繊維の付加製造 - 3D プリントから 4D プリントまでの革新的な研究

出典：「シルク」2024年、第61巻、第10号著者：李帥著者プロフィール：李帥（1989-）、女性、博士課程学生、講師、主にスマート服装と3Dプリント、民族服装文化の研究に従事。

繊維は、日常の衣類から家庭用繊維、医療・健康製品の防護服から有人宇宙船の宇宙服まで、日常生活のあらゆる側面に関わっています。繊維は人間の基本的なニーズを満たすことから始まり、発展を続けてきました。繊維産業の持続的な発展の重要な原動力の一つは、繊維の機能向上への絶え間ない追求です。通常の繊維製品であれ、スマート繊維製品であれ、それらはすべて物理的、化学的、機械的特性の独特な組み合わせを持ち、柔軟性、通気性、吸湿性、耐摩耗性など多くの共通の属性を持っています。したがって、新しい繊維製造方法を開発する際の大きな課題は、製造された繊維が基本的な「繊維」特性を備えていることをどのように保証するかということです。先進的な製造方法として、積層造形と繊維の融合は 20 世紀後半にまで遡ります。当初は実験段階にあり、主に試作に使用されていました。近年、高級スポーツシューズやオーダーメイドの衣料品など、ファッション分野の小ロット生産において繊維の積層造形が活用され始めています。新しい技術と新しい材料の開発により、繊維の付加製造の応用分野はバイオメディカル、ソフトロボット、航空宇宙、軍事などの多くの分野に広がり続けています。

繊維の付加製造とは、付加製造技術と材料を使用して繊維構造を製造したり、繊維と組み合わせて新しい製品を製造したりすることを指します[1]。従来のアイソクラティック製造やサブトラクティブ製造とは異なり、積層造形はコンピューターで3次元デジタルモデルを作成し、そのデジタルモデルをスライスし、印刷装置を使用して粉末、フィラメント、液体などのさまざまな形状の材料を層ごとに積み重ねて3次元オブジェクトを形成するプロセスです[2]。繊維分野での付加製造技術の使用には多くの利点があります。従来の繊維製造における複数の機械と複数のステップの複雑なプロセスと比較して、付加製造では繊維を一度で形成できるため、生産効率と資源利用率が大幅に向上します。また、ユーザーのニーズに応じてカスタマイズすることも可能で、個人のニーズにより適したテキスタイルをユーザーに提供します。さらに、積層造形法では多種多様な材料を使用します。デザイナーは、必要な製品に応じて適切な印刷装置と印刷材料を選択し、さまざまな複雑な構造の織物を迅速に製造できるため、織物の革新的なデザインの可能性が広がります。初期の積層造形技術は、主に一般的な織物の製造に使用され、通常は伝統的な織物の構造や形状を模倣することに重点を置いていました。印刷技術とスマート材料の発展と応用により、付加製造は徐々にスマートテキスタイルの分野に拡大しています。重要な研究分野として、繊維付加製造は伝統的な繊維産業をハイエンドかつインテリジェントな発展へと推進し、業界の競争力と革新能力を向上させています。この記事では、3D プリントから 4D プリントへの進化について簡単に概説し、繊維付加製造の技術タイプ、材料、プロセスフローをまとめ、さらに繊維付加製造の設計と製造のアイデアを探り、繊維の効率的な製造と多様なイノベーションの参考となることを目指します。

1 3Dプリントから4Dプリントへの進化

積層造形は主に 3D 印刷技術の応用に焦点を当てているため、積層造形は現在一般的に 3D 印刷と呼ばれています。実際、3D 印刷は積層造形技術の 1 つのタイプにすぎません。 3D プリント技術のアイデアは 19 世紀後半にはすでに芽生えていましたが、さまざまな主流の技術が徐々に登場したのは 1980 年代になってからでした。 1986年、チャック・ハルは、液体フォトポリマーをレーザーで固化させて層ごとに3次元オブジェクトを作成する技術であるステレオリソグラフィーアピアランス（SLA）を発明しました。この技術の登場により、積層造形技術の基盤が築かれました[3]。 1992年、カール・デッカードはレーザーを使用して粉末材料を融合し、3次元の物体を作成する選択的レーザー焼結（SLS）技術を開発しました[4]。 SLS 技術により、積層造形の適用範囲が広がり、より幅広い材料をカバーできるようになりました。 1993年、スコット・クランプは、熱可塑性材料を層ごとに押し出して3次元物体を作成する技術である熱溶解積層法（FDM）を発明しました[5]。 1995年、Zコーポレーションは最初の商用3DプリンターであるZPrinter[6-7]を発売し、3Dプリンティングを商用分野に導入しました。 2000年以降、3Dプリント技術は製造業で盛んになり始めました[8]。初期の用途は産業界におけるラピッドプロトタイピングに限定されていました[9]。印刷技術と印刷材料の急速な発展により、3Dプリンティングはほぼすべての製造業に普及しました[10]。

2010 年以降、3D プリント技術と繊維産業の組み合わせが広く注目を集め始めました。 3D プリント繊維の用途は、主に 2 つのカテゴリに分けられます。最初のカテゴリーは、織物の統合的な準備と成形です。研究者はコンピューターソフトウェアで織物の構造を設計し、従来のポリマー材料を選択し、印刷プロセスで関連するプロセスパラメータを設定することで、設計から実体までの織物部品の統合的な準備と成形を実現します。例えば、ビークロフト[11]はSLS技術を使用してナイロンPA12粉末を印刷し、糸をループ状に曲げて互いに絡み合わせたニット生地を製造しました。従来のニット生地と同様の柔軟性と延性を持ちながら、ナイロン素材の機械的特性も備えています。積層造形法で製造されるこのタイプの一般的な繊維は、安定した形状と性能を備えた構造部品です。 2 番目のカテゴリーは、繊維材料と構造の統合です。従来の製造方法では、最終製品を形成するために通常、さまざまな材料やコンポーネントを組み合わせる必要がありますが、積層造形技術では、材料を目的の形状に直接印刷できるため、材料と構造の統合を実現できます。例えば、アリゾナ大学電気・コンピュータ工学部のシン・ハオ教授は、かつて3Dプリント技術を使って透明マントを作ったことがある。透明マントは、メタマテリアルの微細構造を変更することで透明効果を実現し、表面に投影された光が反射、屈折、透過しないようにすることで、人間の視覚では見えなくなります。積層造形法で生産されるこのような繊維は機能部品と呼ばれ、その形状、性能、機能は常に安定しています。

4Dプリンティングの概念はTibbits [12]によって最初に提案され、3Dプリンティング技術と密接に関連しています。図 1 に示すように、3D プリンティングと 4D プリンティングは、積層造形分野における異なる段階または進化として考えることができます。 3D プリンティングは 3 次元空間に静的なオブジェクトを作成しますが、4D プリンティングは 3 次元空間に時間次元を追加し、応答性のある材料または構造を使用して、製品が特定の条件下で形状を変更したり特定の機能を実行したりできるようにします。この形状の変化は、温度、圧力、電流、光、湿度などの外部刺激、または内部のプリセットメカニズムによって引き起こされる可能性があります。 4D プリンティングの目標は、よりインテリジェントで、適応性があり、多機能なオブジェクトを作成することです。したがって、4D プリントによって印刷されたオブジェクトはインテリジェントな部品であり、その形状、性能、機能は時間の経過とともに制御可能な方法で変化します。繊維の 3D プリントも、繊維分野で使用されている高度な製造技術です。繊維の 4D プリントとは異なり、3D プリントでは、まず繊維の構造と形状をデジタルでモデル化し、次に適切な印刷技術と材料を選択して物理的に印刷します。しかし、4Dプリンティングはテキスタイルデザインとスマートマテリアルを組み合わせたもので、プリントされた微細構造は、特定の時間と活性化条件下で、事前に設計された軌道に従ってサイズ、形状、または機能を変化させることができます[13]。この動的な変化を成功裏に開発するには、積層造形技術、スマート材料、刺激因子、相互作用メカニズム、数学的モデリングが極めて重要です[14]。中でも、スマート材料と特定の外部刺激に対する堅牢な反応は、4D 印刷技術を進歩させるための重要なパラメータです。適切な4Dプリント材料の選択は、印刷可能性、刺激に対する迅速な反応、およびバイオメディカルアプリケーションに対する生体適合性などの特定の分野における共通の要件を含む3つの原則に基づいています[15-17]。そのため、現在繊維の4Dプリントに使用できる材料としては、形状記憶ポリマー、形状記憶合金、液晶エラストマー、ハイドロゲルなどがある[18-20]。 4D プリント構造の刺激駆動型変形は、外部刺激と内部刺激の 2 つのカテゴリに分けられます。外部刺激には湿度、温度、光、電場、磁場などがあり、内部刺激は主に細胞牽引力である[21]。 4D プリント技術はまだ開発の初期段階にありますが、すでに繊維分野で大きな応用可能性を示しています。

図1 3Dプリントから4Dプリントへの進化
2 繊維の積層造形における技術の種類と材料 さまざまな付加製造技術では、異なる印刷材料と凝固方法が使用されますが、基本的な形成原理は同じです。繊維の 3D プリントでは通常、繊維の基本的な特性を備えた部品を印刷するために、高精度で高解像度の印刷を実現できる柔軟な材料と機器を使用する必要があります。したがって、繊維の基本的な特性により、印刷品質、印刷速度、材料の選択、後処理など、3D 印刷の技術的なタイプに特定の要件が課せられます。 4D 印刷技術では主に 3D 印刷装置が使用されますが、すべての 3D 印刷技術が 4D 印刷テキスタイルに適しているわけではありません。これは、印刷された材料の機能特性と印刷された構造の望ましい作動特性にとって、技術の種類が非常に重要だからです。そのため、現在、繊維製品の 3D プリントや 4D プリントに使用されている積層造形法としては、主に材料押し出し成形、光硬化成形、射出成形、粉末床溶融結合成形などがあります。

材料押し出しは、材料を加熱されたノズルに押し込み、事前に設定されたパスに沿って層ごとに積み重ねてオブジェクトを作成する付加製造プロセスです。適用可能な材料システムの範囲が広く、材料押し出しを実施する方法が多様であるため、材料押し出し成形技術には多くの種類があり、FDM はこのタイプの技術の典型的な代表であり、図 2(a) に示すように、繊維の積層造形でよく使用されます。 FDM システムの全体的な構築原理はシンプルで、印刷プロセスは操作が簡単で、水溶性材料を使用してサポート構造を印刷することで後処理プロセスが簡素化されます。 FDM では、レーザーなどの貴金属部品の代わりにホットメルト押し出しヘッドを使用するため、設備コストやメンテナンスコストも低くなります。しかし、この印刷技術には、成形面が粗い、垂直印刷角度での強度が低いなどの欠点もあります。 FDM 装置の基本原理は、この技術がフィラメント材料を印刷することを決定します。日常の繊維製造で一般的に使用される材料の種類は、主に熱可塑性ポリマーであり、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体 (ABS)、ポリカーボネート (PC)、ポリ乳酸 (PLA)、熱可塑性ポリウレタン (TPU)、ポリアミド (PA) などがあります。熱可塑性ポリマー材料は、繊維製品のFDM印刷に直接使用されるだけでなく、金属粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン、ウール、麻繊維などのナノ材料や天然繊維材料をポリマー材料に加えて、優れた特性を持つ高性能複合材料を形成し、特殊な特性を持つ繊維製品の製造にも使用できます。ダイレクトインクライティング (DIW) は FDM 印刷技術の代替であり、その印刷原理は FDM プロセスの原理に似ています。図2(b)に示すように、コンピュータ制御の機械を使用して、印刷インクが充填されたディスペンサーを動かし、微細構造を層ごとに構築します。しかし、DIW は、オブジェクトの形状と構造が、乾燥や硬化ではなく、ノズルから出たインクのレオロジー特性によって構築されるという点でも FDM とは異なります。 DIWは、感熱性ポリマー、感光性ポリマー、生体適合性ポリマーなどの機能性ポリマー材料など、さまざまな種類のポリマー材料と互換性があり、スマートテキスタイルの製造に使用できます[22]。感熱性ポリマーと感光性ポリマーは、それぞれ温度応答性および光応答性があり、特定の条件下で変形やその他の反応を起こすことができます。生体適合性ポリマーは、生物系（ヒトの組織や細胞など）と接触しても有害な反応（毒性、炎症、免疫拒絶など）を引き起こさないポリマー材料の一種です[23]。例えば、ポリ乳酸グリコール酸共重合体（PLGA）は、乳酸とグリコール酸の共重合によって形成される分解性ポリマーで、外科用縫合糸、薬物送達システム、組織工学用足場などに使用できます[24-25]。
図2 繊維付加製造技術の原理の模式図。光硬化は感光性材料の光重合の原理に基づいており、層ごとに光硬化することで実体を構築します。光硬化の基本原理は、エネルギー光源を使用し、光の下で硬化する感光性材料の特性を利用して、素早く硬化して形成することです。繊維製造で一般的に使用される光硬化技術の種類には、SLA とデジタル光処理 (DLP) があります。 SLA は最も広く使用され、成熟した付加製造技術です。レーザーまたは紫外線を使用して、事前に設定されたスライス情報に従って液体材料を選択的に固化させ、部品の固体の薄い表面を形成します。次に、ワークベンチが層の厚さだけ下降し、液体タンクで材料の層が再コーティングされ、再び固化します。このサイクルは、図 2(c) に示すように、部品全体が印刷されるまで繰り返されます。 SLA 技術は印刷速度が速く、非常に高い精度を実現できます。複雑な形状や小さな構造物の製造に適しており、SLA 技術を使用して印刷された部品の表面品質は高くなります。しかし、SLA 装置と材料のコストは比較的高く、印刷後に部品の表面にある未硬化材料を除去し、部品の強度と耐久性を向上させるために後処理が必要です。繊維の SLA 製造に使用される材料は主に感光性液体材料であり、印刷前に印刷材料の適用性を十分に考慮する必要があります。たとえば、感光性樹脂は織物のSLA印刷によく使用される材料です。高精度、高速硬化、複雑な構造や微細部品の製造に適しているなどの利点があります。しかし、材料コストが高い、耐久性が比較的弱い、保管環境に対する要件が厳しいなどの欠点もあります。これらの材料特性は、織物の精度、品質、機械的特性に直接影響します。さらに、SLAは高靭性と複雑な構造を持つハイドロゲルを印刷することもできます。関連研究では、高性能ハイドロゲルは柔軟なウェアラブルセンサーに大きな応用の可能性があることが示されています[26]。 DLP と SLA はどちらも光硬化の原理に基づく付加製造技術です。両者の違いは光源にあります。 SLA はレーザーを光源として使用し、光線をスキャンすることで樹脂を点ごとに硬化させます。一方、DLP は高解像度のデジタル光プロセッサプロジェクターを使用して層ごとに硬化させ、各層は選択的にマスクされた光源を使用して 1 回ずつ露光されます (図 2(d) を参照)。 DLPは、ポリエチレングリコールジアクリレート（PEGDA）、tert-ブチルアクリレート（TBA）、エチレングリコールジアクリレート（DEGDA）、ポリカプロラクトン（PCL）/ウレイドピリミドン（UPy）などの材料を印刷して、優れた形状記憶性と自己修復特性を備えたスマートテキスタイルを製造できます[27-29]。スマートテキスタイルの DLP 印刷プロセスでは、UV 照射中に吸収される UV エネルギーと光硬化性材料の硬化厚さの関係が非常に重要なパラメータであることに留意する必要があります。

射出成形は、材料の物理的形状に応じて粉末射出成形と液体射出成形に分けられ、その主な違いは、射出材料と射出原理にあります。繊維分野で使用されるスプレー成形技術の種類には、バインダージェッティング (Binder Jetting、BJ) とポリマージェッティング (PolyJet) があります。 BJ は、図 2(e) に示すように、粉末床にバインダーを選択的に噴霧して材料を結合し、3 次元の物体を形成するプロセスです。ホットメルト接着剤、水性接着剤、UV硬化型接着剤などを使用し、アルミ合金、チタン合金、シリコンカーバイド、ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリカーボネートなどの粉末材料を接着し、立体部品を製造します。粉末材料と反応しないバインダーの場合、ポリビニルブチラール樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリカルボシラン、ポリビニルピロリドン、その他のポリマー樹脂などの接着特性を持つ物質を添加することで接着効果が得られます[30]。

BJ では、印刷プロセス中に追加のサポート構造を印刷する必要がありません。結合していない粉末材料を使用して吊り下げ構造をサポートできるため、サポート材料の除去によって生じる構造の複雑さの制限が軽減されます。つまり、BJ では部品の構造設計の自由度が高まります。印刷が完了した後、部品の成形強度を強化し、保存期間を延ばすという目的を達成するために、主に静置、強制硬化、粉末除去、コーティングなどを含むいくつかのフォローアップ処理措置が必要である[30]。 BJは大型・大規模生産に適しており、大量の繊維製品を効率的に生産でき、製造効率を効果的に向上させます。しかし、他の積層造形技術と比較すると、BJ には印刷材料の種類や形成された部品の初期密度に関して一定の制限があります。 PolyJet と BJ は、2 つの異なる付加製造技術です。PolyJet 印刷システムは、主に紫外線光源、印刷部品、材料容器、構築プラットフォームで構成されています。印刷プロセスでは、まず液体材料を押出成形に最適な粘度に加熱し、次にノズルが特定の応答率と速度で液体材料の小さな液滴を指定された場所に噴霧し、次に紫外線を使用して液体材料を硬化させて堆積させ、図 2(f) に示すように 3 次元の物体を形成する必要があります。 PolyJet テクノロジーでは、複数の材料を混合して、グラデーション特性や複合性能を備えた印刷部品を作成できます。たとえば、柔軟な素材と硬い素材を混ぜて、特定の触感と機械的特性を持つ繊維を作ることができます。 PolyJet では、同じ印刷プロセスで色と素材の多様性も実現し、複雑な色と質感を持つ織物を作成できます。テキスタイルのポリジェット印刷は、高精度、マルチマテリアル、マルチカラー印刷という利点がありますが、材料コストの高さ、印刷サイズの制限、後処理の必要性などの制限要因を考慮する必要があります。

粉末床溶融結合の代表的な技術は SLS です。レーザーと粉末の相互作用を利用して層を形成する積層造形技術です。 SLS 成形の原理は、まず印刷プラットフォーム上に粉末材料の薄い層を置き、次にレーザービームの照射によって粉末材料を局所的に融点以上に加熱し、粉末材料を溶かして下の固体層と結合させることです。次に、印刷プラットフォームが 1 層下降し、別の層の粉末材料が敷かれ、上記の加熱および結合プロセスが繰り返されます。粉末材料を層ごとに積み重ねて溶融することで、最終的に図2(g)に示すように目的の物体が形成されます。繊維製品のSLS印刷のプロセスは、主に予熱、成形、冷却の3段階に分かれています[31]。印刷を開始する前に、成形キャビティ内の粉末材料を予熱し、予熱温度の粉末を周期的に敷き詰めてレーザースキャンする必要があります。印刷後、粉末ベッドが完全に冷却された後にのみ部品を取り出すことができます。 SLS技術は、ポリマー、金属、複合材料などのさまざまな粉末材料を高速成形速度で印刷することができます[32]。その中でも、ナイロンとその複合材料は、SLS 印刷テキスタイルに最も一般的に使用される材料です。強度、耐摩耗性、柔軟性に優れ、衣類、履物、その他の繊維製品の製造に適しています。さらに、SLS は TPU や熱可塑性エラストマーなどの弾性材料も印刷できます。これらの材料は柔軟性と耐摩耗性に優れており、印刷された織物は快適で柔らかいです。さらに、繊維の SLS 印刷では追加のサポート構造が不要で、複雑な形状の印刷をサポートし、比較的高い精度と解像度を実現でき、廃棄物がほとんど発生しないため、材料の無駄を削減できます。繊維製品の SLS 印刷の利点は非常に明白ですが、一定の制限もまだあります。たとえば、SLS 印刷された繊維製品の表面は比較的粗く、表面品質を向上させるために後処理が必要です。 SLS 印刷に適した弾性材料の種類も比較的限られているため、繊維の多様性と機能性が制限されます。さらに、SLS 印刷装置と材料のコストが高く、繊維製造の全体的なコストが増加します。他の付加製造技術と比較すると、SLS 印刷速度は、特に大型で複雑な部品の場合、比較的遅くなる可能性があります。 SLS を使用して繊維製品を印刷することを選択する場合、特定のアプリケーションのニーズと製造目標に応じて、これらの利点と欠点を考慮し、適合性およびコストと比較検討する必要があります。

3 繊維の積層造形のプロセスフロー 積層造形の基本原理と主な特徴には、層ごとの製造、デジタル設計、材料の多様性、廃棄物の削減、カスタマイズとパーソナライゼーション、ラピッドプロトタイピング、後処理要件、機器とプロセスの最適化などがある[33]。付加製造とは、物体を下から上へ層ごとに製造するプロセスであり、従来の繊維製造とは根本的に異なります。この方法では、従来の製造方法では実現不可能であったり、製造コストが非常に高くなる可能性のある複雑な形状や特殊な構造を生産できます。積層造形は、通常、コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアで作成されたデジタル 3D モデルから始まり、その後、印刷用に薄い層にスライスされます。デジタル設計により、モデルを迅速に変更して 3D プリンターに直接送ることができるため、設計から製造までのプロセスが効率化されます。付加製造では材料を除去するのではなく追加するため、従来の製造プロセスに比べて廃棄物が大幅に削減されます。これにより、材料コストが削減されるだけでなく、持続可能な生産方法に沿って環境への影響も最小限に抑えられます。さらに、多くの積層造形物では、望ましい機械的特性や美的効果を実現するために、サポートの除去、表面仕上げ、熱処理などの後処理手順が必要になります。繊維製造にこの技術を活用するには、付加製造の基本原理と主な特徴を理解することが不可欠です。

付加製造と繊維の統合は、製造方法を変えるだけでなく、設計から生産、そして消滅に至るまでの製品のライフサイクル全体を再構築します。積層造形の基本原理と主な特徴に基づいて、繊維の積層造形のプロセスは、図3に示すように、CADモデルの作成、モデルの処理、印刷前の準備、モデルの印刷、印刷された部分の除去、後処理、および適用の7つの主要なステップに分けることができます[34]。テキスタイルをデザインする前に、まずデザイン目標を明確にする必要があります。次に、デザイン目標に基づいて、CAD ソフトウェアを使用してテキスタイルの 3 次元デジタルモデルを作成し、構築したデジタルモデルを積層造形プリンターに適した STL ファイル形式に変換し、必要な調整と設定を行います。これらのパラメータには、弦の高さ（表面の滑らかさに影響）、偏差（精度に影響）、角度許容値（滑らかさに影響）、ポリゴン数（詳細に影響）、メッシュ品質（全体的なメッシュの整合性に影響）、ファイルサイズ（転送と処理速度に影響）、スライス設定（プリンタ固有のコマンド）[33]が含まれます。 STL ファイルを生成するためのパラメータは通常手動で構成されますが、一部の高度な積層製造システムでは、これらのパラメータを材料とターゲットに基づいて自動的に最適化することもできます。デジタルモデルの印刷可能な処理が完了したら、STL ファイルを印刷装置に追加し、設計目標に応じて適切な印刷機器と材料を選択し、織物形成プロセスを開始します。印刷された部品が期待どおりの成果を得るためには、印刷プロセス中にいくつかのパラメータを設定する必要があります。例えば、PET 布の表面に TPU 材料を堆積させる場合、2 つの材料間の接着性を高めるために、第 1 層と残りの層の印刷パラメータを個別に設定する必要があります。関連するパラメータ設定には、印刷速度（第 1 層は 10 mm/s、残りの層は 30 mm/s）、押し出し温度（第 1 層は 235 °C、残りの層は 215 °C）、充填密度（第 1 層は 100%、残りの層は 50%）、および押し出し比（第 1 層は 100%、残りの層は 90%）が含まれます [35]。一部の印刷技術では、印刷されたオブジェクト内の空隙や浮遊構造をサポートするためにサポートを使用する必要があります。印刷後、これらのサポート材料は除去する必要があります[36]。余分なサポートを除去する必要がない場合は、モデルを印刷プラットフォームから直接取り外すことができます。通常、積層造形部品を印刷した後、繊維に必要な最終的な効果を得るために、洗浄、染色、塗装などのさらなる仕上げが必要になります。
図3 繊維の積層造形プロセス
繊維の積層造形のための設計と製造のアイデア 4 つ 繊維付加製造の設計と製造の考え方は、従来の製造方法とは大きく異なります。積層造形の設計・製造コンセプトは、設計の自由度や材料の最適化など積層造形独自の利点を設計段階で最大限に活用することを重視し、製造後の処理や製品のライフサイクル全体も考慮に入れています。付加製造技術により、デザイナーはさまざまな形状や構造、さらには機能特性を備えた織物繊維や柔軟な織物を直接作成できます。この技術により、複雑な構造要素や機能要素を繊維に直接組み込むことも可能になります。さらに、バイオニックテキスタイルの積層造形も現在注目されている研究分野です。これは、生物にヒントを得たデザインと積層造形技術を組み合わせた革新的なアプリケーションです。この手法は、自然生物の構造的、機能的、美的特性を利用し、付加製造技術によってこれらの特性を繊維製品に実現し、機能性と美しさを兼ね備えた新しい繊維製品を生み出します。

4.1 織物繊維 繊維は織物の製造に使用される基本的な原料です。これらの繊維は天然由来のものでも合成のものでもかまいません。天然繊維を長い糸に撚り合わせてメッシュ生地を作る習慣は、旧石器時代に始まりました。今日に至るまで、織物の基本構造は根本的に変わっておらず、依然として繊維、糸、生地で構成されています。材料工学、機械工学、コンピュータ技術、化学、力学、物理学などの分野の総合的な発展により、繊維や糸の材料、構造、製造技術における織物の進歩は過小評価できません。

繊維は、柔軟性と強度、通気性と暖かさなど、一見矛盾するさまざまな特性を備えていることがよくあります。これらの特性は、繊維に使用される繊維の材料特性と、さまざまなスケールの繊維によって形成される構造的特徴との相互作用によって決まります。つまり、繊維製品の性能特性は、基本的に繊維製品を構成する繊維と、繊維構造におけるこれらの繊維の配置によって決まります。そのため、繊維素材自体の特性が繊維製品の性能に直接影響を及ぼします。 Cao et al。 TOCNFS/TI3C2ハイブリッド材料は、優れた機械的特性だけでなく、図4に示すように、さまざまな複雑な構造に簡単に印刷できるようにすることができます。このタイプの繊維材料は、良好な導電率と光熱変換能力も備えており、さまざまな外部刺激に応答し、スマートウェアラブルの分野で大きな応用の可能性を秘めています。さらに、繊維の組成に加えて、繊維材料の特性、繊維自体の形状、長さ、表面特性も繊維の性能に影響します。したがって、関連する研究者は、添加剤の製造技術を使用して、従来の繊維繊維の形態をシミュレートして、必要な繊維機能を達成するために繊維繊維を製造します。 Luelf et al。通常、中空のファイバー形状には、円形の断面と線形軸方向のみがあります。スピナーレットの回転速度が1分あたり0の場合、図5（b）に示すように、形成された繊維断面は比較的滑らかです。研究は、このタイプの中空繊維材料がエネルギー伝達において独自の利点を持っていることを示しています。さらに、添加された製造された繊維は、スマート電子テキスタイルの分野で広範な注目を集めており、研究者は柔軟な繊維型の電子部品の開発に取り組んでいます。 Guo et al。印刷された繊維型センサーは、人間の指の押したり曲げたりするなどのアクションを曲げ、伸ばし、検出し、区別できることが実証されています。これにより、さまざまなセンサーの製造のための新しい道が開かれ、補綴皮、バイオニック臓器、およびヒューマンマシン界面の発達を潜在的に進めることができます。

図4さまざまな構造を生成するための3D印刷されたTOCNFS/TI3C2ファイバー図5 3Dプリント3ホール中空繊維
4.2フレキシブルテキスタイル 柔軟なテキスタイルの添加剤の製造で考慮する必要がある要因には、印刷技術、柔軟な材料、設計モデル、最適化された構造と密度、マルチマテリアル印刷、ポストプロセッシング、テストと最適化が含まれ、繊維部品が柔らかさ、弾力性、必要な機械的特性を確保することが含まれます。現在、柔軟なテキスタイルの添加剤製造の限界は、主に材料タイプと印刷機器の限界にあり、製品の柔軟性と精度の欠陥につながります。従来のテキスタイルと同じ特性を達成するために、研究者は、織物、編み物、非織物の模倣など、さまざまな種類のテキスタイル構造をシミュレートしようとしました。織物は、織り織りと織り織りの織物を織り交ぜることで作られています。織物の特徴は、高密度、ハードフィール、優れた強度、耐摩耗性、および優れた風の根、防水性、暖かい保持特性です。 Partsch et al。彼らの研究では、糸の直径が増加し、糸間のスペースが減少すると、布の高さが2倍になることが示されました。この製品はテキスタイルの柔軟性と同様の柔軟性を達成していますが、実際の厚さは比較的厚いです。これは、繊維分野での添加剤製造技術の適用の初期段階でも一般的な問題です。このような問題を改善するために、研究者は、ニット構造を準備するための添加剤製造技術の適用を調査し続けました。通常、編み物は、特定のパターンに応じて編み機を使用して糸をコイルに織り込むことで作られており、これらのコイルは接続され、織り交ぜられて、特定の構造、テクスチャー、外観を持つ生地を形成します。ニット生地は柔らかく、弾力性があり、通気性があります。 Beecroft [41]は、SLSテクノロジーを使用してナイロンパウダーを印刷して、図6に示すように、片面ニットファブリックと両面ニットファブリックを製造しています。これらの2つの柔軟なニットファブリックには、伝統的なニットファブリックの特性とナイロン素材の機械的特性の両方があります。さらに、Gürcümetal。薄く、優れたドレープがあり、テキスタイルを曲げ、折り畳み、ねじれていることを可能にし、可塑性とばらつきが良好です。さらに、添加剤の製造技術は、非ウーベンの製造においても良い可能性があります。不織布の生産プロセスには、原材料の準備、繊維の混合、繊維前処理、繊維結合、最終製品処理など、複数のステップが含まれています。生産プロセスの各ステップでは、最終製品の品質とパフォーマンスが要件を満たすように慎重に検討する必要があります。添加剤の製造技術は、材料を直接混合してから、スプレーまたは融解により布を形成することができ、不織布の製造プロセスを統合し、製造ステップを簡素化できます。現在、柔軟なテキスタイルの添加剤製造は、普通のテキスタイルの単純な模倣からインテリジェントな柔軟な織物に徐々に発展しています。研究者は、4D印刷技術を使用して、スマートテキスタイルを使用して、形状を変化させたり、特定の構造を活性化したり、環境刺激に応じて部品の形状または構造を変更したりできます。 Wagner et al。印刷プロセス中、液体形状のメモリポリマーを薄層に噴霧し、図7に示すように幾何学的な活性構造を作成して紫外線を使用して硬化させます。彼らは、部品の構造の形状の変化を評価し、形状の変化の速度が温度に依存することを発見しました。 80°Cの実験室では、すべての幾何学的構造が10秒未満で永続的な形状を回収し、加熱後に異なる体積で異なる構造が拡大しました。このような部品は、構造的変化を手動で達成できず、電気機械的作動が不可能なアプリケーションで使用できます。

図6 SLS印刷されたニットファブリック図7 4D印刷されたSMPによって作られたアクティブな構造
4.3ハイブリッド構造テキスタイル テキスタイルフィールドでの添加剤製造技術の適用が他のフィールドに遅れている主な理由は、このタイプの製造技術をテキスタイルが持つべき基本的な特性を取得することが困難であるためです。添加剤の製造技術を使用してテキスタイルに物理オブジェクトを直接印刷すると、印刷された部品が従来のテキスタイルほど柔らかくないという問題を解決するだけでなく、ファブリックのテクスチャとパターンの革新も増加します。ファッションデザイナーのGiustiは、3D Printing Digital Manufacturing Laboratory（SuperForma Fablab）と協力し、SuperForma FablabのDelta Wasp 3MTプリンターを使用して、TPUを伸ばした繊維の表面に直接堆積させて波状のテクスチャーを形成し、ファッショナブルで快適なテクノロジー衣料品シリーズを作成しました[44]。テキスタイルの直接添加剤の製造には、印刷された材料と繊維表面との間の接着を考慮する必要があることに注意する必要があります。異なる材料は、異なる繊維基板に印刷すると異なる接着を示します。 Pei et al。 Korger et al。さらに、押出機温度、プラットフォーム温度、印刷速度、ノズルとテキスタイル間の距離、充填密度も、テキスタイルのポリマー印刷の接着に影響を与える重要なパラメーターです[47-48]。アディティブ製造技術は物理オブジェクトをテキスタイルに直接印刷できるため、さまざまな電子コンポーネントをテキスタイルに直接統合しようとするスマート電子テキスタイルの分野の研究者の注目を集めており、伝統的なファブリックの快適さと電子コンポーネントの機能の両方を備えています。 Zhao et al。繊維型の統合された電子デバイスは、3D印刷された繊維型温度センサーと繊維型の非対称スーパーキャパシタを統合します。調査によると、このタイプの繊維型の統合電子デバイスをスマート電子テキスタイルで使用して、温度変化を検出し、人間の健康関連のパラメーターを監視できることが示されています。さらに、弾力性のある張力繊維表面と曲げ補強材料特性との相互作用に基づいて、研究者は、4Dプリントの場合のポテンシャルエネルギーを吸収するための異方性スプリングリザーバーとして繊維表面の弾性プレストレスを使用しました。図8に示すように、Schmelzesen et al。彼らは、印刷プロセスを完了すると、設計された構造を直接印刷します。さらに、Leist et alは、図9に示すように、ナイロンファブリックで4D印刷を行い、彼らは、直径1.75 mmのPLAフィラメントの印刷材料を備えたFDM Flashforge Creator Pro Dual Extrusion 3Dプリンターを使用し、テキスタイル基板は90％ナイロンと10％スパンデックスで作られた固体メッシュ生地ナイロン生地で作られていました。ナイロンファブリックの表面にフラットプラメッシュ構造を直接堆積することにより、このタイプの構造は、70°Cで水で加熱した後、円筒形を形成できます。温度が室温に冷えると、材料は硬くなり、一時的な形状を維持します。ただし、シリンダーを再加熱した後、再び展開し、永続的な平らな形に戻ります。この方法を使用して、極端な環境に対応し、危険な環境から着用者を保護するスマートな服をリリースすることができるスマートな衣服を使用します。

図8 4Dプリントハイブリッド構造テキスタイル図9 4Dプリント形状メモリテキスタイル
4.4バイオニックテキスタイル 繊維分野のバイオニックデザインとは、生物学的原理に触発された生物の外部形態と内部機能を革新的に模倣して適用するプロセスを指します。生物学的外部形態の模倣は、創造的な衣服のデザインで広く使用されています。 NOA Ravivは、マルチマテリアル3Dプリンターを使用してハードオパークポリマー材料を印刷するために製造されたクラシックアートと自然の生き物を使用して、ハードコピーシリーズ[52]を設計しました。印刷された部品は、チュールのような軽いテクスチャーを備えており、現実と仮想性、2Dと3Dのインターレースを備えた衣料品作品を作成するための手描きです。さらに、ドラマファッションデザイナーのフレデリックリーがシンガポールファッションデザインカンパニーと協力して、図10に示すように、シンガポールの国立花[53]に触発されたヴァンダミスジョアキムドレスをデザインしました。このドレスは、FDMテクノロジーと同じ原理の3D印刷ペンを作成するのに4か月以上かかります。デザイナーは、シンガポールの国の色、つまり赤と白の点で選びました。赤い部分はスパンコールで覆われており、白い部分は3D印刷素材の元の色です。外部の形態学的バイオニクスに加えて、機能的バイオニクスの探求は、繊維の分野での研究におけるホットな話題でもあります。インテリジェントなバイオニックテキスタイルは、生産されたテキスタイルに生物系と同様の機能と特性を持つように、バイオニックデザインの原理、高度な製造技術、材料科学を組み合わせています。生物の構造と機能を模倣することにより、この種のテキスタイルは外部環境の変化を認識し、それに応じて応答し、テキスタイルがよりインテリジェントな特性を与えます。ハーバード大学のルイスチームが実施した最初の関連研究は、添加剤の製造技術に基づいた機能的バイオニック設計に関する関連研究を最初に実施しました。それらは、セルロースナノファイバーを植物細胞壁で構成されるアクリルアミドマトリックスに埋め込み、複合材をランとカラリンの形に印刷しました[54]。複合材料のセルロースナノファイバーの異方性腫脹特性に基づいて、関連する数学モデルが構築され、花の変形形状が正確に予測および制御されました。 4Dによって印刷されたランは、90°/0°と-45°/45°の二重層構造で構成されています。同じ原理を使用して作られたカラリンは、図11（b）に示すように、中央の軸方向の両方向にカールし、閉じた花の形に変形することもできます。植物の特性を模倣することに加えて、Roach et al。繊維が80°Cに加熱されると、LCE繊維が収縮し、繊維でボイドが発生します。冷却後、図12（a）に示すように、LCEファイバーは初期状態に戻ります。さらに、Roachら[55]は、図12（b）に示すように、LCE繊維を使用して筋肉の収縮と弛緩の活性化特性をシミュレートしました。研究結果は、LCE繊維に基づいたスマートテキスタイルには、ソフトロボットの丈夫で耐性のある筋肉を生成できる速く、可逆的で高度に制御可能な駆動特性があることを示しています。

図10ヴァンダミスジョアキムドレスドレス写真
5結論 テキスタイルの織りの歴史は、手織りの織り機や単純な織りツールを使用して、人々が繊維や糸を生地に織り込む前の先史時代にまでさかのぼることができます。時間が経つにつれて、テキスタイル産業は、現在のインテリジェント製造技術に対する最も初期の手織り技術、機械織り技術など、多くの技術革新を経験してきました。高度なインテリジェントな製造技術の1つとして、Additive Manufacturingは、機械、材料、コンピューター、制御、オプトエレクトロニクス、3D印刷や4D印刷などの情報などの分野を統合するデジタルおよびインテリジェント製造技術です。 3D印刷されたテキスタイルと4D印刷されたテキスタイルの技術原理は基本的に同じであり、どちらもテキスタイルを製造するためにレイヤーごとの方法を使用しています。ただし、3D印刷されたテキスタイルと4D印刷されたテキスタイルの間には、機能に明らかな違いがあります。 3Dプリントされたテキスタイルは静的であり、通常、製造後に形状や特性を変更しません。 4D印刷は、特定の材料の特性を使用して、外部条件の変化の下での自己組織化、変形、または機能的変化を実現する3D印刷に基づいており、印刷されたテキスタイルが特定の条件下で所定の変形または機能的変化を達成できるようにします。 3Dプリントから4Dプリンティングへの繊維添加剤の開発は、インテリジェント製造の分野における大きな進歩を表しており、4D印刷されたインテリジェントテキスタイルへの従来の3D印刷静的繊維の段階的拡大も反映しています。現在、4Dプリントされたスマートテキスタイルの研究は特定の進歩を遂げ、多くの実際的な問題を解決する可能性がありますが、この分野は依然として、添加剤の製造技術とスマート素材によって制限されているなど、多くの課題に直面しています。さまざまな添加剤製造技術の生産制限は異なり、機械的特性に影響を与え、テキスタイルの品質とサービスの生活を形成します。したがって、4D印刷に適したスマートマテリアルの開発は、4D印刷されたスマートテキスタイルの開発を促進するために重要です。さらに、スマートマテリアルと高性能添加剤の製造装置のコストは高く、スマート材料は生分解性が良好である可能性があり、環境に対する潜在的な汚染などの問題は緊急に解決する必要があります。テキスタイル添加剤の製造は依然として研究開発の成長分野ですが、繊維産業への潜在的な影響は巨大です。機能性、適応性、カスタマイズを新しいレベルに引き上げ、従来のテキスタイルデザイン、テキスタイル製造、テキスタイルとの相互作用を覆すことが期待されています。

（参照省略）

繊維の付加製造 - 3D プリントから 4D プリントまでの革新的な研究

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