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3D打印在智能纺织品中的应用研究进展

介绍

随着3D打印市场的加速增长,纺织行业开始使用3D打印技术以各种方式进行创新和制造,例如3D打印纺织品、服装、时尚配饰和鞋类。 与传统纺织品相比,智能纺织品对制造技术的要求更高,3D打印技术可以在一定程度上解决这一问题,利用具有智能特性的材料直接进行三维打印制造智能纺织品。 研究3D打印技术在智能纺织品领域的应用,可以为推动智能纺织品产业的开发、设计和开发提供新的思路。

分类 S市场 T流放者和 T继承者 APPLICATIONS

智能纺织品的定义

智能纺织品是将材料、生物、化学、电子信息等技术融入纺织品,使其能够感知、反应、调节或适应不同刺激(光、温度、湿度、溶剂、电、磁等)的新型纺织品。 ),以及继续他们自己的财产。 可分为两类:一类是“被动式”智能纺织品,具有受环境刺激后改变性能的能力。 例如形状记忆纺织品、疏水性或亲水性纺织品等都属于这一类。 另一类“主动”智能纺织品是能够通过传感器和执行器将内容参数转化为传输信息。 这些“主动”的智能纺织品可以感知不同的环境信号,如温度、光强和污染,并使用各种基于织物的、柔性的和微型化的执行器,包括纺织品显示器、微振动装置和发光二极管。 随着纳米纤维非织造布、导电纤维、塑料光纤、石墨烯、碳纳米管、小型电子元件和传感器、微薄电池等技术的进步,智能纺织品的市场增长得到了巨大的推动。

智能纺织品和3D打印
智能纺织品分类

智能纺织品广泛应用于交通、能源、医疗、防护、安防、通讯等电子产品领域,按类型可分为智能变色、温控、形状记忆、防水透湿、活性纺织品和智能电子纺织品。到不同的功能。

智能变色纺织品

智能变色纺织品是指随着外界环境条件,如光、温度、压力等的变化而呈现出不同颜色的纺织品。这些智能纺织品主要包括光致变色纺织品、感温变色纺织品、电致变色纺织品、感温变色纺织品、压变色纺织品和湿气变色纺织品。 光致变色纺织品在光的照射下产生两种具有不同吸收光谱的形式之间的可逆转变,主要表现为颜色随光源变化的形式,光源消失后又能恢复原来的颜色。 感温变色纺织品可以根据周围温度的变化而改变颜色,其颜色变化主要基于pH变化机制和电子得/失机制。 电致变色纺织品主要采用平面夹层结构或线状结构,将各种纤维电极包裹在一起,通过调整变色材料的掺杂组成和比例,或改变单一电致变色材料的化学结构,实现纤维的变色效果. 电热变色纺织品是指某些纤维材料在正负交变电压作用下,因焦耳热而发生可逆的颜色变化。 该类纺织品是一种结合了电致变色和热致变色效应的智能变色纺织品,其基本原理是热致变色。 压电陶瓷纺织品通过在经纱和纬纱中交织导电纤维形成的矩阵感应织物在压力下的区域来改变颜色。

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智能 T温控纺织品

人体与环境之间的热传递高度依赖于环境温度、空气流动、平均辐射加热、相对湿度和服装纺织品的协同效应。 传统的纺织材料包括棉、涤纶、羊毛和尼龙,在温度控制方面都存在不足。 例如,在寒冷的冬天使用棉花来防止热量散失,增加厚度是唯一的办法,但保暖性能有限。 在炎热的夏季,棉花也无法阻挡红外线辐射。 因此,开发智能温控纺织品,使纺织品能够与人体相互作用,控制能量输出,调节体温。 智能温控纺织品按作用机理可分为两类:第一类是指无需输入电源即可感知并响应环境刺激的纺织品。 它的物理或化学结构会随着环境温度的变化而发生变化。 例如,相变材料可以响应环境变化吸收或释放热量,是智能温控纺织品的主要材料之一。 融合相变材料的纺织品可以形成能量调节系统,旨在使人体温度保持恒温,使人不会感到太冷或太热,减少身体在冷热之间的能量输出两极。 第二类是可以将体热转化为电能的纺织品。 例如,基于塞贝克效应的热电(TE)材料在纺织领域的应用已经展现出巨大的潜力。 TE 材料利用这种效应将高熵能直接转化为电能。 此外,TE材料还可以将电能转化为热能,用于冷却或加热。

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形状记忆纺织品

形状记忆纺织品是通过将具有形状记忆功能的材料置于体内,使其具有形状记忆、恢复率高、耐冲击、对温度、pH值、电、光、磁场、溶剂等外界条件具有良好适应性等优良性能的纺织品。他们通过编织或整理。 形状记忆纺织品按材质可分为合金和聚合物。 形状记忆合金是一种特殊的金属材料,通过适当的加热、辐照或化学处理赋予其一定的形状后,可以恢复其原来的形状。 形状记忆聚合物作为一类高分子材料,因其温度记忆选择范围广、质量轻、原料和加工容易、可恢复的形状变量大等优点而得到广泛应用。 形状记忆聚合物可制成记忆纤维,再由纤维织成具有记忆功能的纺织品; 也可制成整理液,对普通织物进行后整理,使纺织品具有形状记忆功能。 形状记忆后整理纺织品后,其记忆性能会随着洗涤次数的增加而慢慢减弱,甚至消失; 而由纺织品织成的形状记忆纤维,其记忆特性与纤维本身的性质有关,有些材料可以永久保持形状记忆特性。

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 防水透湿纺织品

防水透气纺织品,又称“透气纺织品”,是在一定水压下不被水浸湿,使其具有拒水性,同时可将人体散发的汗液传导至人体的纺织品。以水蒸气的形式存在于纺织品外面,让人感觉不舒服。 拒水透湿纺织品的原理是气体分子通过纱线间隙从高浓度向低浓度扩散。 主要包括以下四种:高密纺织品是用质地特别致密的精梳高支棉纱或超细合成纤维制成,利用改变织物结构达到防水透湿的目的; 微孔膜防水透湿纺织品利用水滴直径与水蒸气分子直径的差异,起到防水、防潮的作用; 无孔膜防水防潮纺织品利用分子亲水性增加防水膜的表面智能防水透湿纺织品是指织物能根据不同的环境特性自动调节透湿程度,如高温织物通过高透湿性达到出色的散热排汗效果,低温面料通过低透湿性减少散热增强保暖性。

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智能活性纺织品

智能活性纺织品会根据温度、压力、电流、光、湿度和溶剂等施加的刺激改变其结构形状,以产生驱动、传感、颜色变化和能量收集。 凭借高应力、高适应性、高峰值输出率和稳定的机械性能等优点,它们现在更频繁地应用于软体机器人、可穿戴电子设备、动态伪装和生物医学应用。 传统的纺织品制造层次是基于纤维材料、纱线结构和纺织品形式,而智能活性纺织品是基于纺织品的结构层次开发的。 通过在纤维成分中加入水凝胶、碳纳米管、石墨烯、双芯片等活性材料,既保持了纺织纤维材料的基本特性,又增加了新的活性特性。 纱线结构是智能活性纺织品层次结构的第二步,它通过施加预应力和约束来改变原始纤维材料的机械性能。 活性丝的主要结构变形有加捻螺旋结构、多孔结构、交联网状结构、夹层结构、混合同轴结构等。 该过程涉及的参数包括束中长丝的数量和单位长度施加的捻度,这进一步调节了纱线的弯曲刚度、断裂强度和应变拉伸率。 最后,可以通过机织、针织或编织等制造工艺进一步调整活性纤维和纱线的机械性能,将活性纱线制成纺织品形式。

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智能电子纺织品

智能电子纺织品将纺织品与电子信息技术相结合,通过在纺织品中嵌入传感器和通信设备,然后通过物联网、人工智能和计算机等技术收集和分析纺织品中设备产生的数据并进行反馈。 智能电子纺织品由分布式处理单元、各种传感器、人机交互设备和供电系统等电子元器件组成,这些电子元器件在智能纺织品中的实现主要有三种方式:第一种方式是将现有的集成电子元件制成纺织品。 优点是制作工艺比较简单,但如果使用的电子元器件太大,也存在影响用户使用和洗涤的问题。 第二种方式是利用纺织材料和纺织制造技术生产电子元件。 虽然集成过程更容易,但纺织材料和纺织制造技术只能生产有限类型的电子元件。 第三种实现是生产和使用纤维来提供一些电子功能。

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3D打印技术分类及特点

3D打印的定义

3D打印,又称增材制造,是一种以3D数字模型文件为基础,通过使用粉末状金属或塑料等粘性材料逐层打印来构建物体的技术。 3D打印过程包括三个主要步骤:建模、打印和后处理。 通过设计软件或3D扫描仪进行CAD设计,将数字文件传输到3D打印机系统,设置相关参数开始打印,打印完成后可能需要对打印对象进行打磨、染色、粘贴等后处理完全的。 传统的加工技术主要是通过切割或切割材料进行机械加工,而3D打印则与传统的切割加工相反,通过层层堆叠。 与传统机加工相比,3D打印的优势在于复杂零件的加工速度更快、功能性产品的设计性能提升、产品设计过程更快、一体成型减少装配工序、制造工具更简单、能源节约增加、生产成本降低等。同一条生产线上的多种产品。 因此,3D打印在生物医学、航空航天、文化创意与数字娱乐、工业制造、建筑工程等领域得到应用,甚至在教育领域也占有一席之地。

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3D打印的技术分类

3D打印技术广泛应用于光固化成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光熔化(SLM)、激光近净成型(LENS)、电子束熔化等成型工艺成型(EBM)、分层实体制造(LOM)、多头喷涂技术(PolyJet)、喷胶(Binder Jetting)等。在纺织服装行业,除了SLA之外,FDM和SLS技术应用最多、PolyJet、Binder Jetting等技术。 成型工艺的不同方式可分为7种,如表1所示。不同的3D打印技术使用不同的材料,FDM主要使用热塑性聚合物进行打印,如ABS、PLA、PC、TPU、PVC、PPS等. SLS和SLA在理论上是一样的,不同的是SLS是用激光来烧结粉末,比如尼龙粉,金属粉等,还有塑料,金属,陶瓷,玻璃,纸等各种材料、木材、配料、椰子壳、羊毛、亚麻等用于制造。 PLA和TPU是热塑性塑料,具有良好的柔韧性、耐腐蚀性和耐磨性,Bentley是Orbi-Tech生产的Acrylonitrile Butadiene Styrene。 根据最近的研究,随着材料开发的不断深入,天然和合成纤维本身也可以用作 3D 打印材料。 在 3D 打印纺织品制造中,需要重点关注的物理性能是柔软度。 此外,还必须满足纺织材料的基本要求性能,如抗拉强度、耐磨性、透气性等。

技术 C精化和 C3D的特点 P漂洗

 

材料形态

 

制造工艺 工艺分类
液体材料 光固化成型 逐点固化(SL LTP BIS)
逐层固化(SGC)
全息干涉固化(HIS)
电铸 电铸(ES)

 

冷却固化 逐点固化(BPM,FDM,3DW,ASP)
逐层固化(SDM,PVD,CVD)
 

薄层材料

热熔胶粘合薄料 热熔胶粘合薄料(LOM)

 

轻粘合薄料 轻粘合薄材料 (SFP)
 

粉粒

热熔冷却 激光烧结和熔化(SLS、GPD、SLM、EBM)
粘合剂粘合粉末颗粒 通过粘合剂(3DP、SF、TSF)粘合粉末颗粒

3D打印智能纺织品的优势

3D打印技术为智能纺织品的高效制造开辟了新的路径,提供了许多新的可能性。 它简化了传统的制造方法,并通过多种成型工艺降低了制造的复杂性。 与传统制造相比,3D打印在智能纺织品领域具有五个关键优势:成本、速度、创新、质量和影响。

显着降低制造成本

3D 打印的智能纺织品可以直接制作原型或制造,无需使用工具和模具,这对t缩短产品原型周期并节省模具成本。 由于制造过程由3D打印机独立完成,无需购买各种机器,也省去部分设备采购和维护成本。 而且制造速度非常快,从CAD数字模型到生产完成比传统的加工成型方式要快很多,在使用3D打印技术制造智能纺织品时,因为材料是在可控的情况下逐层添加的方式,减少材料浪费,节省时间和经济成本。 此外,3D打印缩短了供应链,无需库存、储存、包装和运输,相对而言也降低了成本。

制造过程得到有效简化

智能纺织品的生产需要解决许多问题,例如使用非常规纱线进行织造,减少织造过程中经纬纱的损伤,以及保持特殊结构织物的成型性等。 与传统制造相比,3D打印技术大大降低了制造工艺和制造难度,主要体现在更快的产品设计、更少的集成制造冗余以及更简单的制造工具,无论是打印纱线还是纺织形式。

 多种材料的组合

智能纺织品的部分功能体现在智能纤维材料的使用上,即为了制造智能纤维将具有不同性能的材料组合成单一结构的纤维,而传统机器在织物成型过程中则没有易于融合多种材料进行编织。 在其他领域,有多种材料混合注塑应用,但成本高,成型质量参差不齐。 不同于3D打印技术,可以在同一台机器上混合不同的材料,这为智能纺织品新功能的开发提供了创新的可能。

 提高织物性能的质量

3D打印技术从两个方面提升织物的性能:首先是打印材料,通过使用具有特殊性能的材料制造织物,材料的优良性能直接影响到织物的性能特性。 二是印花结构,织物印花结构通过改变纱线经纬纱的空隙、粗细,以及排列方式来表现不同的性能品质。 此外,在传统制造工艺中,由于制造工具和工艺方法的限制,复杂结构和过于弯曲和扭曲的表面难以加工,相比之下,3D打印制造具有实现任何复杂形状的优势,因为该技术不受传统制造工艺的技术限制。

 实现可持续制造

传统纺织业造成的环境污染主要涉及原料加工、纺织品生产、染整等工序,如设备产生的大量噪音,浆、煮、漂、洗等工序产生的废水,设备加热过程中消耗的大量能源,减材制造过程中产生的废弃物,都会造成环境污染。 3D打印是一种一体式增材制造技术,减少了纺织品的制造周期,基本不产生废气和废水,部分回收废料可以循环利用。

3D打印技术在智能纺织品领域的应用类型

智能纺织品可以包含光纤、相变材料、化学品或其他为普通纺织品增加新功能的电子元件。 越来越多的纺织材料正在尝试利用3D打印技术直接打造具有复杂功能的智能纺织品。 目前的研究主要集中在导电、形状记忆、温度调节和柔性电子元件上。

智能导电纺织品的3D打印

开发导电纺织品最常见的方法是在织物表面附着导电材料,可通过层压、涂层、印刷、喷涂、离子镀、化学镀、真空金属化、阴极溅射和化学气相沉积等方法实现,等 3D 打印机能够精确打印定义的形状。 通过这种方式,可以连接导电纱线或涂层,尤其是与无引线 SMD(表面贴装器件)元件。 同时,3D打印让电子元器件的结构可以调整,与织物达到最合适的结构状态。 Grimmelsmanna 等人。 来自德国比勒费尔德应用科学大学的研究人员使用 3D 打印技术直接在包含使用导电 Shieldex 纱线编织的电路路径的织物上打印,以便 3D 打印的物体作为导线连接到小型电子元件,从而使纺织品能够发光,如图1所示。作为纺织基材,选择了具有纹理效果且表面相对致密均匀的单面钩编针织物,以使3D打印材料更好地附着在织物上。 开发人员设计了一种 SMD-LED 电子元件,它使用 FDM 技术在纺织基板表面制造。 黑色导电部分主要用于电气连接,由 Proto-Pasta 导电 PLA 丝制成,挤出机温度为 207 °C,打印床温度为 60 °C。 层高为 0.2 mm,结构被填充。 白色部分是普通的PLA灯丝,起到固定和连接的作用。 具有导电特性的黑色灯丝连接到 Shields 纱线以点亮纺织品上的 LED。 3D 打印部件充当串联电阻器,以保护 LED 免受可能影响其正常运行的过高应用电压的影响。 当内阻较低时,LED 的亮度较低,因为 LED 和 3D 打印部件连接到串联电阻作为分压器工作,并且在较高电阻下压降较高。

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 印刷智能温控纺织品

具有温度调节功能的智能纺织品有多种类型,例如目前市场上最常见的温湿度调节纺织品,用于通过去除多余水分来降低体温。 然而,这些纺织品只能在身体和织物之间的空气处于高湿度水平时触发,这限制了它们在低湿度水平下的应用。 还有其他温度控制技术,包括具有相变材料的冷袋纺织品、风冷纺织品和液冷纺织品,但都有其局限性。 研究人员在开发温控纺织品以解决此类问题方面做了大量工作。 马里兰大学使用 3D 打印技术在聚乙烯醇 (PVA) 聚合物基质中嵌入了氮化硼纳米片 (BNNS) 复合材料,以制造可快速降低体温的智能温控纺织品,如图 2 所示。 BNNS 具有二维结构和高达 2,000 W/(mK) 的面内热导率。 为了利用 BNNS 的面内热性能,薄片必须具有良好的排列方向和均匀的分散性。 可以实现均匀分散,因为 BNNS 在 PVA 溶液中超声处理时可以通过吸收聚合物来促进结构稳定。 此外,在纤维印刷和进一步的热拉加工过程中,纳米复合纤维通过单轴拉伸流动引入,其中 BNNS 形成良好对齐的方向,从而形成用于声子热传递的能量路径。 BNNS 的高度定向和相互连接的性质提供了额外的热通路,有效地提高了 a-BN/PVA 复合纤维的热性能。 a-BN/PVA 纺织品可以沿着纤维释放人体产生的额外热量。 纺织品将人体产生的额外热量沿着纤维释放到周围环境中,从而为人体降温提供热舒适的微气候。

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3D打印的形状记忆纺织品

形状记忆聚合物是一种能够记住其原始形状,在一定条件下改变其形状,并通过施加热、电和磁场等刺激恢复其原始形状的聚合物。 形状记忆聚合物最常用于聚乳酸(PLA),它也是3D打印常用的材料,因此可以通过3D打印技术生产。 目前利用3D打印技术打印形状记忆聚合物的研究主要涉及材料的两个方面,一是使用100%纯PLA作为形状记忆聚合物,但由于PLA材料可以向上延伸到 10% [41],需要设计结构以在打印前克服这一限制。 Langford 等人解决了这个问题。 使用人字形折纸结构,如图 3 所示。图 3(a) 显示了具有人字形折纸结构的 3D 打印对象。 图 3(b) 显示折叠后物体的体积变小。 展开后,物体的体积变大,但物体上出现了一些细小的裂纹,如图3(c)所示。 通常PLA长丝的恒定回收率在61%左右,而人字折纸结构的回收率提高到96%左右。 另一类是使用 PLA 复合材料的 3D 打印。 guido Ehrmann, Andrea Ehrmann 使用 FDM 3D 打印机,将 80% PLA 与 20% Fe₃O₄ 混合并粉碎,形成固体混合物,然后在双螺杆挤出机中挤出,打印出骨小梁多孔结构 [42],如如图 4 所示。通过施加 30 kHz 的交变磁场,仅 95 到 14 秒后就实现了 24% 以上的形状恢复。 除了这些可能性之外,PLA 还可以与其他聚合物混合以创建具有恢复特性的物体。 例如,在 PLA 中添加羟基磷灰石 (HAP)、碳纤维、钛酸钡和聚酯酰胺 (PEA) 会对回收率产生影响,具体取决于添加的剂量、打印参数的设置和外部因素施加以实现形状恢复。 这些 3D 打印的形状记忆聚合物可用于制造用于智能纺织品的形状记忆织物。

 

智能纺织品和3D打印

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3D打印的智能电子纺织品

智能电子纺织品集成了传感器、微控制器、执行器、连接设备和能源等电子元件。 传统的电子元器件大多由金属、塑料等材料制成,在发生弯曲、扭曲、拉伸等情况时容易发生不可逆变形,从而影响电子元器件的正常功能,而采用柔性材料可以弥补针对以上问题。 这些柔性电子元件不仅可以为人们的日常生活提供便携功能,而且由于能够与人体皮肤接触,还可以用于监测人体的健康信息。 然而,传统的柔性电子元器件加工技术对于功能结构复杂的电子元器件的加工存在局限性。 因此,3D 打印作为一种 3D 快速成型工艺而备受关注。 目前,各种3D打印技术已广泛应用于结构电子器件,越来越多的柔性材料被应用于3D打印技术,以增加产品对不同功能需求的适应性。 例如,杨辉等[43]利用PCL10K与甲基丙烯酸异氰酸乙酯的化学反应合成聚己内酯(PCL),可作为3D打印的柔性材料。 商用SLA打印机将聚己内酯(PCL)打印成柔性器件,并涂上银纳米粒子或碳纳米管(CNT)等导电材料,形成具有形状记忆特性的3D打印柔性电子器件,如图5所示其中,图5(a)中的装置由一个3D形状记忆聚合物打印物体组成。 图 5(b) 显示了通过在室温下通过烧结工艺将银纳米粒子添加到具有形状记忆特性的 3D 打印物体表面而制成的柔性电温度传感器。 在图5(c)中,当柔性电子温度传感器遇到温度升高时,其形状从开路变为闭路并点亮发光二极管。 利用3D打印技术打印出具有形状记忆行为的柔性传感器,不仅赋予了电子设备新的功能,而且在改变人们与电子设备交互方式的同时,对提高产品质量也起到了重要作用。

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质质量 T3D 的趋势 P漂洗 S市场 T流亡者

通过将3D打印技术应用于智能纺织品,探索新材料、材料组合、混纺纱线,以及基础织物成分加工,包括新纤维、纱线形态、织物结构等,将进入一个全新的领域。 在防护功能、舒适保健、易护理性能、外观造型、易用性能、环保特性等方面可实现广泛的应用。 目前,3D打印智能纺织品的技术应用有三种:最常见的是直接在纺织品上进行3D打印,可以为现有纺织品增加新的功能。 这项技术的重点是纺织品和 3D 打印材料之间的粘合。 不同材料在织物上的附着程度,除了与两种材料的受热性能有关外,还与印刷参数的设置有关,如印刷温度、印刷速度、填充率、对位角等。基于柔软舒适的纺织基材与硬质材料的结合,这些产品未来将更广泛地应用于医疗康复和安全防护。 第二个方面是3D打印不同的纺织品结构,使其具有一定的智能功能,将广泛应用于机器人、服装、建筑等领域。 第三个方面是利用柔性材料进行3D打印,柔性材料的开发还处于起步阶段,未来随着弹性材料的快速发展,3D打印智能纺织品可以提供良好的透气透湿性同时赋予多种功能。 纺织品的直接 3D 打印和使用不同复合材料的智能纺织品的结构打印都有望在未来大量商业化生产。

3D打印是一种基于3D数字模型创建实体模型的技术,通过计算机控制逐层堆积离散材料。 虽然大多数3D打印机都是按照这样的工作原理和流程来工作的,但是不同的3D打印类型有不同的技术局限性。 3D打印使用的材料种类主要有液体材料、固体材料和粉末材料,同一种材料打印的工艺可能不同,3D打印使用的是同一种粉末材料,但是SLS工艺需要粉末待印 SLS工艺需要对粉末进行预热,以减少打印过程中的变形和粘粉,而BJ工艺不需要粉末预热步骤。 此外,一些技术选择在打印材料中加入具有不同性能的新成分,以赋予纺织品特殊的功能,并且在使用新材料进行打印时,需要重新设置打印温度和打印速度等参数。 3D 打印工艺结构大多需要后处理才能制造出具有良好表面质量、机械性能和功能的智能纺织品。 后处理主要包括去除支撑结构、抛光、着色、强化成型、坚固、持久的防腐处理、表面涂层等。 后处理虽然弥补了打印模型的不足,但也增加了操作流程和制作时间。 目前,3D打印智能纺织品得到了快速发展和完善,但在打印过程的稳定性、成型精度、后处理和后处理等方面存在一定的缺陷和需要改进的地方。 此外,3D打印智能纺织产业缺乏协调稳定的发展,没有完整的产业链或产业体系,包括完善的供应商、服务商体系、良好的市场平台等,技术上仍有较大上升空间研发和技术推广。

智能纺织品和3D打印

 

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