كيفية استخدام الطباعة رباعية الأبعاد لإنشاء منتجات منسوجات ذكية

تشرح كاتارينا ويناندز من معهد ITA لتقنية المنسوجات بجامعة RWTH Aachen كيف يمكن لنمذجة الترسيب المنصهر أن تنتج منسوجات "ذكية".

عالم المنسوجات يتغير بسرعة. وفي المستقبل غير البعيد، يمكن للتكنولوجيا المرنة أن تنتج منسوجات "ذكية"، والتي يمكن أن يكون لها تطبيقات ثورية وبعيدة المدى في مجموعة واسعة من القطاعات.

تعني الحياة الحديثة أن المنتجات الجديدة مطلوبة باستمرار حيث أن احتياجات الإنسان تتغير باستمرار. ومع ذلك، من المهم أيضًا تقليل استهلاك المواد والنفايات. ومع ذلك، يمكن حل هذا الصراع من خلال إنشاء مواد قابلة للتكيف يمكنها أداء وظائف متعددة. وفي حالة المنسوجات، يعد التصنيع الإضافي تقنية رئيسية يمكن استخدامها لتحقيق ذلك.

يمكن أن تشمل الإلكترونيات المرنة لوحة اللمس، والألواح الشمسية، وتكنولوجيا العرض - فيما يتعلق بالمنسوجات، يمكن أن تؤدي التكنولوجيا المرنة إلى لوحات دوائر مطبوعة من القماش، وأنظمة استشعار للنسيج، وأسطح وظيفية.

الالكترونيات المرنة

أصبح المزيد والمزيد من الناس يدركون إمكانات الإلكترونيات المرنة. من المتوقع أن ينمو حجم سوق الإلكترونيات المرنة والمطبوعة العالمية بشكل كبير، من 15 مليار يورو في عام 2020 إلى ما يقدر بـ 50 مليار يورو بحلول عام 2030، ومن المتوقع أن تكون أوروبا واحدة من أسرع الأسواق نموًا. يمكن للتكنولوجيا الإلكترونية المرنة أن تحدث ثورة في قطاعات تشمل الرعاية الصحية، والتنقل الشخصي، والهندسة المدنية على سبيل المثال لا الحصر.

ومع ذلك، هناك العديد من التحديات التي تعيق تطوير المنسوجات الذكية. على سبيل المثال، يجب أن تلبي البطاريات المستخدمة متطلبات الطاقة اللازمة وأن تكون مرنة وخفيفة الوزن وقابلة للغسل. يجب أن تكون المنتجات مستدامة قدر الإمكان، مع زيادة العمر الافتراضي إلى الحد الأقصى مما يؤدي إلى الحد الأدنى من النفايات. هناك أيضًا تحديات مادية - على سبيل المثال، يجب أن تكون الأقمشة قادرة على مقاومة الضغوط الميكانيكية للغسيل والكي بالإضافة إلى التمدد والتآكل، وأن تكون مناسبة للإنتاج الآلي الموحد.

المفهوم الوظيفي لتصميم المنسوجات رباعية الأبعاد

يقوم معهد ITA für Textiltechnik التابع لجامعة RWTH Aachen بإنشاء خط إنتاج قابل للتطوير ومرن للمنسوجات الذكية، تم تطويره بالتعاون مع Asys Systems GmbH. يتيح خط الإنتاج تصنيع سلسلة من المنسوجات الذكية باستخدام طباعة الشاشة وعمليات الانتقاء والمكان. علاوة على ذلك، فإن تصميمها المعياري يتيح دمج وحدات الإنتاج المستقبلية.

الهدف هو إنشاء مصنع صغير متطور للنماذج الأولية والتصميم بالإضافة إلى تقديم مصنع تعليمي واقعي للمستقبل. وللقيام بذلك، يتم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات - على سبيل المثال، طباعة الشاشة والاختيار والمكان بالإضافة إلى التعرف البصري، والطباعة الموزعة باستخدام الروبوتات التعاونية.

مرحبا بكم في البعد الرابع

المنسوجات "الذكية" التي يتم تطويرها في جامعة آخن ليست إلكترونية، ولكنها بدلاً من ذلك يمكنها تغيير شكلها ووظيفتها ومظهرها. تُعرف هذه المنسوجات باسم "4D"، ويمكنها التكيف مع المستخدمين والبيئة من خلال التفاعل المعقد بين المواد الهجينة ومن خلال استخدام المحفزات الخارجية. ونتيجة لذلك، فهي تتيح حرية التصميم، كما أنها قابلة للتخصيص وتقلل من استهلاك المواد. مجالات التطبيق المحتملة هي السلع الاستهلاكية، والديكور الداخلي للمركبات، وواجهات النسيج، والتكنولوجيا الطبية.

يتم إنشاء المنسوجات رباعية الأبعاد من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد لمواد البوليمر على المنسوجات سابقة الإجهاد. من خلال الطباعة على المنسوجات سابقة الإجهاد، يتم تثبيت حالة التمدد عند نقاط الطباعة. يمكن للركيزة النسيجية تخزين الطاقة الناتجة عن الإجهاد المسبق ميكانيكيًا. يمكن استخدام هذه الطاقة المخزنة في التحول المستهدف.

خط إنتاج المنسوجات الآلي

ومن خلال إطلاق الطاقة المخزنة، يصبح الهيكل ثنائي الأبعاد هيكلًا ثلاثي الأبعاد ذو سلوك ثنائي الاستقرار. في هذه الحالة، تكون الحالات المستقرة شكلين مختلفين ثلاثي الأبعاد للهيكل. يمكن تنشيط التغيير بين الحالات المستقرة عن طريق المحفزات الخارجية مثل الحرارة أو الكهرباء أو الرطوبة. هذا يمكن أن يؤدي إلى تغيير في الوظيفة.

بالتعاون مع شركة شنايدر تكنولوجيز، يقوم معهد ITA للمنسوجات التابع لجامعة RWTH Aachen حاليًا بتطوير الطابعة كبيرة الحجم 4D-TexPrint 1.0. هذه الطابعة عبارة عن طابعة منسوجات مصممة خصيصًا للطباعة ثلاثية الأبعاد على المنسوجات سابقة الإجهاد بمساحة طباعة تبلغ 1 م × 1 م. تم تصميم الطابعة لتغذية النسيج على شكل لفات، مما يلغي الحاجة إلى القطع قبل عملية الطباعة. نتائج هذه العملية هي هياكل نسيجية رباعية الأبعاد قابلة للبرمجة بمساحة كبيرة، والتي تتيح إمكانيات ابتكار غير محدودة، مثل واجهات النسيج المذكورة سابقًا.