3D打印在智能纺织品中的应用研究进展
作者：文阅期刊网 来源：文阅编辑中心 日期：2022-09-14 08:46人气：
摘 要：为促进智能纺织品行业高效、多元和可持续性发展，探索了3D打印技术在智能纺织品制作上的应用。梳理了智能纺织品在不同领域的功能分类，包括智能变色、智能温控、形状记忆、防水透湿、智能活性和智能电子纺织品。介绍了3D打印在纺织品行业的主流技术类型，分析得出3D打印在智能纺织品领域具有制造成本大幅度降低、制造环节被有效简化、多种材料的组合、提升织物性能质量、实现可持续制造的优势，并结合案例详细综述了目前3D打印技术在智能纺织品领域的研究进展。3D打印在智能纺织品领域的应用，不仅促进了智能纺织品的制造技术创新发展，也在设计开发、功能结构、材料组合等方面表现出更为广泛的应用价值。
关键词: 3D打印; 智能纺织品;形状记忆;温控;防水透湿;发展趋势;
Research progress on the application of 3D printing in smart textiles
Abstract：3D printing technology is known as one of the 21 disruptive technologies that gave birth to the fourth industrial revolution. It integrates cutting-edge technologies in many fields, such as material science and chemistry, digital modeling technology, electromechanical control technology, and information technology. 3D printing technology actively and organically connects social needs with social manufacturing capabilities, allowing for the effective mutual transformation of demand and supply. The textile industry has continued to develop since meeting the basic needs of human beings. One of the important drivers of its sustainable development is the unremitting pursuit of improving the functions of textiles. 3D printing technology has been applied to the field of smart textiles as an emerging manufacturing technology. It has attracted much attention from the industry due to its advantages of accelerated processing of complex shapes, low cost, simplified manufacturing tools, and high energy savings. However, 3D printing technology also has the disadvantages of the limited size of the direct manufacturing model, relatively low manufacturing accuracy, relatively rough surface processing quality, the relatively limited use of material range and performance, and the to-be-improved intelligent level of control software, which also causes the limitations of 3D printing technology in the field of intelligent textiles. This paper deeply explores the application of 3D printing technology in the production of smart textiles in order to promote the efficient, diverse, and sustainable development of the smart textile industry. Smart textiles, widely used in in many fields involving transportation, energy, and medical fields, as well as protection, security, and communication, are classified according to their functions into several types of smart color-changing, temperature control, shape memory, waterproof and moisture-permeable, active textiles and smart electronic textiles. At present, there are dozens of types of 3D printing technologies, but not all of them are suitable for the manufacture of smart textiles. Among them, fused deposition modeling and selective laser sintering are more commonly used technologies. Besides, stereo lithography appearance, multi-nozzle technology, and inkjet printing technology are also widely used in the field of smart textiles. 3D printing technology opens up a new path for the efficient manufacturing of smart textiles, and also provides many new possibilities. It greatly reduces manufacturing costs, effectively simplifies the manufacturing process, combines multiple materials, and improves the performance and quality of fabrics. The advantages of sustainable manufacturing are realized, and the current application progress of 3D printing technology in the field of smart textiles is reviewed in detail with case studies. The application of 3D printing in the field of smart textiles not only promotes the innovation and development of manufacturing technology of smart textiles but also shows a wider application value in design and development, functional structure, and material combination.
Keyword：3D printing; smart textiles; shape memory; temperature control; waterproof and moisture permeability; development trend;
随着3D打印市场增长的加快，纺织产业也开始以各种方式应用3D打印技术进行革新与制造，如3D打印纺织品、服装、时尚配饰、鞋类等。智能纺织品相较于传统纺织品而言，在功能性方面对于制造技术提出了更高的要求，而传统的制造技术需要较复杂的工艺流程才能实现智能纺织品的生产。3D打印技术在某些层面上能解决此类问题，它可以利用具有智能属性的材料直接进行立体打印，以制成具智能属性的纺织品。对于3D打印技术在智能纺织品领域的应用进行研究，为促进智能纺织品产业的发展、设计与开发提供了新的研究思路。
1 智能纺织品及其应用分类
1.1 智能纺织品的定义
智能纺织品是将材料、生物、化工、电子信息等技术融入纺织品中，从而对不同的刺激（光、温度、湿度、溶剂、电气、磁等）具有感知、反应和调节或适应的功能[1]，并能延续纺织品自身属性的新型纺织品[2]。它可以分为两类：一类是“被动型”智能纺织品，具有被环境刺激后改变其性能的能力[3]。例如，形状记忆纺织品、疏水或亲水性纺织品等都属于这一类。另一类“主动型”智能纺织品，通过传感器和驱动器能够将内容参数转化为传递信息[3]。这类“主动型”智能纺织品能够感知温度、光强和污染等不同环境信号，并使用各种基于织物的、灵活的、微型化的执行器，包括纺织显示器、微振动设备、发光二极管等对环境信号做出反馈[4]。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、小型电子元器件和传感器及微薄电池等技术的进步，对智能纺织品的市场增长起到巨大的推动作用[5]。
1.2 智能纺织品的分类
智能纺织品在交通、能源和医疗领域、防护、安全、通信等电子产品领域都有较广泛的应用，根据功能的不同可分为智能变色、温控、形状记忆、防水透湿、活性纺织品和智能电子纺织品等几个类型。
1.2.1 智能变色纺织品
智能变色纺织品是指能够随着外部环境条件，如光线、温度、压力等的变化而表现出不同颜色的纺织品[6]。这类智能纺织品主要包括光致变色纺织品、温致变色纺织品、电致变色纺织品、电热致变色纺织品、压致变色纺织品、湿致变色纺织品等[7]。光致变色纺织品经光照射产生具有不同吸收光谱的两种形式之间的可逆转变，主要表现为根据光源的变化而发生颜色的变化，并在光源消失后可恢复本来颜色。温致变色纺织品能够根据周围温度的变化而改变自身颜色，其变色原理主要有PH值变化机制和电子得失机制两种[8]。电致变色纺织品主要采用平面夹层结构或线形结构，其中各种纤维电极被包裹在一起，通过调整变色材料掺杂成分与比例，或是改变单一电致变色材料的化学结构等方法，实现纤维的变色效应[9]。电热致变色纺织品是指某些纤维材料在外加交替正负电压作用下，由于焦耳热而可逆地改变材料的颜色。该类纺织品是将电致变色与热致变色进行结合的一种智能变色纺织品，其根本原理就是热致变色。压敏变色纺织品是通过导电纤维经纬交织形成的矩阵感知织物受压部位，从而发生颜色变化[10]。
1.2.2 智能温控纺织品
人体和环境之间的热量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作用[11]。传统的纺织材料，包括棉、聚酯、羊毛和尼龙等，在温度控制方面都有缺点。如寒冷的冬季使用棉花来防止热量流失时，增加厚度是唯一的方法，然而保暖的性能有限。在炎热的夏天，棉也不能阻挡红外辐射。因此，开发智能温控纺织品，使纺织品能够与人体产生交互作用以达到控制能量输出、调节体温的目的。智能温控纺织品根据其机制可分为两类。第一类是指在没有输入电源的情况下能够感知和应对环境刺激的纺织品。它的物理或化学结构可以根据环境温度的变化而改变。如相变材料，可以根据环境变化而吸收或释放热量，是智能温控纺织品的主要材料之一[12]。融进相变材料的纺织品可以形成能量调节系统，这种设计能够保持人的体温处于恒温状态，使人不会感到太冷，也不会太热，在冷热两极之间减少人体能量的输出。第二类是可以将人体热量转化为电能的纺织品。如基于塞贝克效应的热电材料（TE）被运用在纺织领域中已展示了其巨大的潜能，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。
1.2.3 形状记忆纺织品
形状记忆纺织品是一种通过编织或整理将具有形状记忆功能的材料置入其中，在温度、pH值、电、光、磁场和溶剂等外部条件下，具有形状记忆、恢复率高、抗冲击、较好的适应性等优良性能的纺织品[13]。形状记忆纺织品按材质可以分为合金类和聚合物类。形状记忆合金是一种特殊的金属材料，将其赋予一定形状后，经过适当的加热、照射或化学处理等，能够恢复其原始形状[14]。形状记忆聚合物，作为一类高分子材料，不仅温度记忆可选择范围宽，而且质量轻，原料来源和加工容易，可恢复形变量大，因而应用广泛。形状记忆聚合物可以制造成记忆纤维，再由纤维织造成具有记忆功能的纺织品，也可以制成整理液，对普通织物进行后期整理，从而使纺织品具有形状记忆功能。经过形状记忆后期整理的纺织品，其记忆性能会随水洗次数的增加而慢慢减弱，甚至消失，而由形状记忆纤维织造而成的纺织品，其记忆特性与纤维本身的性质有关，有些材料的形状记忆特性可以永久保持。
1.2.4 防水透湿纺织品
防水透湿纺织品又称“可呼吸的纺织品”，是指纺织品在一定的水压下不被水润湿，使之具有拒水性，同时，人体散发的汗液又能以水蒸气的形式传导到纺织品外侧，不在人体表面和纺织品之间积聚冷凝使人感到不舒适。防水透湿纺织品的原理是气体分子通过纱线间隙从高浓度扩散到低浓度[15]。它主要包括以下四种类型，即高密度纺织品是采用精梳高支棉纱或超细合成纤维制成的质地特别致密的织物，利用改变织物结构而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之差来起到防水和防潮的作用。无孔膜防水防潮纺织品利用分子亲水性来增加防水膜表面的张力，以达到防水的效果。智能型防水透湿纺织品是指织物可根据不同的环境特点自动调节透湿性的高低，如高温下织物通过高透湿性以达到优良的散热排汗效果，而低温下织物通过低透湿性以达到降低散热提升取暖性[16]。
1.2.5 智能活性纺织品
智能活性纺织品在响应温度、压力、电流、光照、湿度、溶剂等外加刺激下，改变结构形状而产生驱动、传感、颜色变化和能量收集能力等功能[17]。具有较大应力、高适应性、高峰值输出率、稳定的机械性能等优点，目前较多的应用在软机器人、可穿戴电子设备、动态伪装、生物医疗领域[18,19,20]。传统纺织品生产制造的层级关系是纤维材料、纱线结构、纺织品形态[21]。智能活性纺织品基于纺织品的结构层次进行开发。通过在纤维成分中加入水凝胶、碳纳米管、石墨烯、双晶片等活性材料，既保持了纺织纤维材料的基本特性，还增加了新的活性特征。纱线结构是智能活性纺织品层级结构的第二步，通过施加预应力和约束来改变原始纤维材料的机械性能。活性纱线在结构上的形变方式主要有缠绕式螺旋结构、多孔结构、交联网状结构、夹心结构、混合同轴结构等[22]。这过程涉及的参数包括成束长丝的数量和单位长度施加的捻度，从而进一步调整了纱线的弯曲刚性、断裂强度和应变伸缩率。最后利用编织、针织或编结等制造工艺将活性纱线制成纺织品形态，可以进一步调整活性纤维和纱线的机械性能[23,24]。
1.2.6 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结合，在纺织品中嵌入传感器和通信设备，再通过物联网、人工智能和计算机等技术对纺织品中的设备所产生的数据进行收集和分析并作出反馈[25]。智能电子纺织品由分布式处理单元、各种传感器、人机交互设备和电源系统等电子元件组成，这些电子元件在智能纺织品中主要有三种实现方式：第一种实现方式是将现有的电子元件集成到纺织品。优点是制作过程较简单，但若使用的电子元件过大，也有影响用户使用和洗涤的问题。第二种实现方式是使用纺织材料和纺织制造技术生产电子元件。虽然集成的过程较容易，但通过纺织材料和纺织制造技术可以生产的电子元件的类型有限。第三种实现方式是生产和使用纤维来提供一些电子功能。
2 3D打印技术分类与特征
2.1 3D打印的定义
3D打印又称快速成型、增材制造，是一种以3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏结材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[26]。3D打印工艺由建模、打印、后处理三个步骤组成。通过设计软件或三维扫描仪进行CAD设计，将数字文件传输至3D打印机系统，设置相关参数开始打印，在打印完成后可能还需要利用研磨、染色、粘贴等手段对打印物体进行后处理[27]。传统的加工技术主要是以机械加工为主的切割或削减材料的加工方式，而3D打印是与传统切削加工相反的叠层加工方式[28]。与传统加工相比较，3D打印的优势在于加快了复杂部件的加工速度、功能性产品的设计性能提高、产品设计环节速度加快、一体化成型减少组装环节、制造工具简单化、能源节约的程度提高、降低了多产品共线的生产成本等[29]。因此，3D打印在生物医疗、航空航天、文化创意和数码娱乐、工业制造、建筑工程等领域得到了一定的应用，甚至在教育领域也占有一定的地位。
2.2 3D打印的技术分类
3D打印技术应用较广的成型工艺包括光固化成型（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）、电子束熔融成型（EBM）、分层实体制造（LOM）、多喷头技术（PolyJet）、粘结剂喷射（Binder Jetting）等。在纺织服装行业，FDM、SLS技术被应用最多，此外还有SLA、PolyJet、Binder Jetting等技术。根据成型工艺的方式不同，可以分为7个类型，如表1所示。不同的3D打印工艺使用的材料不同，FDM主要使用热性聚合物进行打印，如ABS、PLA、PC、TPU、PVC、PPS等。SLS和SLA理论上是一样的，不同的是SLS用激光去烧结粉末，如尼龙粉、金属粉等。另外还有运用各种类型的材料，如塑料、金属、陶瓷、玻璃、纸张、木材、食材、椰壳、羊毛、亚麻等进行制造[30]。目前主要用于纺织服装制作的3D打印材料有聚乳酸（PLA）、聚氨酯（TPU）和Bendlay等。PLA和TPU属于热塑性塑料，具有良好的柔韧性、耐腐蚀性和耐磨性，Bendlay是由Orbi-Tech制造的Acrylonitrile Butadiene Styrene[31]。根据最近的研究表明，随着材料开发的不断深入，天然和合成纤维本身可以作为3D打印材料[32]。在3D打印纺织品制造中，需要重点考虑的物性是柔软性。此外，还必须满足纺织材料基本要求的特性，如抗拉强度、耐磨性、透气性等。
2.3 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率制造开辟了新的路径，也提供了许多新的可能性。它简化了传统制造方法，通过多种成型工艺降低制造的复杂性。与传统制造相比，3D打印在智能纺织品领域有五个关键优势：成本、速度、创新、质量和影响。
2.3.1 制造成本大幅度降低
3D打印智能纺织品无需使用工具、模具而直接制作原型或制件，可大大缩短产品的试制周期并节省工具的费用，由于制造过程由3D打印机独立完成，无需采购各式各样的机器，这也省去一部分设备采购与维护的费用。而且制造速度很快，从CAD数字模型到生产完成的速度比传统加工成型方法快得多，在使用3D打印技术制造智能纺织品时，由于是有控制地一层层添加材料，减少了材料的浪费，既节省的时间成本也节省了经济成本。此外，3D打印制造使得供应链缩短，不需要库存、仓储、包装和运输，也相对的缩减了成本。
2.3.2 制造环节被有效简化
智能纺织品的织造生产需要解决很多问题，如使用非常规纱线进行织造、减少经纱和纬纱在织造过程中的损伤、保持特殊结构织物的成型性等。在这过程中会使用不同的机器进行织造，如织布机、提花机等。3D打印技术与传统制造相比，无论是打印纱线或是纺织品形态都极大的缩减了制造环节与降低了制造难度，主要体现在产品设计环节速度加快、一体化制造减少多余环节和制造工具简化。
2.3.3 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，为了制造智能纤维会将具有不同属性的材料结合成单一结构的纤维，而传统机器在织物成型过程中不易将多种材料进行融合织造。在其他的领域，有多种材料进行混合注塑的应用，但其成本较高、塑型品质良莠不齐。而3D打印技术则不同，可以在同一台设备上实现不同材料的混合打印，为智能纺织品的新功能开发提供了创新可能性。
2.3.4 提升织物性能质量
3D打印技术提升织物性能主要从两个方面考虑，首先是打印材料，通过使用具有特殊性能的材料进行织物的制造，材料的优秀性能直接影响织物的性能属性。其次是打印结构，织物的打印结构通过改变纱线经纬的间隙、粗细、排列方式表现出不同的性能质量。另外，在传统制造过程中，由于制造工具和工艺方法的限制，复杂的结构和过于弯曲扭转的曲面加工难度较高，相比之下，3D打印制造具有实现任意复杂形状的优势，因为该技术不受传统制造工艺的技术限制。
2.3.5 实现可持续制造
传统纺织行业造成的环境污染主要涉及原料加工、纺织生产、染整等过程[33]，如设备产生的大量噪音、退浆、煮练、漂白和洗涤造成的废水、设备加热的过程中产生大量的能源消耗、减材制造过程中产生的废料等都会对环境造成污染。而3D打印是一体成型的增材制造技术，缩减了纺织品制造周期、基本上不会产生废气、废水，部分回收的废料也可循环使用。
3 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、化学品或其他电子元件，为普通纺织品增加新的功能。越来越多的纺织材料正试图采用3D打印技术直接制造出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等方面。
3.1 3D打印智能导电纺织品
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，实现方法包括层压、涂层、印刷、喷涂、离子电镀、化学镀层、真空金属化、阴极溅射和化学气相沉积等。3D打印机能够准确地打印出所定义的形状。通过这种方式，可以将导电纱线或涂层连接起来，特别是与无引线的SMD（表面安装设备）元件连接。同时，3D打印可以调整电子元件的结构，以实现与织物最合适的结构状态。德国比勒费尔德应用科学大学的Nils、Yasmin Martens等人，利用3D打印技术在使用导电Shieldex纱线织造的包含电路路径的面料上直接打印[34]，使3D打印的物体作为导电线与小型电子元件之间连接，使纺织品发光，如图1所示。作为纺织基材，选择了有肌理效果的、表面相对紧凑且均匀的单面钩花针织面料，使3D打印材料能更好的与织物黏结。在纺织基材表面设计了一款SMD-LED电子元件，利用熔融沉积成型的3D打印技术实现。SMD-LED由黑色导电材料、非导电的白色PLA材料以及LED三个部分组成。黑色导电部分主要起到电连接的作用，材料是用的是Proto-Pasta导电PLA长丝，挤出机温度为207 ℃，打印床温度为60 ℃，层高为0.2 mm，并对结构进行填充。白色部分为普通的PLA长丝，起到固定和连接的作用。具有导电特性的黑色长丝与Shieldex纱线连接，点亮纺织品上的LED。3D打印部件作为串联电阻，保护LED不受过高的应用电压而影响其正常工作。当内部电阻较低时，LED的亮度则较低，因为LED和3D打印部件连接串联电阻作为分压器工作，较高电阻下的电压降越高。
3.2 3D打印智能温控纺织品
具有调节温度的智能纺织品种类繁多，如当前市面上最为常见的温湿度调节纺织品，是通过去除多余的水分来降低人体温度[35]。但这类纺织品只有在身体和织物之间的空气处于高湿度水平时才能被触发，这限制其在湿度水平较低时的应用。另外还有其他温控技术，包括带有相变材料的冷袋纺织品、空气冷却纺织品和液体冷却纺织品等，但也都有其局限性。研究人员为了解决这类问题，在开发热调节纺织品方面做了大量的工作。马里兰大学利用一种在聚乙烯醇（PVA）聚合物基体中嵌入了氮化硼纳米片(BNNSs)的复合材料进行3D打印，制成能使人体温度快速下降的智能温控纺织品，如图2所示。BNNSs具有二维结构，有高达2 000W/m·K的平面内热导率[36]。为了利用BNNSs的平面内热性能，片材必须有良好的排列方向和均匀的分散[37,38,39]。由于BNNSs在PVA溶液中进行超声处理时可以通过吸收的聚合物促进结构稳定，因此可以实现均匀的分散[40]。同时，在纤维打印和进一步的热拉加工过程中，通过单轴延伸流动引入了纳米复合纤维，其中BNNSs形成良好的排列方向，从而形成声子热传导的能量路径。高度定向且相互连接可以提供更多导热途径，从而有效地提高了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纤维释放到周围环境中，从而为人体提供了热舒适的微气候，以达到降温的目的。
3.3 3D打印形状记忆纺织品
形状记忆聚合物是一种能记住原始形状的聚合物，在一定条件下改变其形状，并能通过施加如热、电、磁场等刺激，又恢复到原始形状的高分子材料。形状记忆聚合物最常使用的聚乳酸（PLA），也是3D打印中常使用的材料，因此形状记忆聚合物可以通过3D打印技术进行制作。目前对于使用3D打印技术打印形状记忆聚合物的相关研究，主要涉及材料的2方面，一类是使用百分百的聚乳酸作为形状记忆聚合物，但由于聚乳酸材料最长能延长10%[41]，因此在进行打印之前需要对结构进行设计以克服这些限制。Langford等使用人字形折纸结构来解决这个问题，如图3所示。图3（a）是具有人字型折纸结构的3D打印物。图3（b）展示当折叠时，物体体积变小。当展开时，物体体积变大，但物体上出现了细微的几条裂纹，如图3（c）所示。通常PLA长丝的恒定恢复率约61%，而人字型折纸结构的恢复率提升到约96%。另一类是采用聚乳酸复合材料进行3D打印。Guido Ehrmann、Andrea Ehrmann利用FDM 3D打印机，通过将80%的PLA与20%的Fe3O4混合，形成固体混合物并将其粉碎，然后在双螺杆挤压机中挤压打印了一种骨小梁多孔结构[42]，如图4所示。通过施加30 kHz的交变磁场，仅在14-24 秒后就达到了95%以上的形状恢复。除了这些可能性，聚乳酸还可以与其他聚合物混合，创造出具有恢复特性的物体。如在聚乳酸中加入羟基磷灰石（HAP）、碳纤维、钛酸钡和聚酯酰胺（PEA）等，加入的剂量、打印参数的设置、以及为了使形状恢复施加的外因的不同，都会对其恢复率产生影响。这些3D打印的形状记忆聚合物可以用来做形状记忆面料，用于智能纺织品领域。
3.4 3D打印智能电子纺织品
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，传统的电子元件多由金属、塑料等材料制成，容易在发生弯折、扭转、拉伸等情况时导致不可逆变形，从而影响电子元件的正常功能，但柔性材质的运用可以弥补上述问题。这类柔性电子元件不仅能够为我们的日常生活提供便携功能，而且由于其与人体皮肤接口的能力提高，还可以用来监测人体的健康信息。然而，柔性电子元件的传统加工技术，对于功能结构复杂的电子元件的加工会有局限。因此，3D打印的三维快速成型的加工方式受到关注。目前，各种3D打印技术已经广泛应用于结构性电子设备，为了增加对产品不同功能需求的适应性，越来越多的柔性材料被应用到3D打印技术中。例如杨慧等人利用PCL10K和甲基丙烯酸异氰乙酯的化学反应合成的聚己内酯（PCL），可以作为3D打印的柔性材料[43]。通过商用的立体光刻（SLA）打印机将聚己内酯（PCL）打印成柔性装置，并在上面涂上导电材料，如银纳米粒子或碳纳米管（CNTs），形成具有形状记忆性能的3D打印柔性电子装置，如图5所示。该设备由一个 3D 形状记忆聚合物打印物体组成，如图5（a)所示。图5（b）是在室温下将银纳米粒子以烧结工艺打印到具有形状记忆性能的3D打印基材上，制造的柔性电温度传感器。当柔性电温度传感器遇到温度上升后，它的形状发生变化，由开放电路变成关闭电路并点亮了发光二极管（LED），如图5（c）所示。使用3D打印技术打印的具有形状记忆行为的柔性传感器，不仅赋予了电子设备以新的功能，而且在改变人与电子设备的互动方式的同时，也在提高产品质量方面发挥了重要的作用。
4 3D打印智能纺织品的发展趋势
将3D打印技术运用到智能纺织品中，对新型材料、材料组合、混纺纱和面料基本成分处理，包括新型纤维、纱线形态以及织物结构等的探索会进入一个全新的领域。在防护功能、舒适保健、易护理性能、外观与形态、易用性能和环境特性等方面都能得到广泛的应用。目前，3D打印智能纺织品的技术应用有三种。最常用的一种是直接在纺织品上3D 打印，可以在现有纺织品的基础上添加新的功能。该技术的重点是纺织品与3D打印材料之间的黏合。不同的材料在织物上的黏合程度，除了与两种材料加热属性有关外，还与打印参数的设置有关，如打印温度、打印速度、填充率、走线角度等。基于柔软、舒适的纺织基材和硬性材料的结合，未来这类产品将在医疗康复、安全防护等领域得到更为广泛的应用。第二个方面是通过3D打印不同的纺织品结构，使其具有一些智能化的功能，并将广泛应用在机器人、服装、建筑等领域。第三个方面是使用柔性材料进行3D打印，柔性材料的开发目前还属于初级阶段，随着弹性材料在未来的快速发展，3D打印的智能纺织品在赋予多元功能性的同时也能提供良好的透气性和透湿性。无论是在纺织品上直接3D打印，还是使用不同的复合材料进行结构性打印的智能纺织品，都有望在未来进行大批量化商业性生产。
3D打印是依据三维数字模型，由计算机控制将离散材料逐层累加制造实体模型的技术[44]。虽然大多数3D打印机按照这样的工作原理与流程进行工作，但不同的3D打印类型在技术上的限制不同。如FDM打印速度较慢，还需浪费材料做支撑；SLA设备造价高昂，使用和维护成本过高，对工作环境要求严苛等。3D打印主要使用的材料类型有液态材料、固态材料和粉末材料，同种材料在打印过程中的操作流程也可能不同，同样使用粉末材料进行3D打印，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等问题，而BJ工艺则不需要粉末预热的步骤。另外，为了赋予纺织品以特殊功能，部分技术会选择在打印材料中添加不同性质的新成分，而使用新的材料进行打印时，需要重新对打印温度、打印速度等参数进行设置。3D打印工艺的结构大多都需要进行后处理加工，以创建表面质量、机械性能和功能性良好的智能纺织品。后处理主要包括去除支撑结构、抛光、上色、增强成形强度、长久保存处理和表面涂覆[45]。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生产时间。目前3D打印智能纺织品得到了快速的发展和提高，但是在打印过程的稳定性、成型的精度、精加工和后处理等环节，均存在一定的缺陷和有待提高的地方。再者3D打印智能纺织品行业缺少统筹稳定的发展，没有完整的产业链或者产业体系，包括完善的供应商、服务商体系和良好的市场平台等，在技术研发和技术推广上仍有较大的上升空间。
5 结 论
本文对3D打印技术在智能纺织品中的发展现状进行了研究，分析了3D打印技术智能纺织品的五个优势，并得出3D打印智能纺织品增加了产品功能实现的可能性，减少了生产流程，拓宽了智能纺织品应用领域。但3D打印技术无论是机器和材料等都依然存在问题，3D打印目前市面上存在的几十种类型，不同类型的机器可以根据要求选择适合的打印材料。3D打印智能纺织品，除了需要满足功能性外，还应满足最基本的织物属性，这些都受到3D打印机器和材料的限制，另外还有尺寸、强度、形变等也是需要关注的问题。3D打印智能纺织品主要是智能数字化制造和新型材料的应用，随着纺织工业、智能数字化、新材料以及3D打印技术等不同领域的融合发展，使得智能纺织品的生产制造更有灵活性，走向更具有个性化的生产模式。
参考文献
[1] RAMLOW H, ANDRADE K L, IMMICH A P S. Smart textiles: An overview of recent progress on chromic textiles[J]. Journal of the Textile Institute,2020,112(19):1-20.
[2] 马艳丽,刘茜,刘玮.用于智能纺织品的柔性传感器研究进展[J].传感器与微系统,2015,34(4):1-3.
[3] 刘晖, 陈国强, 吕凯敏. 智能纺织品分类与评价方法研究[J]. 针织工业, 2021(10): 63-67.
[4] KONCAR V. Smart Textiles and Their Applications[M]. Cambridge: Woodhead Publishing, 2016: 1-8.
[5] DANG T , ZHAO M. The application of smart fibers and smart textiles[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2021,1790: 012084.
[6] 周密, 赵国玉, 姚伟静, 等. 智能服装研究进展[J]. 纺织科技进展, 2017(3): 1-4.
[7] 徐栋, 陈宏书, 王结良. 变色材料的研究进展[J]. 兵器材料科学与工程, 2011, 34(3): 87-91．
[8] 陈安, 刘茜. 调温变色织物的研发现状[J]. 产业用纺织品, 2020, 38(7): 6-10．
[9] 李雅娟, 张林星, 黄璇, 等. 智能变色纤维的研究与应用进展[J]. 纺织导报, 2021,11: 44-48.
[10] 白洁.智能纺织品的分类及其应用[J]. 毛纺科技, 2019, 47(4): 79-83.
[11] CHOUDHURY A K R, MAJUMDAR P K, DATTA C. Factors affecting comfort: Human physiology and the role of clothing[M]. Improving Comfort in Clothing. Cambridge: Woodhead Publishing, 2011: 3-60.
[12] MENG Q H, HU J L. A review of shape memory polymer composites and blends[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2009, 40(11): 1661-1672.
[13] EHRMANN G, EHRMANN A. Shape memory textiles-technological background and possible applications[J]. Communications in Development and Assembling of Textile Products, 2020, 2(2): 162-172.
[14] KATAVOUTAS G, THEOHARATOS G, FLOCAS H A, et al. Measuring the effects of heat wave episodes on the human body’s thermal balance[J]. International Journal of Biometeorology, 2009, 53(2): 177-187.
[15] 张育香. 智能纺织品概述及其在不同领域中的应用[J]. 染整技术, 2017, 39(2): 6-9.
[16] 许凡, 王高媛, 赵晶. 智能纺织品及服装的发展[J]. 纺织科技进展,2013(5):1-5.
[17] WANG J X, GAO D C, LEE P S. Recent progress in artificial muscles for interactive soft robotics[J]. Advanced Materials, 2020, 33(19): 2003088.
[18] BYUN S H, SIM J Y, ZHOU Z A, et al. Mechanically transformative electronics, sensors, and implantable devices[J]. Science Advances, 2019, 5(11): 1-12.
[19] MARTINEZ A M, MCBRIDHE M K, WHITE T J. Reconfigurable and spatially programmable chameleon skin-like material utilizing light responsive covalent adaptable cholesteric liquid crystal elastomers[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 30(35): 2003150.
[20] XIONG J Q, CHEN J, LEE P S. Functional fibers and fabrics for soft robotics, wearables, and human–robot interface[J]. Advanced Materials, 2020, 33(19): 2002640.
[21] GRANBERRY R, BARRY J, HOLSCHUH B, et al. Kinetically tunable, active auxetic, and variable recruitment active textiles from hierarchical assemblies[J]. Advanced Materials Technologies, 2021, 6(3): 2000825.
[22] 朱诗倩,谈伊妮,刘晓刚.柔性复合导电纤维在智能纺织品中的研究进展[J].现代纺织技术, 2021,30:48-58.
[23] BUCKNER T L, KRAMER-BOTTIGLIO R. Functional fibers for robotic fabrics[J]. Multifunctional Materials, 2018, 1(1): 012001.
[24] PERSSON N K, MARTINEZ J G, ZHONG Y. Actuating textiles: Next generation of smart textiles[J]. Advanced Materials Technologies, 2018, 3(10):1700397.
[25] 马菡婧, 马瑜, 何源.现代智能纺织品的分类及应用[J]. 上海纺织科技, 2020, 48(5): 14-17.
[26] 吴怀宇. 3D打印三维智能数字化创造[M]. 北京：电子工业出版社, 2015:37-53.
[27] MELLOR S, HAO L, ZHANG D. Additive manufacturing: A framework for implementation[J]. International Journal of Production Economics, 2014,149(C):194-201.
[28] BAEK S. Introduction of 3D printing technology & applications[J]. KIC News, 2015, 18(1): 2-10.
[29] 单鑫. 基于FDM的路径规划策略及其应用研究[D].黑龙江: 哈尔滨工程大学, 2016.
[30] KWAK G H, PARK S W. The trend analysis of Global 3D printer industry technology[J]. Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, 2013, 53(10): 58-64.
[31] VANDERPLOEG A, LEE S E, MAMP M. The application of 3D printing technology in the fashion industry[J]. International Journal of Fashion Design, Technology and Education, 2017, 10(2):170-179.
[32] LEE C H, HONG S Y. A characteristic analysis on 3D printing materials for textiles[J]. The Korean Society of Science & Art, 2016, 24(6): 343-350.
[33] 赵朝.纺织服装行业发展的环境保护问题及建议[J].印染助剂,2021,38(5):7-10.
[34] GRIMMELSMANNA N, MARTENSA Y, SCHAL P, et al. Mechanical and electrical contacting of electronic components on textiles by 3D printing[J]. Procedia Technology, 2016, 26: 66-71.
[35] KAPLAN S, OKUR A. Thermal comfort performance of sports garments with objective and subjective measurements[J]. Indian Journal of Fibre and Textile Research, 2012, 37(1): 46-54.
[36] WANG Y X, XU N, LI D Y, et al. Thermal properties of two dimensional layered materials[J]. Advanced Functional Materials, 2017, 27(19): 1604134.
[37] KUANG Z Q, CHEN Y L, LU Y L, et al. Fabrication of highly oriented hexagonal boron nitride nanosheet/elastomer nanocomposites with high thermal conductivity[J]. Small, 2015,11(14):1655-1659.
[38] SONG W L, WANG P, CAO L, et al. Polymer/Boron nitride nanocomposite materials for superior thermal transport performance[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(26): 6498-6501.
[39] LIN Y, CONNELL J W. Advances in 2D boron nitride nanostructures: Nanosheets, nanoribbons, nanomeshes, and hybrids with graphene[J]. Nanoscale, 2012, 4(22): 6908-6939.
[40] KHAN U, MAY P, O’NEILL A, et al. Polymer reinforcement using liquid-exfoliated boron nitride nanosheets[J]. Nanoscale, 2013, 5(2): 581-587.
[41] XU J, SONG J. Shape memory polymers for biomedical applications[M]. Woodhead Publishing, 2015: 197-217.
[42] ZAREK M, LAYANI M, COOPERSTEIN I. 3D printing of shape memory polymers for flexible electronic devices[J]. Advanced Materials, 2016, 28(22): 4449-4454.
[43] YANG H, LEOW W R, CHEN X. 3D Printing of Flexible Electronic Devices[J]. Small Methods, 2018, 2(1): 1700259.
[44] 闫春泽,郎美东,连芩,等.3D打印聚合物材料[M].北京:化学工业出版社,2020:1-7.
[45] 陈继民,杨继全,李涤尘,等.3D打印技术概论[M].北京:化学工业出版社,2020:13-37.
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