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Progressi della ricerca sull'applicazione della stampa 3D nei tessuti intelligenti

Introduzione

Con la crescita accelerata del mercato della stampa 3D, l'industria tessile ha iniziato a innovare e produrre in vari modi utilizzando la tecnologia di stampa 3D, come tessuti stampati in 3D, abbigliamento, accessori moda e calzature. Rispetto ai tessuti tradizionali, i tessuti intelligenti richiedono una tecnologia di produzione più elevata, la tecnologia di stampa 3D può risolvere questo problema a un certo livello stampando direttamente in tre dimensioni utilizzando materiali con proprietà intelligenti per produrre tessuti intelligenti. La ricerca sull'applicazione della tecnologia di stampa 3D nel campo dei tessuti intelligenti può fornire nuove idee per promuovere lo sviluppo, la progettazione e lo sfruttamento dell'industria tessile intelligente.

Classificazione dei Smercato Testili e Terede Applicazioni

Definizione di tessuti intelligenti

I tessuti intelligenti sono nuovi tessuti che incorporano materiali, informazioni biologiche, chimiche, elettroniche e altre tecnologie nei tessuti in modo che possano percepire, reagire, regolare o adattarsi a diversi stimoli (luce, temperatura, umidità, solventi, elettricità, magnetismo, ecc.). ), oltre a continuare le proprie proprietà. Si può suddividere in due categorie: una è costituita dai tessuti intelligenti “passivi”, che hanno la capacità di modificare le proprie prestazioni dopo essere stati stimolati dall'ambiente. Ad esempio, i tessuti a memoria di forma, i tessuti idrofobi o idrofili, ecc. appartengono a questa categoria. Un'altra categoria di tessuti intelligenti “attivi” è la capacità di trasformare i parametri del contenuto in informazioni di trasmissione per mezzo di sensori e attuatori. Questi tessuti intelligenti "attivi" possono rilevare diversi segnali ambientali come temperatura, intensità della luce e inquinamento e fornire feedback ai segnali ambientali utilizzando vari attuatori basati su tessuto, flessibili e miniaturizzati, inclusi display tessili, dispositivi a micro-vibrazione e diodi emettitori di luce. Con il progresso di tecnologie come non tessuti in nanofibra, fibre conduttive, fibre ottiche in plastica, grafene, nanotubi di carbonio, piccoli componenti elettronici e sensori e batterie micro-sottili, la crescita del mercato dei tessuti intelligenti ha ricevuto un enorme impulso.

tessuti intelligenti e stampa 3D
Classificazione degli Smart Textiles

I tessuti intelligenti sono ampiamente utilizzati nei settori dei trasporti, dell'energia e della medicina, protezione, sicurezza, comunicazione e altri prodotti elettronici e possono essere classificati in cambio di colore intelligente, controllo della temperatura, memoria di forma, impermeabile e permeabile all'umidità, tessuti attivi e tessuti elettronici intelligenti secondo alle diverse funzioni.

Tessuti intelligenti che cambiano colore

I tessuti intelligenti che cambiano colore sono tessuti che possono mostrare colori diversi al variare delle condizioni ambientali esterne, come luce, temperatura, pressione, ecc. Questi tessuti intelligenti includono principalmente tessuti fotocromatici, tessuti termocromici, tessuti elettrocromici, tessuti termocromici, tessuti pressocromici e tessuti umidità-cromici. I tessuti fotocromatici producono una trasformazione reversibile tra due forme con diversi spettri di assorbimento per irradiazione luminosa, principalmente sotto forma di cambiamento di colore in base alla sorgente luminosa, e il colore originale può essere ripristinato dopo che la sorgente luminosa scompare. I tessuti termocromici possono cambiare colore in base al cambiamento della temperatura circostante e il loro cambiamento di colore si basa principalmente sul meccanismo di variazione del pH e sul meccanismo di guadagno/perdita di elettroni. I tessuti elettrocromici utilizzano principalmente una struttura a sandwich piatta o una struttura lineare, in cui vari elettrodi in fibra sono avvolti insieme per ottenere l'effetto di cambio colore delle fibre regolando la composizione del drogaggio e il rapporto dei materiali che cambiano colore o modificando la struttura chimica di un singolo materiale elettrocromico . I tessuti elettrotermici che cambiano colore si riferiscono al cambiamento di colore reversibile di alcuni materiali in fibra a causa del calore Joule sotto l'effetto dell'alternanza di tensione positiva e negativa. Questo tipo di tessuto è un tessuto cambiacolore intelligente che combina effetti elettrocromici e termocromici, il cui principio fondamentale è la termocromia. I tessuti piezoceramici cambiano colore rilevando l'area del tessuto sotto pressione attraverso una matrice formata dall'intreccio di fibre conduttive in ordito e trama.

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Smart Ttessuti a temperatura controllata

Il trasferimento di calore tra il corpo umano e l'ambiente dipende fortemente dagli effetti sinergici della temperatura ambiente, del movimento dell'aria, del riscaldamento radiante medio, dell'umidità relativa e dei tessuti per abbigliamento. I materiali tessili tradizionali, tra cui cotone, poliestere, lana e nylon, presentano tutti degli svantaggi nel controllo della temperatura. Ad esempio, quando si utilizza il cotone per prevenire la perdita di calore durante il freddo inverno, l'aumento dello spessore è l'unico modo, tuttavia la prestazione del calore è limitata. Nella calda estate, anche il cotone non può bloccare la radiazione infrarossa. Pertanto, lo sviluppo di tessuti intelligenti a temperatura controllata consente ai tessuti di interagire con il corpo umano per controllare la produzione di energia e regolare la temperatura corporea. I tessuti intelligenti a temperatura controllata possono essere suddivisi in due categorie in base ai loro meccanismi: la prima categoria si riferisce ai tessuti che possono percepire e rispondere agli stimoli ambientali senza alimentazione di input. La sua struttura fisica o chimica può cambiare in risposta ai cambiamenti della temperatura ambiente. Ad esempio, i materiali a cambiamento di fase, che possono assorbire o rilasciare calore in risposta ai cambiamenti ambientali, sono uno dei materiali principali per tessuti intelligenti a temperatura controllata. I tessuti fusi con materiali a cambiamento di fase possono formare un sistema di regolazione dell'energia, progettato per mantenere la temperatura del corpo umano a una temperatura costante, in modo che le persone non sentano troppo freddo o troppo caldo e riducano la produzione di energia del corpo tra il caldo e il freddo poli. La seconda categoria sono i tessuti in grado di convertire il calore corporeo in elettricità. Ad esempio, i materiali termoelettrici (TE) basati sull'effetto Seebeck sono utilizzati nel settore tessile e hanno dimostrato il loro grande potenziale. I materiali TE utilizzano questo effetto per convertire l'energia ad alta entropia direttamente in elettricità. Inoltre, i materiali TE possono anche convertire l'energia elettrica in energia termica per il raffreddamento o il riscaldamento.

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Tessuti a memoria di forma

I tessuti a memoria di forma sono tessuti con proprietà eccellenti come memoria di forma, alto tasso di recupero, resistenza agli urti e buona adattabilità a condizioni esterne come temperatura, pH, elettricità, luce, campo magnetico e solventi inserendo materiali con funzione di memoria di forma in attraverso la tessitura o il finissaggio. I tessuti a memoria di forma possono essere suddivisi in leghe e polimeri per materiale. Le leghe a memoria di forma sono materiali metallici speciali che possono recuperare la loro forma originale dopo aver ricevuto una certa forma mediante un appropriato riscaldamento, irradiazione o trattamento chimico. I polimeri a memoria di forma, come classe di materiali polimerici, sono ampiamente utilizzati a causa della loro vasta gamma di opzioni di memoria della temperatura, materia prima e lavorazione leggere e facili e grandi variabili di forma recuperabili. I polimeri a memoria di forma possono essere fabbricati in fibre di memoria e quindi tessuti dalle fibre in tessuti con funzione di memoria; può anche essere trasformato in soluzione di finitura, post-finitura di tessuti ordinari, in modo che i tessuti con funzione di memoria di forma. Dopo la post-finitura dei tessuti a memoria di forma, le sue prestazioni di memoria si indeboliranno lentamente con l'aumento dei tempi di lavaggio, o addirittura scompariranno; mentre le fibre a memoria di forma tessute dai tessuti, le sue caratteristiche di memoria e la natura della fibra stessa, alcuni materiali possono mantenere permanentemente le caratteristiche di memoria di forma.

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 Tessuti impermeabili e permeabili all'umidità

I tessuti impermeabili e traspiranti, noti anche come "tessuti traspiranti", sono tessuti che non vengono bagnati dall'acqua sotto una certa pressione dell'acqua, rendendoli idrorepellenti e, allo stesso tempo, il sudore emesso dal corpo umano può essere condotto al al di fuori del tessuto sotto forma di vapore acqueo, facendo così sentire le persone a disagio. Il principio dei tessuti idrorepellenti e permeabili all'umidità è la diffusione di molecole di gas da alte a basse concentrazioni attraverso il gap del filo. Comprende principalmente i seguenti quattro tipi: i tessuti ad alta densità sono realizzati con filati di cotone pettinato ad alto titolo o fibre sintetiche ultrafini con una trama particolarmente densa, l'uso di cambiare la struttura del tessuto per raggiungere lo scopo di impermeabile e permeabile all'umidità; membrana microporosa impermeabile e tessuti permeabili all'umidità utilizzano la differenza tra il diametro delle gocce d'acqua e il diametro delle molecole di vapore acqueo per svolgere un ruolo impermeabile e resistente all'umidità; membrana non porosa i tessuti impermeabili e resistenti all'umidità utilizzano l'idrofilia molecolare per aumentare la superficie della membrana impermeabile I tessuti intelligenti impermeabili e permeabili all'umidità si riferiscono al tessuto in grado di regolare automaticamente il livello di permeabilità all'umidità in base alle diverse caratteristiche ambientali, come il tessuto ad alta temperatura attraverso un'elevata permeabilità all'umidità per ottenere un'eccellente dissipazione del calore e un effetto di sudorazione e tessuto a bassa temperatura grazie a una bassa permeabilità all'umidità per ridurre la dissipazione del calore per migliorare il calore.

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Tessili attivi intelligenti

I tessuti attivi intelligenti cambiano la loro forma strutturale in risposta a stimoli applicati come temperatura, pressione, corrente elettrica, luce, umidità e solventi per produrre attivazione, rilevamento, cambiamento di colore e raccolta di energia. Con i vantaggi di elevata sollecitazione, elevata adattabilità, elevata velocità di uscita di picco e proprietà meccaniche stabili, sono ora più frequentemente utilizzati in robot morbidi, dispositivi elettronici indossabili, camuffamento dinamico e applicazioni biomediche. Mentre la gerarchia della produzione tessile tradizionale si basa sul materiale in fibra, sulla struttura del filato e sulla forma del tessuto, i tessuti attivi intelligenti vengono sviluppati in base al livello strutturale dei tessuti. Aggiungendo materiali attivi come idrogel, nanotubi di carbonio, grafene e dual chip alla composizione della fibra, le caratteristiche di base dei materiali in fibra tessile vengono mantenute e vengono aggiunte nuove caratteristiche attive. La struttura del filato è il secondo gradino della gerarchia tessile attiva intelligente, che modifica le proprietà meccaniche del materiale in fibra originale applicando precompressione e costrizione. Le principali deformazioni strutturali dei fili attivi sono la struttura a spirale ritorta, la struttura porosa, la struttura a rete reticolata, la struttura a sandwich e la struttura coassiale ibrida. I parametri coinvolti in questo processo includono il numero di filamenti in fasci e la torsione applicata per unità di lunghezza, che regola ulteriormente la rigidità alla flessione, la resistenza alla rottura e la velocità di stiramento del filato. Infine, le proprietà meccaniche delle fibre e dei filati attivi possono essere ulteriormente regolate utilizzando processi di fabbricazione come la tessitura, la lavorazione a maglia o l'intrecciatura per trasformare i filati attivi in ​​forme tessili.

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Tessili elettronici intelligenti

I tessuti elettronici intelligenti combinano i tessuti con la tecnologia dell'informazione elettronica incorporando sensori e dispositivi di comunicazione nei tessuti, quindi raccogliendo e analizzando i dati generati dai dispositivi nei tessuti e fornendo feedback attraverso tecnologie come l'Internet delle cose, l'intelligenza artificiale e i computer. Gli smart e-textiles sono costituiti da componenti elettronici come unità di elaborazione distribuite, vari sensori, dispositivi di interazione uomo-computer e sistemi di alimentazione, ecc. Esistono tre modi principali per implementare questi componenti elettronici in smart textiles: il primo modo è integrare quelli esistenti componenti elettronici nei tessuti. Il vantaggio è che il processo di produzione è relativamente semplice, ma se i componenti elettronici utilizzati sono troppo grandi, ci sono anche problemi che influiscono sull'uso e sul lavaggio da parte dell'utente. Il secondo modo è utilizzare materiali tessili e tecnologia di produzione tessile per produrre componenti elettronici. Sebbene il processo di integrazione sia più semplice, i materiali tessili e la tecnologia di produzione tessile possono produrre un tipo limitato di componenti elettronici. La terza implementazione consiste nel produrre e utilizzare fibre per fornire alcune funzionalità elettroniche.

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Classificazione e caratteristiche della tecnologia di stampa 3D

Definizione di stampa 3D

La stampa 3D, nota anche come produzione additiva, è una tecnologia che utilizza file di modelli digitali 3D come base per costruire oggetti stampando strato per strato utilizzando materiali adesivi come metalli in polvere o plastica. Il processo di stampa 3D consiste in tre fasi principali: modellazione, stampa e post-elaborazione. La progettazione CAD viene eseguita dal software di progettazione o dallo scanner 3D, i file digitali vengono trasferiti al sistema di stampa 3D, i parametri rilevanti vengono impostati per avviare la stampa e la post-elaborazione dell'oggetto stampato mediante molatura, tintura e incollaggio può essere richiesta dopo la stampa è completato. La tecnologia di lavorazione tradizionale è principalmente la lavorazione meccanica mediante taglio o taglio di materiali, mentre la stampa 3D è l'opposto della tradizionale lavorazione di taglio mediante sovrapposizione di strati. Rispetto alla lavorazione tradizionale, i vantaggi della stampa 3D sono l'elaborazione più rapida di parti complesse, migliori prestazioni di progettazione di prodotti funzionali, processo di progettazione del prodotto più rapido, stampaggio integrato per ridurre il processo di assemblaggio, strumenti di produzione più semplici, maggiore risparmio energetico e costi di produzione ridotti di più prodotti in una linea comune. Pertanto, la stampa 3D è stata utilizzata nei settori biomedico, aerospaziale, della creatività culturale e dell'intrattenimento digitale, della produzione industriale e dell'ingegneria edile e ha anche un posto nel campo dell'istruzione.

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Classificazione tecnologica della stampa 3D

La tecnologia di stampa 3D è ampiamente utilizzata nei processi di stampaggio tra cui lo stampaggio fotopolimerizzabile (SLA), la sinterizzazione laser selettiva (SLS), lo stampaggio a deposizione fusa (FDM), la fusione laser selettiva (SLM), il laser near net moulding (LENS), la fusione con fascio di elettroni stampaggio (EBM), produzione di solidi stratificati (LOM), tecnologia a spruzzo multitesta (PolyJet), getto adesivo (Binder Jetting), ecc. Nell'industria tessile e dell'abbigliamento, le tecnologie FDM e SLS sono le più utilizzate, oltre a SLA , PolyJet, Binder Jetting e altre tecnologie. I diversi modi di processo di stampaggio possono essere suddivisi in 7 tipi, come mostrato nella Tabella 1. Diverse tecnologie di stampa 3D utilizzano materiali diversi, FDM utilizza principalmente polimeri termoplastici per la stampa, come ABS, PLA, PC, TPU, PVC, PPS, ecc. SLS e SLA sono teoricamente gli stessi, ma la differenza è che SLS utilizza un laser per sinterizzare polvere, come polvere di nylon, polvere di metallo, ecc.. Esistono anche vari tipi di materiali come plastica, metalli, ceramica, vetro, carta , legno, ingredienti, gusci di cocco, lana, lino, ecc. utilizzati per la produzione. PLA e TPU sono materiali termoplastici con buona flessibilità, resistenza alla corrosione e resistenza all'abrasione e Bentley è acrilonitrile butadiene stirene prodotto da Orbi-Tech. Secondo studi recenti, le stesse fibre naturali e sintetiche possono essere utilizzate come materiali per la stampa 3D man mano che lo sviluppo del materiale continua. Nella produzione di tessuti stampati in 3D, le proprietà fisiche su cui bisogna concentrarsi sono la morbidezza. Inoltre, devono essere soddisfatte le proprietà di base richieste dei materiali tessili come resistenza alla trazione, resistenza all'abrasione, traspirabilità, ecc.

Tecnici Classificazione e Ccaratteristiche del 3D Printocco

 

Forma materiale

 

Processo di fabbricazione Classificazione del processo
Materiale liquido Stampaggio fotopolimerizzabile Polimerizzazione punto per punto (SL LTP BIS)
Indurimento strato per strato (SGC)
Cura dell'interferenza olografica (HIS)
Colata elettrica Colata elettrica (ES)

 

Raffreddamento e indurimento Polimerizzazione punto per punto (BPM, FDM, 3DW, ASP)
Indurimento strato per strato (SDM, PVD, CVD)
 

Materiale a strato sottile

Materiale sottile incollato con adesivo hot melt Materiale sottile legato con adesivo hot melt (LOM)

 

Materiale sottile incollato leggero Materiale sottile legato alla luce (SFP)
 

Particelle di polvere

Raffreddamento hot melt Sinterizzazione e fusione laser (SLS, GPD, SLM, EBM)
Particelle di polvere per incollaggio adesivo Particelle di polvere per incollaggio mediante un legante (3DP, SF, TSF)

Vantaggi dei tessuti intelligenti stampati in 3D

La tecnologia di stampa 3D apre nuove strade e offre molte nuove possibilità per la produzione efficiente di tessuti intelligenti. Semplifica i metodi di produzione tradizionali e riduce la complessità della produzione attraverso molteplici processi di stampaggio. Rispetto alla produzione convenzionale, la stampa 3D presenta cinque vantaggi chiave nel campo dei tessuti intelligenti: costo, velocità, innovazione, qualità e impatto.

Notevole riduzione dei costi di produzione

I tessuti intelligenti stampati in 3D possono essere prototipati o fabbricati direttamente senza l'uso di strumenti e stampi, il che può significaretabbreviare rapidamente il ciclo del prototipo del prodotto e risparmiare sui costi di attrezzaggio. Poiché il processo di produzione viene eseguito in modo indipendente dalle stampanti 3D, non è necessario acquistare varie macchine, il che elimina anche alcuni dei costi di acquisto e manutenzione delle attrezzature. Inoltre, la velocità di produzione è molto elevata, dal modello digitale CAD al completamento della produzione è molto più rapida rispetto ai tradizionali metodi di lavorazione e stampaggio, quando si utilizza la tecnologia di stampa 3D per produrre tessuti intelligenti, perché il materiale viene aggiunto strato per strato in modo controllato modo, riducendo lo spreco di materiale, risparmiando tempo e costi economici. Inoltre, la stampa 3D accorcia la catena di approvvigionamento ed elimina la necessità di inventario, stoccaggio, imballaggio e trasporto, il che riduce anche i costi in confronto.

Il processo di produzione è effettivamente semplificato

La produzione di tessuti intelligenti richiede la risoluzione di molti problemi, come l'utilizzo di filati non convenzionali per la tessitura, la riduzione dei danni ai fili di trama e ordito durante il processo di tessitura e il mantenimento della formabilità di tessuti appositamente strutturati. Rispetto alla produzione tradizionale, la tecnologia di stampa 3D ha notevolmente ridotto il processo di produzione e le difficoltà di produzione, principalmente in termini di progettazione del prodotto più rapida, minore ridondanza nella produzione integrata e strumenti di produzione più semplici, sia per la stampa di filati che per forme tessili.

 Combinazione di più materiali

Parte della funzionalità dei tessuti intelligenti si riflette nell'uso di materiali in fibra intelligente, ovvero, per creare fibre intelligenti, le diverse proprietà dei materiali saranno combinate in un'unica struttura di fibre, mentre le macchine tradizionali nel processo di formazione del tessuto non lo sono facile da integrare una varietà di materiali per la tessitura. In altri campi, esiste una varietà di materiali per applicazioni di stampaggio a iniezione miste, ma il costo è elevato e la qualità dello stampaggio non è uniforme. A differenza della tecnologia di stampa 3D, è possibile mescolare diversi materiali sulla stessa macchina, il che offre possibilità innovative per lo sviluppo di nuove funzioni nei tessuti intelligenti.

 Migliorare la qualità delle prestazioni del tessuto

La tecnologia di stampa 3D migliora le prestazioni del tessuto da due aspetti: il primo è il materiale di stampa, attraverso l'uso di materiali con proprietà speciali per la produzione di tessuti, l'eccellente prestazione del materiale influisce direttamente sulle proprietà prestazionali del tessuto. La seconda è la struttura di stampa, la struttura di stampa del tessuto modificando lo spazio tra l'ordito e la trama del filato, lo spessore e la disposizione del modo per mostrare diverse qualità delle prestazioni. Inoltre, nel processo di produzione tradizionale, a causa dei limiti degli strumenti di produzione e dei metodi di processo, le strutture complesse e le superfici troppo curve e contorte sono difficili da elaborare, al contrario, la produzione di stampa 3D ha il vantaggio di ottenere qualsiasi forma complessa perché la tecnologia non è soggetto alle limitazioni tecniche del processo di fabbricazione tradizionale.

 Ottieni una produzione sostenibile

L'inquinamento ambientale causato dall'industria tessile tradizionale coinvolge principalmente i processi di lavorazione delle materie prime, produzione tessile, tintura e finissaggio, come la grande quantità di rumore generato dalle attrezzature, le acque reflue causate da ridimensionamento, bollitura, candeggio e lavaggio, la grande quantità di energia consumata nel processo di riscaldamento dell'apparecchiatura e i rifiuti generati nel processo di riduzione della produzione del materiale, che possono causare inquinamento ambientale. La stampa 3D è una tecnologia di produzione additiva monopezzo, che riduce il ciclo di produzione dei tessuti e sostanzialmente non produce gas di scarico e acque reflue, e alcuni dei rifiuti recuperati possono essere riciclati.

Tipi di applicazioni per la tecnologia di stampa 3D nel campo dei tessuti intelligenti

I tessuti intelligenti possono contenere fibre ottiche, materiali a cambiamento di fase, sostanze chimiche o altri componenti elettronici che aggiungono nuove funzioni ai tessuti ordinari. Sempre più materiali tessili stanno cercando di utilizzare la tecnologia di stampa 3D per creare direttamente tessuti intelligenti con funzioni complesse. La ricerca attuale si concentra su componenti elettronici conduttivi, a memoria di forma, di regolazione della temperatura e flessibili.

Stampa 3D di tessuti conduttivi intelligenti

Il metodo più comune per lo sviluppo di tessuti conduttivi consiste nell'attaccare materiali conduttivi alla superficie del tessuto, che può essere ottenuto mediante laminazione, rivestimento, stampa, spruzzatura, placcatura ionica, placcatura chimica, metallizzazione sotto vuoto, spruzzatura catodica e deposizione chimica da vapore, ecc. Le stampanti 3D sono in grado di stampare con precisione le forme definite. In questo modo è possibile collegare fili o rivestimenti conduttivi, in particolare con componenti SMD senza piombo (dispositivo a montaggio superficiale). Allo stesso tempo, la stampa 3D consente di regolare la struttura dei componenti elettronici per ottenere lo stato strutturale più adatto con il tessuto. Grimmelsmann et al. dell'Università di Scienze Applicate di Bielefeld, in Germania, ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D per stampare direttamente su un tessuto contenente percorsi circuitali tessuti utilizzando fili conduttivi Shieldex in modo che gli oggetti stampati in 3D fossero collegati come fili conduttivi a piccoli componenti elettronici, consentendo così al tessuto di emettono luce, come mostrato nella Figura 1. Come substrato tessile, è stato selezionato un tessuto a maglia all'uncinetto su un lato con un effetto texture e una superficie relativamente compatta e uniforme per consentire al materiale stampato in 3D di aderire meglio al tessuto. Lo sviluppatore ha progettato un componente elettronico SMD-LED, che è stato fabbricato sulla superficie del substrato tessile utilizzando la tecnologia FDM. La parte conduttiva nera viene utilizzata principalmente per il collegamento elettrico ed è realizzata con filamento PLA conduttivo Proto-Pasta a una temperatura dell'estrusore di 207 °C e una temperatura del piano di stampa di 60 °C. L'altezza dello strato è di 0.2 mm e la struttura è riempita. La parte bianca è il normale filamento PLA, che funge da fissaggio e connessione. Il filamento nero con proprietà conduttive è collegato al filato Shields per illuminare i LED sul tessuto. Le parti stampate in 3D fungono da resistori in serie per proteggere i LED da tensioni di applicazione eccessive che possono influire sul loro normale funzionamento. Quando la resistenza interna è bassa, la luminosità dei LED è inferiore perché i LED e le parti stampate in 3D sono collegati al resistore in serie per funzionare come divisori di tensione e la caduta di tensione è maggiore a resistenze più elevate.

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 tessuti stampati intelligenti a temperatura controllata

Esistono vari tipi di tessuti intelligenti con regolazione della temperatura, come i più comuni tessuti per la regolazione della temperatura e dell'umidità attualmente disponibili sul mercato, che vengono utilizzati per ridurre la temperatura corporea rimuovendo l'umidità in eccesso. Tuttavia, questi tessuti possono essere attivati ​​solo quando l'aria tra il corpo e il tessuto è ad alto livello di umidità, il che ne limita l'applicazione a bassi livelli di umidità. Esistono altre tecniche di controllo della temperatura, inclusi i tessuti a tasca fredda con materiali a cambiamento di fase, i tessuti raffreddati ad aria e i tessuti raffreddati a liquido, ma anche tutti hanno i loro limiti. I ricercatori hanno lavorato molto nello sviluppo di tessuti termoregolati per risolvere tali problemi. Un materiale composito con nanofogli di nitruro di boro (BNNS) incorporato in una matrice polimerica di alcol polivinilico (PVA) è stato stampato in 3D presso l'Università del Maryland per realizzare tessuti intelligenti a temperatura controllata che possono abbassare rapidamente la temperatura corporea, come mostrato nella Figura 2. I BNNS hanno una struttura bidimensionale e una conduttività termica nel piano fino a 2,000 W/(mK). Per utilizzare le proprietà termiche in piano dei BNNS, i fogli devono avere un buon orientamento di allineamento e una dispersione uniforme. È possibile ottenere una dispersione uniforme perché i BNNS possono promuovere la stabilizzazione strutturale assorbendo i polimeri quando sonicati in una soluzione PVA. Inoltre, durante la stampa delle fibre e l'ulteriore elaborazione della trafilatura a caldo, le fibre nanocomposite sono state introdotte dal flusso estensivo uniassiale in cui i BNNS formavano orientamenti ben allineati, risultando in percorsi energetici per il trasferimento di calore dei fononi. La natura altamente orientata e interconnessa dei BNNS fornisce percorsi termici aggiuntivi, che migliorano efficacemente le prestazioni termiche delle fibre composite a-BN/PVA. I tessuti a-BN/PVA possono rilasciare ulteriore calore generato dal corpo umano lungo le fibre. I tessuti rilasciano il calore aggiuntivo generato dal corpo umano lungo le fibre nell'ambiente circostante, fornendo così un microclima termicamente confortevole per il raffreddamento del corpo umano.

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Tessuti a memoria di forma stampati in 3D

Il polimero a memoria di forma è un polimero che ricorda la sua forma originale, cambia forma in determinate condizioni e ritorna alla sua forma originale applicando stimoli come calore, elettricità e campi magnetici. I polimeri a memoria di forma sono più comunemente usati nell'acido polilattico (PLA), che è anche un materiale comunemente usato nella stampa 3D, e quindi può essere prodotto con la tecnologia di stampa 3D. L'attuale ricerca sull'uso della tecnologia di stampa 3D per stampare polimeri a memoria di forma è principalmente correlata a due aspetti del materiale, uno è l'uso del PLA puro al 100% come polimero a memoria di forma, ma poiché il materiale PLA può essere esteso al 10% [41], la struttura deve essere progettata per superare questa limitazione prima della stampa. Questo problema è stato risolto da Langford et al. utilizzando una struttura di origami a spina di pesce, come mostrato nella Figura 3. La Figura 3 (a) mostra un oggetto stampato in 3D con una struttura di origami a spina di pesce. La Figura 3 (b) mostra che una volta piegato, il volume dell'oggetto diventa più piccolo. Una volta aperto, il volume dell'oggetto diventa più grande, ma sull'oggetto compaiono alcune minuscole crepe, come mostrato nella Figura 3 (c). Il normale tasso di recupero costante del filamento PLA è di circa il 61%, mentre il tasso di recupero della struttura origami a spina di pesce è aumentato a circa il 96%. Un'altra categoria è la stampa 3D che utilizza compositi PLA. guido Ehrmann, Andrea Ehrmann, utilizzando una stampante 3D FDM, ha formato una miscela solida mescolando l'80% di PLA con il 20% di Fe₃O₄ e frantumandola, quindi l'ha estrusa in un estrusore bivite. È stata stampata una struttura porosa trabecolare ossea [42], come mostrato nella Figura 4. Applicando un campo magnetico alternato di 30 kHz, è stato ottenuto un recupero della forma superiore al 95% dopo soli 14-24 s. Oltre a queste possibilità, il PLA può essere miscelato con altri polimeri per creare oggetti con proprietà di recupero. Ad esempio, l'aggiunta di idrossiapatite (HAP), fibra di carbonio, titanato di bario e ammide di poliestere (PEA) al PLA può avere un impatto sul tasso di recupero a seconda della dose aggiunta, dell'impostazione dei parametri di stampa e dei fattori esterni imposto per ottenere il recupero della forma. Questi polimeri a memoria di forma stampati in 3D possono essere utilizzati per realizzare tessuti a memoria di forma da utilizzare in tessuti intelligenti.

 

tessuti intelligenti e stampa 3D

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E-textiles intelligenti stampati in 3D

Gli smart e-textiles integrano componenti elettronici come sensori, microcontrollori, attuatori, dispositivi di connessione e fonti di energia. I componenti elettronici tradizionali sono per lo più realizzati in metallo, plastica e altri materiali, che sono soggetti a deformazioni irreversibili quando si verificano piegature, torsioni, stiramenti e altre situazioni, influenzando così la normale funzione dei componenti elettronici, ma l'uso di materiali flessibili può compensare per i problemi di cui sopra. Questi componenti elettronici flessibili non solo possono fornire funzioni portatili per la vita quotidiana delle persone, ma possono anche essere utilizzati per monitorare le informazioni sulla salute del corpo umano grazie alla loro capacità di interfacciarsi con la pelle umana. Tuttavia, la tradizionale tecnologia di elaborazione di componenti elettronici flessibili presenta limitazioni per l'elaborazione di componenti elettronici con strutture funzionali complesse. Pertanto, la stampa 3D sta attirando l'attenzione come processo di prototipazione rapida 3D. Allo stato attuale, varie tecnologie di stampa 3D sono state ampiamente utilizzate per dispositivi elettronici strutturali e materiali sempre più flessibili sono stati applicati alle tecnologie di stampa 3D al fine di aumentare l'adattabilità ai diversi requisiti funzionali dei prodotti. Ad esempio, Yang Hui et al [43] hanno utilizzato la reazione chimica di PCL10K e metacrilato di etile isocianico per sintetizzare il policaprolattone (PCL), che può essere utilizzato come materiale flessibile per la stampa 3D. Il policaprolattone (PCL) è stato stampato in un dispositivo flessibile da una stampante SLA commerciale e rivestito con materiali conduttivi, come nanoparticelle d'argento o nanotubi di carbonio (CNT), per formare un dispositivo elettronico flessibile stampato in 3D con proprietà di memoria di forma, come mostrato nella Figura 5 Tra questi, il dispositivo in Fig. 5 (a) è costituito da un oggetto stampato in polimero a memoria di forma 3D. La Figura 5 (b) mostra un sensore di temperatura elettrico flessibile fabbricato aggiungendo nanoparticelle d'argento alla superficie dell'oggetto stampato in 3D con proprietà di memoria di forma mediante un processo di sinterizzazione a temperatura ambiente. Nella figura 5 (c), quando il sensore di temperatura elettrico flessibile incontra un aumento di temperatura, la sua forma cambia da un circuito aperto a un circuito chiuso e accende un diodo a emissione di luce. Il sensore flessibile con comportamento a memoria di forma stampato utilizzando la tecnologia di stampa 3D non solo offre nuove funzioni ai dispositivi elettronici, ma svolge anche un ruolo importante nel migliorare la qualità del prodotto, cambiando al contempo il modo in cui le persone interagiscono con i dispositivi elettronici.

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Sviluppo Tresa del 3D Printocco Smercato Textile

Applicando la tecnologia di stampa 3D ai tessuti intelligenti, l'esplorazione di nuovi materiali, combinazioni di materiali, filati misti e lavorazione di componenti di tessuto di base, comprese nuove fibre, forme di filato e strutture di tessuto, entrerà in un campo completamente nuovo. È possibile ottenere un'ampia gamma di applicazioni in termini di funzioni protettive, comfort e assistenza sanitaria, prestazioni di facile manutenzione, aspetto e forma, prestazioni di facilità d'uso e caratteristiche ambientali. Attualmente, ci sono tre applicazioni tecnologiche dei tessuti intelligenti stampati in 3D: la più comune è la stampa 3D direttamente sui tessuti, che può aggiungere nuove funzioni ai tessuti esistenti. Il focus di questa tecnologia è l'adesione tra tessuti e materiali di stampa 3D. Il grado di adesione dei diversi materiali sul tessuto, oltre alle proprietà termiche dei due materiali, è anche correlato all'impostazione dei parametri di stampa, come temperatura di stampa, velocità di stampa, velocità di riempimento, angolo di allineamento, ecc. la combinazione di substrati tessili morbidi e confortevoli e materiali duri, questi prodotti saranno più ampiamente utilizzati nella riabilitazione medica e nella protezione della sicurezza in futuro. Il secondo aspetto è stampare in 3D diverse strutture tessili, in modo che abbiano alcune funzioni intelligenti e siano ampiamente utilizzate in robotica, abbigliamento, edilizia e altri campi. Il terzo aspetto è l'uso di materiali flessibili per la stampa 3D, lo sviluppo di materiali flessibili è ancora agli inizi, con il rapido sviluppo di materiali elastici in futuro, la stampa 3D di tessuti intelligenti può fornire una buona traspirabilità e permeabilità all'umidità fornendo allo stesso tempo molteplici funzioni. Sia la stampa 3D diretta su tessuti che la stampa strutturale di tessuti intelligenti utilizzando diversi materiali compositi dovrebbero essere prodotte commercialmente in grandi volumi in futuro.

La stampa 3D è una tecnologia per la creazione di modelli solidi basati su un modello digitale 3D con un accumulo controllato da computer di materiali discreti strato per strato. Sebbene la maggior parte delle stampanti 3D funzioni secondo tali principi e processi operativi, diversi tipi di stampa 3D presentano limitazioni tecniche diverse. I principali tipi di materiali utilizzati nella stampa 3D sono materiali liquidi, materiali solidi e materiali in polvere, e il processo di stampa con lo stesso materiale può essere diverso e lo stesso materiale in polvere viene utilizzato per la stampa 3D, ma il processo SLS richiede il powder to be Il processo SLS richiede il preriscaldamento della polvere per ridurre la deformazione e l'appiccicosità della polvere durante il processo di stampa, mentre il processo BJ non richiede la fase di preriscaldamento della polvere. Inoltre, alcune tecnologie scelgono di aggiungere nuovi componenti con proprietà diverse al materiale stampato per conferire funzioni speciali al tessuto e, quando si stampa con nuovi materiali, è necessario reimpostare parametri come la temperatura di stampa e la velocità di stampa. Le strutture del processo di stampa 3D richiedono principalmente la post-elaborazione per creare tessuti intelligenti con una buona qualità della superficie, proprietà meccaniche e funzionalità. La post-elaborazione comprende principalmente la rimozione delle strutture di supporto, la lucidatura, la colorazione, la formatura migliorata, il trattamento di conservazione di lunga durata e il rivestimento superficiale. Sebbene la post-elaborazione compensi la mancanza di modelli stampati, aumenta anche il processo operativo e il tempo di produzione. Al momento, i tessuti intelligenti stampati in 3D sono stati rapidamente sviluppati e migliorati, ma ci sono alcuni difetti e aree di miglioramento nella stabilità del processo di stampa, nella precisione dello stampaggio, nella finitura e nella post-elaborazione. Inoltre, l'industria tessile intelligente della stampa 3D manca di uno sviluppo coordinato e stabile e non esiste una catena industriale completa o un sistema industriale, inclusi fornitori perfetti, un sistema di fornitori di servizi, una buona piattaforma di mercato, ecc. C'è ancora un grande vantaggio nella tecnologia ricerca e sviluppo e promozione della tecnologia.

tessuti intelligenti e stampa 3D

 

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