlich neuer Fasern, Garnformen und Stoffstrukturen, ein völlig neues Feld betreten. In Bezug auf Schutzfunktionen, Komfort und Gesundheitspflege, Pflegeleichtigkeit, Aussehen und Form, Benutzerfreundlichkeit und Umwelteigenschaften kann ein breites Anwendungsspektrum erreicht werden. Derzeit gibt es drei technologische Anwendungen von 3D-gedruckten intelligenten Textilien: Die häufigste ist der 3D-Druck direkt auf Textilien, der den bestehenden Textilien neue Funktionen hinzufügen kann. Der Fokus dieser Technologie liegt auf der Haftung zwischen Textilien und 3D-Druckmaterialien. Der Haftungsgrad unterschiedlicher Materialien auf dem Gewebe hängt neben den Erwärmungseigenschaften der beiden Materialien auch von der Einstellung der Druckparameter, wie Drucktemperatur, Druckgeschwindigkeit, Füllrate, Ausrichtungswinkel etc. ab Durch die Kombination aus weichen und bequemen textilen Substraten und harten Materialien werden diese Produkte in Zukunft in der medizinischen Rehabilitation und im Sicherheitsschutz weiter verbreitet sein. Der zweite Aspekt besteht darin, verschiedene Textilstrukturen in 3D zu drucken, damit sie einige intelligente Funktionen haben und in Robotik, Kleidung, Bauwesen und anderen Bereichen weit verbreitet sein werden. Der dritte Aspekt ist die Verwendung flexibler Materialien für den 3D-Druck. Die Entwicklung flexibler Materialien steckt noch in den Kinderschuhen. Mit der rasanten Entwicklung elastischer Materialien in der Zukunft kann der 3D-Druck von intelligenten Textilien eine gute Atmungsaktivität und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit bieten und gleichzeitig mehrere geben Funktionen. Sowohl der direkte 3D-Druck auf Textilien als auch der strukturelle Druck von Smart Textiles unter Verwendung verschiedener Verbundmaterialien werden voraussichtlich in Zukunft in großen Mengen kommerziell hergestellt.

3D-Druck ist eine Technologie zur Erstellung von Körpermodellen auf der Grundlage eines digitalen 3D-Modells mit einer computergesteuerten Anhäufung diskreter Materialien Schicht für Schicht. Obwohl die meisten 3D-Drucker nach solchen Arbeitsprinzipien und Prozessen arbeiten, haben verschiedene 3D-Druckarten unterschiedliche technische Einschränkungen. Die Hauptarten von Materialien, die beim 3D-Druck verwendet werden, sind flüssige Materialien, feste Materialien und Pulvermaterialien, und der Druckprozess mit demselben Material kann unterschiedlich sein, und dasselbe Pulvermaterial wird für den 3D-Druck verwendet, aber der SLS-Prozess erfordert dies Das SLS-Verfahren erfordert ein Vorwärmen des Pulvers, um Verformungen und klebriges Pulver während des Druckvorgangs zu reduzieren, während das BJ-Verfahren keinen Pulvervorwärmschritt erfordert. Darüber hinaus entscheiden sich einige Technologien dafür, dem bedruckten Material neue Komponenten mit unterschiedlichen Eigenschaften hinzuzufügen, um dem Textil spezielle Funktionen zu verleihen, und beim Drucken mit neuen Materialien müssen Parameter wie Drucktemperatur und Druckgeschwindigkeit neu eingestellt werden. 3D-Druckprozessstrukturen erfordern meist eine Nachbearbeitung, um intelligente Textilien mit guter Oberflächenqualität, mechanischen Eigenschaften und Funktionalität herzustellen. Die Nachbearbeitung umfasst hauptsächlich das Entfernen von Stützstrukturen, Polieren, Färben, verstärktes Umformen, dauerhafte Konservierungsbehandlung und Oberflächenbeschichtung. Obwohl die Nachbearbeitung den Mangel an gedruckten Modellen ausgleicht, verlängert sie auch den Betriebsprozess und die Produktionszeit. Gegenwärtig wurden 3D-gedruckte intelligente Textilien schnell entwickelt und verbessert, aber es gibt bestimmte Mängel und Verbesserungsbereiche in der Stabilität des Druckprozesses, der Präzision des Formens, der Veredelung und der Nachbearbeitung. Darüber hinaus mangelt es der intelligenten Textilindustrie für den 3D-Druck an einer koordinierten und stabilen Entwicklung, und es gibt keine vollständige Industriekette oder kein Industriesystem, einschließlich perfekter Lieferanten, eines Dienstleistersystems, einer guten Marktplattform usw. Es gibt noch ein großes Potenzial in der Technologie Forschung und Entwicklung sowie Technologieförderung.

Smart Textiles und 3D-Druck

 

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