Jak wykorzystać druk 4D do tworzenia inteligentnych produktów tekstylnych

Katarina Winands z ITA Institut für Textiltechnik na Uniwersytecie RWTH w Aachen wyjaśnia, w jaki sposób modelowanie osadzania stopionego może stworzyć „inteligentne” tekstylia.

Świat tekstyliów szybko się zmienia. W niedalekiej przyszłości elastyczna technologia może stworzyć „inteligentne” tekstylia, które będą miały rewolucyjne i dalekosiężne zastosowania w wielu różnych sektorach.

Współczesne życie oznacza ciągłe zapotrzebowanie na nowe produkty, ponieważ potrzeby ludzkie stale się zmieniają. Ważne jest jednak również ograniczenie zużycia materiałów i odpadów. Niemniej jednak konflikt ten można rozwiązać, tworząc elastyczne materiały, które mogą spełniać wiele funkcji. W przypadku tekstyliów kluczową technologią, którą można zastosować w tym celu, jest produkcja przyrostowa.

Elastyczna elektronika może obejmować technologię touchpadów, paneli słonecznych i wyświetlaczy, a w przypadku tekstyliów elastyczna technologia może zaowocować obwodami drukowanymi w tkaninie, tekstylnymi systemami czujników i powierzchniami funkcjonalnymi.

Elastyczna elektronika

Coraz więcej osób zdaje sobie sprawę z potencjału elastycznej elektroniki. Oczekuje się, że wielkość światowego rynku elastycznej i drukowanej elektroniki znacznie wzrośnie, z 15 miliardów euro w 2020 r. do około 50 miliardów euro do 2030 r., przy czym Europa stanie się jednym z najszybciej rozwijających się rynków. Elastyczna technologia elektroniczna może zrewolucjonizować sektory, w tym opiekę zdrowotną, mobilność osobistą i inżynierię lądową, żeby wymienić tylko trzy.

Niemniej jednak istnieje wiele wyzwań, które wstrzymują rozwój inteligentnych tekstyliów. Na przykład używane akumulatory muszą spełniać niezbędne wymagania dotyczące zasilania, być elastyczne, lekkie i nadawać się do prania. Produkty muszą być wytwarzane w możliwie najbardziej zrównoważony sposób, zmaksymalizowaną żywotnością i minimalizującą ilość odpadów. Istnieją również wyzwania materialne – na przykład tkaniny muszą być w stanie wytrzymać naprężenia mechaniczne podczas prania i prasowania, a także rozciąganie i ścieranie oraz nadawać się do standaryzowanej, zautomatyzowanej produkcji.

Koncepcja funkcjonalna projektowania tekstyliów 4D

ITA Institut für Textiltechnik Uniwersytetu RWTH w Aachen tworzy linię produkcyjną typu „roll-to-roll” do skalowalnej i elastycznej produkcji inteligentnych tekstyliów, opracowaną we współpracy z Asys Systems GmbH. Linia produkcyjna umożliwia seryjną produkcję inteligentnych tekstyliów metodą sitodruku i pick-and-place. Co więcej, jego modułowa konstrukcja umożliwia integrację przyszłych modułów produkcyjnych.

Celem jest stworzenie najnowocześniejszej mikrofabryki do prototypowania i projektowania, a także zaoferowania przyszłościowej fabryki uczenia się w prawdziwym życiu. W tym celu stosuje się różnorodne technologie – na przykład sitodruk, pick-and-place oraz rozpoznawanie optyczne, a także drukowanie na dozownikach za pomocą robotów współpracujących.

Witamy w czwartym wymiarze

„Inteligentne” tekstylia opracowywane na Uniwersytecie w Aachen nie są elektroniczne, ale zamiast tego mogą zmieniać swój kształt, funkcję i wygląd. Znane jako tekstylia „4D” mogą dostosowywać się do użytkowników i środowiska poprzez złożoną interakcję między materiałami hybrydowymi oraz poprzez wykorzystanie bodźców zewnętrznych. Dzięki temu umożliwiają swobodę projektowania, można je dostosować do indywidualnych potrzeb i zmniejszają zużycie materiałów. Możliwe obszary zastosowania to towary konsumpcyjne, wnętrza pojazdów, fasady tekstylne i technologia medyczna.

Tkaniny 4D powstają poprzez drukowanie 3D materiałów polimerowych na wstępnie naprężonych tekstyliach. Drukując na wstępnie naprężonej tkaninie, stan rozciągnięcia zostaje utrwalony w punktach drukowania. Podłoże tekstylne może mechanicznie magazynować energię wytworzoną podczas sprężania. Zmagazynowaną energię można wykorzystać do ukierunkowanej transformacji.

Zautomatyzowana linia do produkcji tekstyliów

Uwalniając zmagazynowaną energię, struktura dwuwymiarowa staje się strukturą trójwymiarową o zachowaniu bistabilnym. W tym przypadku stany stabilne to dwie różne trójwymiarowe formy konstrukcji. Przejście między stanami stabilnymi może być aktywowane przez bodźce zewnętrzne, takie jak ciepło, prąd lub wilgoć. Może to prowadzić do zmiany funkcji.

We współpracy ze Schneider Technologies ITA Institut für Textiltechnik Uniwersytetu RWTH w Aachen opracowuje obecnie wielkoformatową drukarkę 4D-TexPrint 1.0. Ta drukarka jest drukarką tekstylną zaprojektowaną specjalnie do drukowania 3D na wstępnie naprężonych tekstyliach o obszarze drukowania 1 m na 1 m. Drukarka przeznaczona jest do podawania tekstyliów na rolkach, co eliminuje konieczność cięcia przed procesem drukowania. Efektem procesu są wielkopowierzchniowe, programowalne struktury tekstylne 4D, które dają nieograniczone możliwości innowacyjne, jak choćby wspomniane wcześniej elewacje tekstylne.