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스마트 직물에 3D 프린팅을 적용하는 연구 진행

소개

3D프린팅 시장의 성장이 가속화되면서 섬유산업은 3D프린팅 기술을 이용해 3D프린팅된 섬유, 의류, 패션 악세서리, 신발 등 다양한 방식으로 혁신과 제조를 시작했다. 전통적인 직물에 비해 스마트 직물은 더 높은 제조 기술이 필요합니다. 3D 프린팅 기술은 스마트 직물을 제조하기 위해 스마트 특성을 가진 재료를 사용하여 3차원으로 직접 인쇄함으로써 이 문제를 어느 정도 해결할 수 있습니다. 스마트 텍스타일 분야에서 XNUMXD 프린팅 기술을 적용하는 연구는 스마트 텍스타일 산업의 개발, 디자인 및 활용을 촉진하기 위한 새로운 아이디어를 제공할 수 있습니다.

의 분류 S마트 T망명자와 T후계자 A신청서

스마트 섬유의 정의

스마트 섬유는 재료, 생물학적, 화학적, 전자 정보 및 기타 기술을 섬유에 통합하여 다양한 자극(빛, 온도, 습도, 용매, 전기, 자기 등)을 감지, 반응, 조정 또는 적응할 수 있는 새로운 섬유입니다. ) 뿐만 아니라 자체 속성을 계속합니다. 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 환경에 의해 자극을 받은 후 성능을 변경할 수 있는 "수동적" 스마트 직물입니다. 예를 들어, 형상 기억 직물, 소수성 또는 친수성 직물 등이 이 범주에 속합니다. "활성" 스마트 직물의 또 다른 범주는 센서와 액추에이터를 통해 콘텐츠 매개변수를 전송 정보로 변환하는 기능입니다. 이러한 "활성" 스마트 섬유는 온도, 광도 및 오염과 같은 다양한 환경 신호를 감지하고 섬유 디스플레이, 미세 진동 장치, 발광 다이오드. 나노섬유 부직포, 전도성 섬유, 플라스틱 광섬유, 그래핀, 탄소 나노튜브, 소형 전자 부품 및 센서, 초박형 배터리와 같은 기술의 발전으로 스마트 섬유 시장의 성장이 크게 촉진되었습니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅
스마트 섬유의 분류

스마트 섬유는 교통, 에너지 및 의료 분야, 보호, 보안, 통신 및 기타 전자 제품에 널리 사용되며 스마트 색상 변화, 온도 제어, 형상 기억, 방수 및 투습, 능동 섬유 및 스마트 전자 섬유로 분류할 수 있습니다. 다른 기능에.

스마트 색상 변경 섬유

스마트 변색 섬유는 빛, 온도, 압력 등과 같은 외부 환경 조건의 변화에 ​​따라 다른 색상을 나타낼 수 있는 섬유입니다. 이러한 스마트 섬유는 주로 광변색 섬유, 감온 섬유, 전기 변색 섬유, 감온 섬유, 압력 변색 섬유를 포함합니다. , 수분 크롬 섬유. 광변색 섬유는 주로 광원에 따른 색상 변화의 형태로 광 조사에 의해 서로 다른 흡수 스펙트럼을 가진 두 가지 형태 사이의 가역적 변형을 일으키며, 광원이 사라진 후에는 원래의 색상을 복원할 수 있다. Thermochromic 섬유는 주변 온도의 변화에 ​​따라 색상을 변경할 수 있으며 색상 변경은 주로 pH 변화 메커니즘과 전자 획득/손실 메커니즘을 기반으로 합니다. 전기 변색 섬유는 주로 평평한 샌드위치 구조 또는 선형 구조를 사용하며, 다양한 섬유 전극을 함께 감싸 변색 물질의 도핑 조성 및 비율을 조정하거나 단일 전기 변색 물질의 화학 구조를 변경하여 섬유의 변색 효과를 얻습니다. . 전열 변색 섬유는 양전압과 음전압이 번갈아 작용하는 주울 열로 인해 특정 섬유 재료의 가역적 변색을 말합니다. 이러한 유형의 직물은 전기 변색 효과와 감온 변색 효과를 결합한 지능형 색상 변경 직물이며 기본 원리는 감온 변색입니다. 피에조세라믹 섬유는 날실과 씨실의 전도성 섬유가 서로 짜여져 형성된 매트릭스를 통해 압력을 받는 직물의 면적을 감지하여 색상을 변경합니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅
스마트 한 T온도 제어 직물

인체와 환경 사이의 열 전달은 주변 온도, 공기 이동, 평균 복사열, 상대 습도 및 의류 직물의 시너지 효과에 크게 의존합니다. 면, 폴리에스터, 양모, 나일론 등 전통적인 섬유 소재는 모두 온도 조절에 단점이 있습니다. 예를 들어 추운 겨울에 열 손실을 방지하기 위해 면을 사용하는 경우 두께를 늘리는 것이 유일한 방법이지만 보온 성능은 제한적입니다. 더운 여름에는 면으로도 적외선을 차단할 수 없습니다. 따라서 지능형 온도 제어 직물의 개발은 직물이 인체와 상호 작용하여 에너지 출력을 제어하고 체온을 조절할 수 있게 합니다. 스마트 온도 제어 섬유는 그 메커니즘에 따라 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 범주는 입력 전력 없이 환경 자극을 감지하고 반응할 수 있는 섬유를 말합니다. 물리적 또는 화학적 구조는 주변 온도의 변화에 ​​따라 변할 수 있습니다. 예를 들어, 환경 변화에 따라 열을 흡수하거나 방출할 수 있는 상변화 소재는 지능형 온도 제어 섬유의 주요 소재 중 하나입니다. 상변화 물질과 융합된 직물은 인체 온도를 일정한 온도로 유지하도록 설계된 에너지 조절 시스템을 형성할 수 있어 사람들이 너무 춥거나 너무 덥다고 느끼지 않고 더위와 추위 사이에서 신체의 에너지 출력을 감소시킵니다. 기둥. 두 번째 범주는 체온을 전기로 전환할 수 있는 직물입니다. 예를 들어, Seebeck 효과를 기반으로 하는 열전(TE) 재료는 섬유 분야에서 사용되며 큰 잠재력을 보여주었습니다. TE 재료는 이 효과를 사용하여 높은 엔트로피 에너지를 전기로 직접 변환합니다. 또한 TE 재료는 냉각 또는 가열을 위해 전기 에너지를 열 에너지로 변환할 수도 있습니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅
형상 기억 직물

형상기억섬유는 형상기억 기능을 가진 소재를 내부에 배치하여 온도, pH, 전기, 빛, 자기장, 용제 등의 외부 조건 하에서 형상기억, 고회복율, ​​내충격성, 적응성이 우수한 특성을 가진 섬유를 말한다. 직조 또는 마무리를 통해 그들을. 형상기억섬유는 재질에 따라 합금과 고분자로 나눌 수 있다. 형상기억합금은 적절한 가열, 조사 또는 화학적 처리를 통해 특정 형상을 부여한 후 원래 형상을 복구할 수 있는 특수 금속 재료입니다. 고분자 재료의 한 종류인 형상 기억 고분자는 광범위한 온도 기억 옵션, 가볍고 쉬운 원료 및 가공, 복구 가능한 큰 형상 변수로 인해 널리 사용됩니다. 형상 기억 폴리머는 기억 섬유로 제조된 다음 섬유에서 메모리 기능이 있는 직물로 짜여질 수 있습니다. 형상 기억 기능을 가진 섬유가 있도록 일반 직물의 후가공인 마무리 솔루션으로 만들 수 있습니다. 형상 기억 후가공 후 세탁 횟수가 증가함에 따라 형상 기억 성능이 서서히 약해지거나 사라지기도 합니다. 직물로 짜여진 형상 기억 섬유, 그 기억 특성 및 섬유 자체의 특성에 따라 일부 재료는 형상 기억 특성을 영구적으로 유지할 수 있습니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅
 방수 및 투습 직물

방수 및 통기성 직물은 "통기성 직물"이라고도 하며 일정 수압 하에서 물에 젖지 않는 직물로 발수성이 있으며 동시에 인체에서 방출되는 땀을 신체로 전도할 수 있습니다. 직물 외부에 수증기 형태로 존재하여 사람들을 불편하게 합니다. 발수성 및 투습성 직물의 원리는 원사 간격을 통해 고농도에서 저농도로 가스 분자가 확산되는 것입니다. 그것은 주로 다음 네 가지 유형을 포함합니다: 고밀도 직물은 빗질된 고번수 면사 또는 초극세 합성 섬유로 만들어지며 특히 조밀한 질감을 가지고 있으며 방수 및 투습의 목적을 달성하기 위해 직물 구조를 변경하는 데 사용됩니다. 미세다공막 방수 투습 섬유는 물방울 직경과 수증기 분자 직경의 차이를 이용하여 방수 및 방습 역할을 한다. 비 다공성 멤브레인 방수 및 방습 직물은 분자 친수성을 사용하여 방수 멤브레인의 표면을 증가시킵니다. 지능형 방수 및 투습성 직물은 직물이 고온 직물과 같은 다양한 환경 특성에 따라 자동으로 투습도 수준을 조정할 수 있음을 나타냅니다. 높은 투습성을 통해 우수한 방열 및 발한 효과를 달성하고 낮은 투습성을 통해 방열을 줄여 보온성을 높입니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅
스마트 액티브 섬유

스마트 능동 섬유는 온도, 압력, 전류, 빛, 습도, 솔벤트와 같은 적용된 자극에 반응하여 구조적 형태를 변경하여 작동, 감지, 색상 변화 및 에너지 수확을 생성합니다. 높은 스트레스, 높은 적응성, 높은 피크 출력 속도 및 안정적인 기계적 특성의 장점으로 인해 이제 소프트 로봇, 웨어러블 전자 장치, 동적 위장 및 생물 의학 응용 분야에서 더 자주 사용됩니다. 전통적인 직물 제조 계층이 섬유 소재, 원사 구조 및 직물 형태를 기반으로 하는 반면 스마트 활성 직물은 직물의 구조적 수준을 기반으로 개발됩니다. 섬유조성물에 하이드로겔, 탄소나노튜브, 그래핀, 듀얼칩 등의 활물질을 첨가하여 섬유소재의 기본특성을 유지하면서 새로운 활성특성을 추가하였습니다. 원사 구조는 프리스트레스와 구속을 적용하여 원래 섬유 재료의 기계적 특성을 수정하는 스마트 능동 직물 계층 구조의 두 번째 단계입니다. 활성 원사의 주요 구조적 변형은 꼬인 나선형 구조, 다공성 구조, 가교 메쉬 구조, 샌드위치 구조 및 하이브리드 동축 구조입니다. 이 프로세스와 관련된 매개변수에는 번들의 필라멘트 수와 단위 길이당 적용되는 꼬임이 포함되며, 이는 굽힘 강성, 파단 강도 및 실의 변형률을 추가로 조정합니다. 마지막으로 활성 섬유 및 실의 기계적 특성은 직물 형태로 활성 실을 만들기 위해 직조, 편직 또는 편조와 같은 제조 공정을 사용하여 추가로 조정할 수 있습니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅
스마트 전자 섬유

스마트 e-텍스타일은 섬유에 센서와 통신 장치를 내장한 후 섬유에 장치에서 발생하는 데이터를 수집하고 분석하여 사물 인터넷, 인공 지능, 컴퓨터 등의 기술을 통해 피드백을 제공함으로써 섬유와 전자 정보 기술을 결합한 것입니다. 스마트 전자 섬유는 분산 처리 장치, 다양한 센서, 인간-컴퓨터 상호 작용 장치 및 전원 공급 시스템 등과 같은 전자 부품으로 구성됩니다. 스마트 섬유에서 이러한 전자 부품을 구현하는 세 가지 주요 방법이 있습니다. 첫 번째 방법은 기존 섬유에 전자 부품. 생산 공정이 비교적 간단하다는 장점이 있지만 사용되는 전자 부품이 너무 크면 사용자의 사용과 세탁에 영향을 미치는 문제도 있다. 두 번째 방법은 섬유 소재와 섬유 제조 기술을 사용하여 전자 부품을 생산하는 것입니다. 통합 과정은 더 쉽지만 섬유 소재와 섬유 제조 기술은 제한된 유형의 전자 부품을 생산할 수 있습니다. 세 번째 구현은 섬유를 생산하고 사용하여 일부 전자 기능을 제공하는 것입니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅

3D 프린팅 기술 분류 및 특징

3D 프린팅의 정의

적층 제조라고도 하는 3D 프린팅은 3D 디지털 모델 파일을 기반으로 금속 분말 또는 플라스틱과 같은 접착 재료를 사용하여 층층이 인쇄하여 물체를 구성하는 기술입니다. 3D 프린팅 프로세스는 모델링, 프린팅 및 후처리의 세 가지 주요 단계로 구성됩니다. 디자인 소프트웨어나 3D 스캐너로 CAD 디자인을 하고, 디지털 파일을 3D 프린터 시스템으로 전송하고, 관련 파라미터를 설정하여 프린팅을 시작하며, 프린팅 후 그라인딩, 염색, 붙여넣기 등의 후가공이 필요할 수 있습니다. 완전한. 전통적인 가공 기술은 재료를 자르거나 자르는 기계 가공이 주를 이루는 반면, 3D 프린팅은 레이어를 쌓아 올리는 전통적인 절단 가공과 반대입니다. 기존 가공과 비교하여 3D 프린팅의 장점은 복잡한 부품의 빠른 처리, 기능성 제품의 설계 성능 향상, 제품 설계 프로세스의 가속화, 조립 프로세스를 줄이기 위한 통합 몰딩, 간단한 제조 도구, 에너지 절약 증가 및 생산 비용 절감입니다. 공통 라인의 여러 제품. 따라서 3D프린팅은 생물의학, 항공우주, 문화 창조 및 디지털 엔터테인먼트, 산업 제조 및 건설 공학 분야에서 사용되어 왔으며 교육 분야에서도 자리를 잡고 있습니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅

3D 프린팅의 기술 분류

3D 프린팅 기술은 광경화 몰딩(SLA), 선택적 레이저 소결(SLS), 융합 증착 몰딩(FDM), 선택적 레이저 용융(SLM), 레이저 니어 네트 몰딩(LENS), 전자빔 용융을 포함한 성형 공정에 널리 사용됩니다. 몰딩(EBM), 다층 고체 제조(LOM), 멀티 헤드 스프레이 기술(PolyJet), 접착제 분사(Binder Jetting) 등 섬유 및 의류 산업에서는 SLA 외에도 FDM 및 SLS 기술이 가장 많이 사용됩니다. , PolyJet, Binder Jetting 및 기타 기술. 성형 공정의 다양한 방법은 표 7과 같이 1가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 다양한 3D 프린팅 기술은 다양한 재료를 사용하며, FDM은 주로 ABS, PLA, PC, TPU, PVC, PPS 등과 같은 인쇄용 열가소성 폴리머를 사용합니다. SLS와 SLA는 이론적으로는 같지만, 차이점은 SLS는 레이저를 이용하여 나일론분말, 금속분말 등의 분말을 소결한다는 것입니다. , 목재, 재료, 코코넛 껍질, 양모, 린넨 등 제조에 사용됩니다. PLA와 TPU는 유연성, 내식성, 내마모성이 우수한 열가소성 수지이며, Bentley는 Orbi-Tech에서 제조한 Acrylonitrile Butadiene Styrene입니다. 최근 연구에 따르면 천연 및 합성 섬유 자체가 소재 개발이 진행됨에 따라 3D 프린팅 소재로 사용될 수 있습니다. 3D 프린팅 직물 제조에서 중점을 두어야 할 물리적 특성은 부드러움입니다. 또한 인장강도, 내마모성, 통기성 등 섬유소재의 기본적인 요구특성을 만족하여야 한다.

테크니컬 C레이저 화 및 C3D의 특징 P헹구기

 

재료 형태

 

제조 공정 공정 분류
액체 재료 광중합 성형 점대점 경화(SL LTP BIS)
층별 경화(SGC)
홀로그램 간섭 ​​경화(HIS)
전기 주조 전기주조(ES)

 

냉각 및 경화 점별 경화(BPM,FDM,3DW,ASP)
층별 경화(SDM, PVD, CVD)
 

얇은 층 재료

핫멜트 접착제로 접착된 얇은 소재 핫멜트 접착식 얇은 재료(LOM)

 

라이트 본딩된 얇은 소재 가벼운 본딩된 얇은 재료(SFP)
 

분말 입자

핫멜트 냉각 레이저 소결 및 용융(SLS, GPD, SLM, EBM)
접착 결합 분말 입자 바인더에 의한 접착성 분말 입자(3DP, SF, TSF)

3D 프린팅 스마트 직물의 장점

3D 프린팅 기술은 스마트 직물의 효율적인 제조를 위한 새로운 길을 열고 많은 새로운 가능성을 제공합니다. 전통적인 제조 방법을 단순화하고 여러 성형 공정을 통해 제조의 복잡성을 줄입니다. 기존 제조와 비교하여 3D 프린팅은 스마트 직물 분야에서 비용, 속도, 혁신, 품질 및 영향이라는 XNUMX가지 주요 이점을 가지고 있습니다.

제조 비용의 상당한 감소

3D 프린팅된 스마트 직물은 도구와 금형을 사용하지 않고 직접 프로토타입을 만들거나 제작할 수 있습니다.t제품 프로토타입 주기를 단축하고 툴링 비용을 절감합니다. 제조 공정이 3D프린터에 의해 독립적으로 이루어지기 때문에 다양한 기계를 구입할 필요가 없으며 장비 구입 및 유지 보수 비용도 일부 제거됩니다. 또한 CAD 디지털 모델에서 생산 완료까지 제조 속도가 매우 빠릅니다. 3D 프린팅 기술을 사용하여 스마트 직물을 제조할 때 제어된 레이어에서 재료가 층별로 추가되기 때문에 기존의 가공 및 성형 방법보다 훨씬 빠릅니다. 재료 낭비를 줄이고 시간과 경제적 비용을 모두 절약합니다. 또한 3D 프린팅은 공급망을 단축하고 재고, 보관, 포장 및 운송의 필요성을 제거하여 비교 비용도 절감합니다.

제조 공정이 효과적으로 간소화됩니다.

스마트 텍스타일을 생산하기 위해서는 직조에 비전통적인 원사를 사용하고, 직조 과정에서 날실과 씨실의 손상을 줄이고, 특수 구조 직물의 성형성을 유지하는 등 많은 문제를 해결해야 합니다. 전통적인 제조와 비교하여 3D 프린팅 기술은 주로 더 빠른 제품 설계, 통합 제조의 중복 감소, 인쇄 원사 및 섬유 형태 모두에 대한 더 간단한 제조 도구 측면에서 제조 공정 및 제조 어려움을 크게 줄였습니다.

 여러 재료의 조합

스마트 섬유의 기능 중 일부는 스마트 섬유 재료의 사용에 반영됩니다. 즉, 스마트 섬유를 만들기 위해 섬유의 단일 구조로 결합된 재료의 다른 속성을 갖게 되는 반면 직물 성형 공정의 전통적인 기계는 그렇지 않습니다. 직조를 위한 다양한 재료를 쉽게 통합할 수 있습니다. 다른 분야에서는 혼합 사출 성형을 위한 다양한 재료가 있지만 비용이 많이 들고 성형 품질이 고르지 않습니다. 3D 프린팅 기술과 달리 동일한 기계에서 서로 다른 재료를 혼합하는 것이 가능하여 스마트 섬유의 새로운 기능 개발에 혁신적인 가능성을 제공합니다.

 직물 성능의 품질 향상

3D 프린팅 기술은 두 가지 측면에서 직물의 성능을 향상시킵니다. 첫 번째는 인쇄 재료입니다. 직물 제조를 위해 특수한 특성을 가진 재료를 사용하여 재료의 우수한 성능이 직물의 성능 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 두 번째는 날염 구조로서 실의 날실과 씨실의 간격, 굵기, 배열 등을 변화시켜 원단의 날염 구조를 다르게 하여 다른 성능의 퀄리티를 보여줍니다. 또한, 기존의 제조공정에서는 제조도구와 공정방식의 한계로 인해 복잡한 구조와 너무 휘어지고 뒤틀린 표면은 가공이 어려운 반면, 3D프린팅 제조는 기술이 복잡하기 때문에 어떠한 복잡한 형상도 구현할 수 있는 장점이 있다. 전통적인 제조 공정의 기술적 한계가 적용되지 않습니다.

 지속 가능한 제조 달성

전통 섬유 산업으로 인한 환경 오염은 장비에서 발생하는 다량의 소음, 크기 조정, 삶기, 표백 및 세탁으로 인한 폐수, 장비를 가열하는 과정에서 소비되는 많은 양의 에너지와 재료 제조를 줄이는 과정에서 발생하는 폐기물은 모두 환경 오염을 유발할 수 있습니다. 3D 프린팅은 일체형 적층 제조 기술로 섬유의 제조 주기를 단축하고 기본적으로 폐가스와 폐수가 발생하지 않으며 회수된 폐기물 중 일부는 재활용할 수 있습니다.

스마트 텍스타일 분야의 3D 프린팅 기술 적용 유형

스마트 섬유는 일반 섬유에 새로운 기능을 추가하는 광섬유, 상변화 물질, 화학 물질 또는 기타 전자 부품을 포함할 수 있습니다. 점점 더 많은 섬유 소재가 3D 프린팅 기술을 사용하여 복잡한 기능을 갖춘 스마트 섬유를 직접 만들려고 합니다. 현재 연구는 전도성, 형상 기억, 온도 조절 및 유연한 전자 부품에 초점을 맞추고 있습니다.

스마트 전도성 직물의 3D 프린팅

전도성 직물을 개발하는 가장 보편적인 방법은 직물 표면에 전도성 물질을 부착하는 것으로 라미네이션, 코팅, 인쇄, 스프레이, 이온 도금, 화학 도금, 진공 금속화, 음극 스퍼터링 및 화학 기상 증착, 등. 3D 프린터는 정의된 모양을 정확하게 인쇄할 수 있습니다. 이러한 방식으로 전도성 원사 또는 코팅, 특히 무연 SMD(표면 장착 장치) 구성 요소를 연결할 수 있습니다. 동시에 3D 프린팅을 통해 전자 부품의 구조를 조정하여 직물에 가장 적합한 구조 상태를 얻을 수 있습니다. Grimmelsmannet al. 독일 Bielefeld에 있는 응용 과학 대학의 연구진은 3D 프린팅 기술을 사용하여 전도성 Shieldex 원사를 사용하여 직조된 회로 경로가 포함된 직물에 직접 인쇄하여 3D 인쇄된 물체가 작은 전자 부품에 전도성 와이어로 연결되어 직물이 그림 1과 같이 빛을 발산합니다. 섬유 기재로는 3D 프린팅된 재료가 직물에 더 잘 부착될 수 있도록 질감 효과와 상대적으로 작고 균일한 표면을 가진 단면 코바늘 편물 직물을 선택했습니다. 개발자는 FDM 기술을 사용하여 섬유 기판 표면에 가공된 SMD-LED 전자 부품을 설계했습니다. 검은색 전도성 부분은 주로 전기 연결에 사용되며 압출기 온도 207 °C 및 인쇄 베드 온도 60 °C에서 Proto-Pasta 전도성 PLA 필라멘트로 만들어집니다. 레이어 높이는 0.2mm이고 구조가 채워집니다. 흰색 부분은 고정 및 연결 역할을 하는 일반 PLA 필라멘트입니다. 전도성 특성을 지닌 검은색 필라멘트는 Shields 원사에 연결되어 직물의 LED를 밝힙니다. 3D 인쇄 부품은 정상적인 작동에 영향을 줄 수 있는 과도한 응용 전압으로부터 LED를 보호하는 직렬 저항 역할을 합니다. 내부 저항이 낮으면 LED와 3D 인쇄 부품이 직렬 저항에 연결되어 전압 분배기로 작동하고 저항이 높을수록 전압 강하가 높기 때문에 LED의 밝기가 낮아집니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅

 인쇄된 스마트 온도 제어 직물

과도한 수분을 제거하여 체온을 낮추는 데 사용되는 현재 시중에서 판매되는 가장 일반적인 온도 및 습도 조절 섬유와 같이 온도 조절 기능이 있는 다양한 유형의 스마트 섬유가 있습니다. 그러나 이러한 직물은 신체와 직물 사이의 공기가 높은 습도 수준에 있을 때만 트리거될 수 있으므로 낮은 습도 수준에서는 적용이 제한됩니다. 상변화 물질이 있는 콜드 포켓 직물, 공랭식 직물 및 수냉식 직물을 포함한 다른 온도 제어 기술이 있지만 모두 한계가 있습니다. 연구자들은 이러한 문제를 해결하기 위해 열 조절 직물을 개발하는 데 많은 노력을 기울였습니다. 폴리비닐 알코올(PVA) 폴리머 매트릭스에 내장된 질화붕소 나노시트(BNNS)가 포함된 복합 재료는 그림 3와 같이 체온을 빠르게 낮출 수 있는 스마트 온도 제어 직물을 만들기 위해 메릴랜드 대학에서 2D 프린팅되었습니다. BNNS는 2,000차원 구조와 최대 XNUMXW/(mK)의 면내 열전도율을 가지고 있습니다. BNNS의 면내 열 특성을 활용하기 위해서는 시트가 우수한 정렬 방향과 균일한 분산을 가져야 합니다. BNNS는 PVA 용액에서 초음파 처리될 때 폴리머를 흡수하여 구조적 안정화를 촉진할 수 있기 때문에 균일한 분산이 달성될 수 있습니다. 또한 섬유 인쇄 및 추가 핫 드로잉 처리 중에 BNNS가 잘 정렬된 방향을 형성하는 일축 확장 흐름에 의해 나노복합 섬유가 도입되어 포논 열 전달을 위한 에너지 경로가 생성되었습니다. BNNS의 고도로 지향되고 상호 연결된 특성은 a-BN/PVA 복합 섬유의 열 성능을 효과적으로 향상시키는 추가 열 경로를 제공합니다. a-BN/PVA 직물은 섬유를 따라 인체에서 생성된 추가 열을 방출할 수 있습니다. 직물은 섬유를 따라 인체에서 생성된 추가 열을 주변 환경으로 방출하여 인체를 냉각시키기 위한 열적으로 편안한 미기후를 제공합니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅

3D 프린팅된 형상 기억 직물

형상기억고분자는 원래의 모양을 기억하고 일정한 조건에서 모양이 바뀌었다가 열, 전기, 자기장 등의 자극을 가하면 원래의 모양으로 돌아가는 고분자이다. 형상기억고분자는 3D프린팅에 흔히 사용되는 소재인 폴리락트산(PLA)에 가장 많이 사용되어 3D프린팅 기술로 생산이 가능하다. 형상 기억 폴리머를 인쇄하기 위한 3D 프린팅 기술 사용에 대한 현재 연구는 주로 재료의 두 가지 측면과 관련이 있습니다. 하나는 형상 기억 폴리머로 100% 순수 PLA를 사용하는 것이지만 PLA 재료는 확장될 수 있기 때문에 10%[41]로 인쇄하기 전에 이러한 한계를 극복하도록 구조를 설계해야 합니다. 이 문제는 Langford et al.에 의해 해결되었습니다. 그림 3과 같이 헤링본 종이접기 구조를 사용합니다. 그림 3(a)는 헤링본 종이접기 구조로 3D 인쇄된 개체를 보여줍니다. 그림 3(b)는 접었을 때 물체의 부피가 작아지는 것을 보여줍니다. 펼치면 물체의 부피는 커지지만 그림 3(c)와 같이 물체에 몇 개의 작은 균열이 나타납니다. PLA 필라멘트의 일반적인 일정 복구율은 약 61%인 반면, 헤링본 종이접기 구조의 복구율은 약 96%로 증가합니다. 또 다른 범주는 PLA 합성물을 사용한 3D 프린팅입니다. Guido Ehrmann, Andrea Ehrmann은 FDM 3D 프린터를 사용하여 80% PLA와 20% Fe₃O₄를 혼합하고 분쇄하여 고체 혼합물을 형성한 다음 이축 압출기에서 압출하여 뼈 소주 다공성 구조를 다음과 같이 인쇄했습니다[42]. 그림 4에 나와 있습니다. 30kHz의 교류 자기장을 적용하여 95~14초 만에 24% 이상의 형상 복구가 달성되었습니다. 이러한 가능성 외에도 PLA는 다른 폴리머와 혼합되어 회복 특성을 가진 물체를 만들 수 있습니다. 예를 들어, PLA에 하이드록시아파타이트(HAP), 탄소 섬유, 티탄산 바륨 및 폴리에스터 아마이드(PEA)를 추가하면 추가된 용량, 인쇄 매개변수 설정 및 외부 요인에 따라 회수율에 영향을 미칠 수 있습니다. 형태 회복을 일으키기 위해 부과됩니다. 이 3D 프린팅된 형상 기억 폴리머는 스마트 직물에 사용되는 형상 기억 직물을 만드는 데 사용될 수 있습니다.

 

스마트 섬유 및 3D 프린팅

스마트 섬유 및 3D 프린팅

3D 프린팅 스마트 전자 섬유

스마트 e-텍스타일은 센서, 마이크로컨트롤러, 액추에이터, 연결 장치 및 에너지원과 같은 전자 부품을 통합합니다. 전통적인 전자 부품은 대부분 금속, 플라스틱 및 기타 재료로 만들어지며 굽힘, 비틀림, 늘어짐 및 기타 상황이 발생할 때 돌이킬 수 없는 변형이 발생하여 전자 부품의 정상적인 기능에 영향을 주지만 유연한 재료를 사용하면 위의 문제에 대해. 이러한 플렉서블 전자부품은 사람들의 일상생활을 위한 휴대성 기능을 제공할 뿐만 아니라 피부와의 인터페이스로 인체의 건강정보를 모니터링하는 데에도 활용될 수 있다. 그러나 기존의 플렉서블 전자부품 가공기술은 복잡한 기능적 구조를 가진 전자부품 가공에 한계가 있다. 따라서 3D 프린팅은 3D Rapid Prototyping 공정으로 주목받고 있다. 현재 구조용 전자소자에는 다양한 3D프린팅 기술이 널리 사용되고 있으며, 제품의 다양한 기능적 요구사항에 대한 적응성을 높이기 위해 3D프린팅 기술에 점점 더 유연한 소재가 적용되고 있다. 예를 들어, Yang Hui 등[43]은 PCL10K와 이소시아닉 에틸 메타크릴레이트의 화학 반응을 사용하여 3D 인쇄용 유연한 재료로 사용할 수 있는 폴리카프로락톤(PCL)을 합성했습니다. 폴리카프로락톤(PCL)은 상업용 SLA 프린터로 플렉서블 장치에 인쇄되고 은 나노입자 또는 탄소 나노튜브(CNT)와 같은 전도성 재료로 코팅되어 형상 기억 특성을 가진 3D 인쇄 플렉서블 전자 장치를 형성합니다(그림 5 참조). 그 중 Fig. 그림 5(b)는 실온에서 소결 공정을 통해 형상 기억 특성을 갖는 3D 프린팅 물체의 표면에 은나노 입자를 추가하여 제작된 플렉서블 전기 온도 센서를 보여줍니다. 그림 5(c)에서 플렉서블 전기 온도 센서는 온도 상승에 직면하면 그 모양이 개방 회로에서 폐쇄 회로로 바뀌고 발광 다이오드를 점등합니다. 3D 프린팅 기술을 사용하여 인쇄된 형상 기억 동작을 가진 플렉서블 센서는 전자 장치에 새로운 기능을 제공할 뿐만 아니라 사람들이 전자 장치와 상호 작용하는 방식을 변경하면서 제품 품질을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.

스마트 섬유 및 3D 프린팅

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스마트 섬유에 3D 프린팅 기술을 적용함으로써 새로운 섬유, 원사 형태 및 직물 구조를 포함한 새로운 재료, 재료 조합, 혼방사 및 기본 직물 구성요소 공정의 탐색이 완전히 새로운 분야에 진입할 것입니다. 보호 기능, 편안함과 건강 관리, 이지 케어 성능, 외관 및 형태, 사용 용이성 성능 및 환경 특성 측면에서 광범위한 응용이 가능합니다. 현재 3D 프린팅된 스마트 직물에는 세 가지 기술 응용 프로그램이 있습니다. 가장 일반적인 것은 기존 직물에 새로운 기능을 추가할 수 있는 직물에 직접 3D 인쇄하는 것입니다. 이 기술의 초점은 직물과 3D 프린팅 재료 간의 접착력입니다. 직물에 서로 다른 재료의 접착 정도는 두 재료의 가열 특성 외에도 인쇄 온도, 인쇄 속도, 충전 속도, 정렬 각도 등과 같은 인쇄 매개 변수 설정과 관련이 있습니다. 부드럽고 편안한 섬유 기질과 단단한 재료의 조합으로 이러한 제품은 향후 의료 재활 및 안전 보호에 더 널리 사용될 것입니다. 두 번째 측면은 다양한 섬유 구조를 3D 프린팅하여 일부 지능형 기능을 갖추고 로봇 공학, 의류, 건설 및 기타 분야에서 널리 사용될 것입니다. 세 번째 측면은 3D 프린팅에 유연한 재료를 사용하는 것입니다. 유연한 재료의 개발은 아직 초기 단계이며 향후 탄성 재료의 급속한 발전과 함께 스마트 섬유의 3D 프린팅은 우수한 통기성과 투습성을 제공할 수 있습니다. 기능. 직물에 대한 직접 3D 인쇄와 다양한 복합 재료를 사용하는 스마트 직물의 구조 인쇄는 향후 대량으로 상업적으로 생산될 것으로 예상됩니다.

3D 프린팅은 3D 디지털 모델을 기반으로 컴퓨터 제어로 개별 재료를 층별로 축적하여 솔리드 모델을 만드는 기술입니다. 대부분의 3D 프린터는 이러한 작동 원리와 프로세스에 따라 작동하지만 3D 프린팅 유형에 따라 기술적 한계가 다릅니다. 3D프린팅에 사용되는 주요 재료의 종류는 액상재료, 고체재료, 분말재료이며, 동일한 재료로 프린팅하는 공정은 다를 수 있으며, 3D프린팅에는 동일한 분말재료를 사용하지만 SLS 공정은 SLS 공정은 인쇄 공정 중 변형 및 점착성 분말을 줄이기 위해 분말의 예열이 필요한 반면, BJ 공정은 분말 예열 단계가 필요하지 않습니다. 또한 일부 기술은 직물에 특별한 기능을 부여하기 위해 인쇄물에 다른 특성을 가진 새로운 구성 요소를 추가하는 것을 선택하고, 새로운 재료로 인쇄할 때 인쇄 온도 및 인쇄 속도와 같은 매개 변수를 재설정해야 합니다. 3D 프린팅 공정 구조는 표면 품질, 기계적 특성 및 기능성이 우수한 스마트 직물을 만들기 위해 대부분 후처리가 필요합니다. 후처리에는 주로 지지 구조물 제거, 연마, 착색, 강력하고 오래가는 보존 처리 강화 및 표면 코팅이 포함됩니다. 인쇄된 모델의 부족을 후처리로 보완하지만 작업 프로세스와 생산 시간도 증가합니다. 현재 3D 프린팅된 스마트 텍스타일은 빠르게 개발 및 개선되고 있지만, 프린팅 공정의 안정성, 성형의 정밀도, 마감, 후가공 등에서 특정 결함과 개선이 필요한 부분이 있다. 또한 3D 프린팅 스마트 섬유 산업은 조정되고 안정적인 발전이 부족하고 완벽한 공급 업체, 서비스 제공 업체 시스템, 우수한 시장 플랫폼 등을 포함하는 완전한 산업 체인 또는 산업 시스템이 없습니다. 기술에는 여전히 큰 상승 여력이 있습니다. 연구 개발 및 기술 홍보.

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