3D-Textilien: Die Tiefe umarmen

Da sich fortschrittliche Technologien aus alten Textilmethoden weiterentwickeln, eröffnet sich ein breiteres Spektrum an Möglichkeiten.

Von Jim Kaufmann, Technischer Redakteur

Wer sich flüchtig mit der faszinierenden Welt der 3D-Textilien befasst, wird feststellen, dass es sich bei der Branche um einen eher nebulösen Begriff handelt, der zu unzähligen unterschiedlichen Wegen und einer Vielzahl von Möglichkeiten führt. Eine schnelle Google-Suche nach 3D-Stoffen beispielsweise führt zu etwa 325 Millionen Treffern, darunter 3D-Versionen von allem, von traditionellen Web- und Strickwaren bis hin zu Vliesstoffen und nicht-traditionellen Drucken, ganz zu schweigen von einer exponentiell vielfältigen Liste von Anwendungen, von denen einige offensichtlich sind und andere weniger. Ein unmittelbarer Gedanke im Zusammenhang mit diesem wachsenden Interesse ist, dass Ingenieure sich mit 3D-Textilien in dynamischen, leistungsbasierten Anwendungen endlich deutlich wohler fühlen und diese akzeptieren. Gleichzeitig werden Produktdesigner immer geschickter darin, Stoffe oder besser gesagt Fasermaterialien zu entwerfen, die diese spezifischen technischen, visuellen und/oder taktilen Anforderungen erfüllen.

Vielseitigkeit und klar definierte Leistungsmerkmale sind nach wie vor die Hauptgründe für das Interesse an 3D-Textilien. Angesichts der Tatsache, dass praktisch alle Textilherstellungstechnologien auf irgendeine Weise angepasst oder modifiziert werden können, um 3D-Textilien herzustellen, ist die Bandbreite der Anwendungen wirklich nahezu unbegrenzt.

3D-Weben und 3D-Flechtverfahren erfreuen sich weiterhin großer Beliebtheit und finden vor allem im Verbundwerkstoffbereich Anwendung, wo der Schwerpunkt weiterhin auf dem Ersatz von Stahl liegt, um eine Gewichtsreduzierung zu erreichen. Dr. Keith Sharp, neuer Produktentwicklungsmanager für 3D-Weberei bei Tex Tech Industries mit Sitz in Portland, Maine, sagt: „3D-Gewebe in Verbundwerkstoffen eignen sich perfekt als Ersatz für Stahl. Sie können Knüppel oder nahezu endförmige Vorformen weben, die geformt werden können.“ Anspruchsvolle Formen mit komplizierten Designs, die nicht nur Gewicht, sondern auch Arbeitsaufwand bei der Herstellung sparen und möglicherweise auch die langfristige Zuverlässigkeit erhöhen. Es gibt mittlerweile viele Anwendungen, aber die LEAP-Lüfterblätter für Strahltriebwerke, die Albany International in 3D webt, sind wahrscheinlich das beste Beispiel dafür Das."

Die Fähigkeit, die Faserplatzierung zu steuern und Garnwege anzupassen, um spezifische Leistungsprofile zu erreichen, spiegelt sich auch im LEAP-Engine-Modul wider. Laut der Website von Albany International bietet LEAP die folgenden Vorteile:

Das Interesse an 3D-gewebten Verbundwerkstoffen treibt neue Geräteinnovationen voran, da Maschinenhersteller immer aktiver im 3D-Sektor werden. In der Vergangenheit handelte es sich bei 3D-Webmaschinen entweder um stark modifizierte Versionen herkömmlicher 2D-Webmaschinen oder um speziell angefertigte Einzelstücke mit Blick auf bestimmte Produktkonzepte. In den letzten Jahren hat die in der Schweiz ansässige Stäubli-Gruppe, die für ihre Jacquard-Kettenfachkontrollsysteme bekannt ist, ihr technisches Stoffwebsystem eingeführt – eine Hochleistungswebmaschine mit modularem Design, die bei Kombination mit ihren Jacquard- oder Unival-Kettfachkontrollsystemen funktioniert Systeme bietet eine unglaubliche Flexibilität beim Produktdesign sowie die Fertigungskapazität für die Herstellung.

Um nicht zu übertreffen, hat das in Deutschland ansässige Unternehmen Lindauer Dornier – weithin bekannt für die Herstellung von Webmaschinen für technische, industrielle und leistungsstarke Stoffe – kürzlich eine Produktkollektion eingeführt, die direkt auf die Verbundwerkstoffindustrie ausgerichtet ist. Zu seinen Verbundwerkstoffsystemen gehört jetzt eine Maschine, die speziell für das Weben von 3D-Vorformlingen entwickelt wurde. Die Suite umfasst außerdem eine unidirektionale Spread-Tow-Bandlinie und Maschinen speziell zum Weben von Rovings und Spread-Tow-Bändern.

Aktuelle Artikel auf den Websites Gizmodo.com und ZDnet.com sind hervorragende Beispiele dafür, wie wirkungsvoll 3D-Textilien geworden sind. Der erste Artikel auf Gizmodo von Julian Goldman verkündet: „Die Zukunft ist Stricken: Warum die alte Kunst des Strickens wieder High-Tech ist.“ Der zweite Artikel auf ZDnet von Greg Nichols wirbt mit „Die High-Tech-Wissenschaft hinter dem 3D-Stricken (ja, Stricken!)“. Beide Artikel konzentrieren sich auf das Aufkommen des 3D- oder Formschussstrickens und die Kontrolle der Dimensionalität, die in Strickstrukturen zu finden ist, aber nicht in gewebten Stoffen enthalten ist, sowie auf Verbesserungen an der Benutzeroberfläche, die zu effektiveren und effizienteren Strickproduktdesigns führen. 3D-Stricken bietet nicht nur Aspekte des Produktdesigns – Sie programmieren die Maschine, laden das Garn und fertig ist ein vollständiges Kleidungsstück – es bietet auch die Möglichkeit, tragbare Elektronik in fertige Strickprodukte zu integrieren, von denen einige bereits auf den Markt gekommen sind. Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA) mit Sitz in Cambridge, Massachusetts, ein gemeinnütziges Institut mit Hauptsitz in der Nähe des Massachusetts Institute of Technology (MIT), wurde mit Bundesmitteln gegründet, um den Einsatz von Textiltechnologien in integrierten und vernetzten Geräten und Systemen voranzutreiben. Im Rahmen dieser Bemühungen konzentriert sich AFFOA auf die Wirksamkeit des 3D-Strickens zur Schaffung komplexer Formen. Yoel Fink, CEO der AFFOA und Professor für Materialwissenschaften und Elektrotechnik am MIT, wurde in Goldmans Artikel mit den Worten zitiert: „Sie werden nicht mehr für das Hemd bezahlen. Sie werden für das bezahlen, was dieses Hemd für Sie tut.“ . Du bezahlst den Service und bekommst den Stoff.“ Sicherlich eine andere Sichtweise auf Textilien der Zukunft.

Um nicht von ihrem Cousin aus der Schusswirkerei übertroffen zu werden, entwickeln Hersteller von 3D-Kettengewirke-Abstandsgewirken, darunter Gehring Textiles Corp. mit Sitz in Hauppauge, New York, und Apex Mills, Inwood, New York, die Vielseitigkeit der Technologie auf neue und aufregende Weise für Anwendungen von der Mode bis hin zur Mode weiter B. für Sitzmöbel und Bettwaren, sowie für andere Bereiche, in denen Anpassungsfähigkeit, das Füllen von Hohlräumen, eine Erhöhung des Luftstroms und zusätzliche technische Parameter weiterhin wünschenswert sind.

Im Großen und Ganzen kann man, zumindest aus textiler Sicht, argumentieren, dass der 3D-Druck – der in vielen Bereichen immer mehr Interesse und Aufmerksamkeit erregt – im Wesentlichen eine präzisere Version von Spinnvliesstoffen ist, bei denen Polymer auf ein Sammelband extrudiert wird oder Plattform, wo es sich miteinander verbindet und eine definierte Struktur schafft. Der einzige wirkliche Unterschied besteht darin, dass Spinnvliese typischerweise eine zufällige Ausrichtung und ein zufälliges Bindungsmuster aufweisen, während 3D-Drucke in präzisen Schichten an bestimmten Stellen extrudiert werden. Aber unabhängig davon, ob Sie glauben, dass der 3D-Druck eine Erweiterung der Textilherstellungsmethoden ist oder nicht, hat er sich in den letzten Jahren zweifellos zur IT-Technologie und zum Medienliebling entwickelt.

Ursprünglich wurde der 3D-Druck von vielen als Möglichkeit angesehen, unglaublich komplizierte Formen und neuartige Spielereien zu schaffen. Heute wird er als Lösung für praktisch jede Fertigungsmöglichkeit oder jedes Manko prophezeit. Die Wahrnehmung oder vielleicht auch die Bedeutung des 3D-Drucks besteht darin, dass er im wahrsten Sinne des Wortes zu implizieren scheint, dass der 3D-Druck es schaffen kann, wenn man es sich vorstellen kann. Der 3D-Druck fand zunächst Akzeptanz im Rapid Prototyping, wo detaillierte und anspruchsvolle Einzelstücke hergestellt, Konzepte erforscht und Theorien bewertet werden konnten. Mit dem Fortschreiten der Technologie und dem zunehmenden Interesse wurden neue und fortschrittliche Polymersysteme entwickelt, die Variationen zum Drucken von „Metallen“ umfassen, indem sie faserige Medien als Verstärkungen hinzufügen und die Schicht-zu-Schicht-Integrität der 3D-gedruckten Struktur verbessern. In Verbindung mit Fortschritten bei den verwendeten Medien oder Eingaben haben sich auch Größe, Umfang, Komplexität und Konsistenz von 3D-Druckern erheblich verbessert. In den letzten Jahren haben sich 3D-Drucker von hauptsächlich Desktop-Modellen, die höchstens ein kubikfußgroßes Stück produzieren können – immer noch eine Kernkompetenz –, zu Metall-3D-Druckern in der Größe eines Busses entwickelt, mit dem Potenzial für noch größere Versionen in Kürze aus.

Der 3D-Druck wird heute als gültige Fertigungstechnologie angesehen, insbesondere dort, wo Massenanpassung bevorzugt wird oder für Produkte, die übermäßig komplex sind und deren Prozessfähigkeit durch herkömmliche Fertigungsmethoden eingeschränkt oder eingeschränkt wird. Die Vorteile liegen weiterhin in den Produktdesignmöglichkeiten, die auf eine Vereinfachung der Gesamtfertigung komplexer Teile, eine Verkürzung der Produktionszeit und eine Reduzierung des Arbeitsaufwands ausgerichtet sind. In Kombination mit der relativ geringen benötigten Stellfläche und der zunehmenden Zuverlässigkeit der Inputs und daraus resultierenden Produkte bietet dies enorme Möglichkeiten, Ersatzteile im eigenen Haus zu erzeugen, anstatt sich mit OEMs und Teilelieferanten befassen zu müssen, insbesondere in schwer erreichbaren Gebieten, selbst bei Nachtlieferdiensten. wie Hochseeschiffe oder sogar zukünftige Raumfahrer.

Da die Technologie immer weiter voranschreitet und sich auf kostengünstigere Produktionen in größerem Maßstab ausweitet, werden die potenziellen Anwendungen weiterhin exponentiell zunehmen. Leider gibt es hier nicht genügend Platz, um diese Anwendungen zu diskutieren, da sich eine noch faszinierendere neue Kategorie am Horizont abzeichnet.

Bei der Recherche für diesen Artikel fragte ein langjähriger Freund Dr. Chris Pastore, Professor für Transdisziplinäre Studien an der Jefferson University und Fulbright-Spezialist: „Warum nehmen Sie in diesem Update keine 4D-Textilien auf?“ Forscher unter anderem an Orten wie dem MIT, Harvard, der Aachen University und der Jefferson University erforschen die Möglichkeit, Textilien und andere programmierbare Materialien auf erstaunliche Weise mit dem 3D-Druck zu kombinieren. Der Begriff 4D-Druck soll vor einigen Jahren von Skyler Tibbits, Direktor des Self-Assembly Lab am MIT und Absolventen der Jefferson University, geprägt worden sein, indem er für diese Strukturen die Dimension der Zeit mit der von Länge, Breite und Tiefe verknüpfte.

Wie Dr. Pastore erklärte: „Wäre es nicht interessant, die Flexibilität und Elastizität textiler Materialien mit den starren Polymerstrukturen des 3D-Drucks zu kombinieren, um Systeme zu schaffen, die sich durch Zugabe von Wärme oder einem anderen Aktuator umwandeln? -dimensionale Strukturen in komplexe dreidimensionale Strukturen umwandeln? Oder wenn Sie Formgedächtnispolymere in die 3D-Druckstruktur einbauen, ist es möglich, dass das Objekt bei Aktivierung eine völlig andere Konfiguration erhält. Denken Sie an die Möglichkeit, flache Textilien zu verwenden Dann drucken Sie in 3D ein Gitter darüber, das dann später aktiviert werden kann. Zu einem späteren Zeitpunkt bringen Sie einen Aktuator an der flachen Konfiguration an und dieser entfaltet sich von selbst in ein Zelt. Wenn Sie darüber nachdenken, ist das Potenzial für 4D-Textilien enorm! "

Ja, dieses Konzept könnte dazu führen, dass man etwas zu viel nachdenkt, aber auf YouTube sind einige interessante Videobeispiele zu finden, die zeigen, wie flache 3D-gedruckte Strukturen eine andere Form annehmen. Das berühmteste dieser Videos zeigt eine scheinbar gerade Linie aus Polymer, die sich auf magische Weise in die Initialen MIT verwandelt.

Während 4D-Textilien noch in den Kinderschuhen stecken, sind sie ein weiterer Beweis dafür, dass 3D-Textilien tatsächlich eine große Chance für diejenigen darstellen, die über ein wenig Vorstellungskraft und einige Kenntnisse der alten, aber sich ständig weiterentwickelnden Technologie namens Textilien verfügen.

September/Oktober 2018