Hur man använder 4D-utskrift för att skapa smarta textilprodukter

Katarina Winands från ITA Institut für Textiltechnik vid RWTH Aachen University förklarar hur fused deposition modellering kan skapa "smarta" textilier.

Textilvärlden förändras snabbt. I en inte så avlägsen framtid kan flexibel teknik skapa "smarta" textilier, som kan ha revolutionerande och långtgående tillämpningar inom en mängd olika sektorer.

Det moderna livet innebär att nya produkter ständigt krävs eftersom mänskliga behov ständigt förändras. Men det är också viktigt att minska materialåtgång och avfall. Ändå kan denna konflikt lösas genom att skapa anpassningsbara material som kan fylla flera funktioner. När det gäller textilier är additiv tillverkning en nyckelteknologi som kan användas för att åstadkomma detta.

Flexibel elektronik kan inkludera pekplatta, solpanel och displayteknik – när det gäller textilier kan flexibel teknik resultera i mönsterkort i tyg, textila sensorsystem och funktionaliserade ytor.

Flexibel elektronik

Fler och fler människor blir medvetna om potentialen med flexibel elektronik. Storleken på den globala marknaden för flexibla och tryckta elektronik förväntas växa kraftigt, från 15 miljarder euro 2020 till uppskattningsvis 50 miljarder euro år 2030, med Europa som kommer att vara en av de snabbast växande marknaderna. Flexibel elektronisk teknik kan revolutionera sektorer inklusive hälso- och sjukvård, personlig rörlighet och civilingenjör för att bara nämna tre.

Ändå finns det många utmaningar som håller tillbaka utvecklingen av smarta textilier. Till exempel måste batterierna som används uppfylla nödvändiga effektkrav och vara flexibla, lätta och tvättbara. Produkter måste göras så hållbara som möjligt, med maximerad livslängd och resultera i minimalt avfall. Det finns också materiella utmaningar – tygerna ska till exempel kunna motstå de mekaniska påfrestningarna från tvätt och strykning samt töjning och nötning och passa för standardiserad, automatiserad produktion.

Funktionellt koncept för 4D-textildesign

ITA Institut für Textiltechnik vid RWTH Aachen University skapar en roll-to-roll produktionslinje för skalbar och flexibel tillverkning av smarta textilier, utvecklad i samarbete med Asys Systems GmbH. Produktionslinjen möjliggör serietillverkning av smarta textilier med screentryck och pick-and-place-processer. Dessutom gör dess modulära design det möjligt att integrera framtida produktionsmoduler.

Syftet är att skapa en toppmodern mikrofabrik för prototypframställning och design samt att erbjuda en framtida lärandefabrik i verkligheten. För att göra detta används en mängd olika tekniker – till exempel screentryck och pick-and-place plus optisk igenkänning och dispenserutskrift med kollaborativa robotar.

Välkommen till den fjärde dimensionen

De "smarta" textilierna som utvecklas vid Aachen University är inte elektroniska utan kan istället ändra form, funktion och utseende. Kända som "4D"-textilier kan de anpassa sig till användare och miljön via den komplexa interaktionen mellan hybridmaterial och genom användning av yttre stimuli. Som ett resultat möjliggör de designfrihet, är anpassningsbara och minskar materialförbrukningen. Möjliga användningsområden är konsumentvaror, fordonsinredningar, textila fasader och medicinteknik.

4D-textilier skapas genom 3D-utskrift av polymermaterial på förspända textilier. Genom att trycka på den förspända textilen fixeras det sträckta tillståndet vid tryckpunkterna. Textilsubstratet kan mekaniskt lagra energin som skapas av förspänningen. Denna lagrade energi kan användas för en riktad omvandling.

Automatiserad textilproduktionslinje

Genom att frigöra den lagrade energin blir en tvådimensionell struktur en tredimensionell struktur med bistabilt beteende. I detta fall är de stabila tillstånden två olika tredimensionella former av strukturen. Förändringen mellan de stabila tillstånden kan aktiveras av yttre stimuli som värme, elektricitet eller fukt. Detta kan leda till en funktionsförändring.

Tillsammans med Schneider Technologies utvecklar ITA Institut für Textiltechnik vid RWTH Aachen University just nu storformatsskrivaren 4D-TexPrint 1.0. Denna skrivare är en textilskrivare speciellt designad för 3D-utskrift på förspända textilier med en utskriftsyta på 1m gånger 1m. Skrivaren är designad för att mata textilen på rullar, vilket eliminerar behovet av skärning före utskriftsprocessen. Resultatet av processen är programmerbara textila 4D-strukturer med stor yta, som möjliggör obegränsade innovationsmöjligheter, såsom de textila fasaderna som nämnts tidigare.