スマートテキスタイル分野における3Dプリントの応用

出典：高分子材料成形の原理

3D プリンティング技術は、ラピッドプロトタイピング技術、積層造形技術などとも呼ばれます。コンピューターの3D設計モデルをベースに、ソフトウェアの階層化とCNC成形システムを通じて、光線、ホットメルトノズルなどの方法を使用して、プラスチック、金属粉末、セラミック粉末などの特殊材料を層状に積み重ねて結合し、重ね合わせて最終的に物理的な製品を形成します。仮想エンティティモデルデータを物理的なエンティティに変換するもので、第3次産業革命の最も象徴的な生産ツールとして称賛されています。

3D プリントによりスマートテキスタイルが大きく発展しました。 3D プリントによるスマートテキスタイルには、製造コストの大幅な削減、製造プロセスの効果的な簡素化、複数の材料の組み合わせ、生地の性能と品質の向上、持続可能な製造などの利点があります。

成形方法
3D プリント技術には、接合成形、感光成形、融合成形、選択的レーザー焼結の 4 つの成形方法があります。それぞれの方法は、異なる材料に適しています。

成形方法の多様性は、繊維業界における 3D プリント技術の成熟度を証明しています。ボンディング技術は、着色技術における繊維製品設計の成熟した発展であり、具体的には、着色剤を接着材料と組み合わせて薄い層を形成し、着色します。感光性技術とは、感光性材料（UV樹脂）を光の作用で堆積させ、成形して製造する技術です。メルトフォーミングとは、熱可塑性材料を高温のキャビティ内で溶かして液体にし、それをノズルから均一に噴射して積み重ねて形状を形成するプロセスです。これらの技術の応用により、繊維製品の製造方法が変わり、アパレル業界の生産モデルにも影響を与えていることがわかります。したがって、3Dプリント技術は繊維製品に大きな影響を与えます。

スマートテキスタイルには、光ファイバー、相変化材料、化学物質、その他の電子部品が含まれており、通常のテキスタイルに新しい機能を追加できます。ますます多くの繊維材料が、3D プリント技術を使用して、複雑な機能を備えたスマート繊維を直接製造しようとしています。現在の研究は主に、導電性、形状記憶、温度調節、柔軟な電子部品に焦点を当てています。

スマート導電性繊維<br /> 導電性繊維を開発する最も一般的な方法は、布地の表面に導電性材料を取り付けることです。これは、ラミネート、コーティング、印刷、スプレー、イオンプレーティング、化学メッキ、真空メタライゼーション、スパッタリング、化学蒸着によって実現できます。 3D プリンターは定義された形状を正確に印刷できます。この方法では、導電性の糸またはコーティングを、特にリードレス SMD (表面実装デバイス) コンポーネントに接続できます。同時に、3D プリントは電子部品の構造を調整し、生地に最適な構造状態を実現できます。ドイツのビーレフェルト応用科学大学のグリメルスマンナ氏らは、3Dプリント技術を使用して、導電性のShieldex糸で織られた回路経路を含む布地に直接印刷し、3Dプリントされた物体を導電性ワイヤとして小さな電子部品に接続して、下の図に示すように織物を光らせることに成功しました。

繊維基材としては、3D プリント材料が布地とよりよく結合できるように、テクスチャ効果があり、比較的コンパクトで均一な表面を持つ片面かぎ針編みの布地が選択されました。開発者らは、SMD-LED 電子部品を設計し、FDM 技術を使用して繊維基板の表面上に製造しました。 SMD.LED は、黒色の導電性材料、非導電性の白色 PLA 材料、および LED の 3 つの部分で構成されています。黒色の導電部は主に電気接続として機能します。使用材料はProto-Pasta導電性PLAフィラメントで、押し出し機の温度は207℃、プリントベッドの温度は60℃、層の高さは0.2mm、構造は充填されています。白い部分は通常のPLAフィラメントで、固定と接続の役割を果たします。導電性のある黒いフィラメントが Shieldex 糸に接続され、繊維上の LED を点灯します。 3D プリント部品は直列抵抗器として機能し、LED の正常な動作に影響を与える過度に高い印加電圧から LED を保護します。内部電圧が低い場合、LED と 3D プリント部品は直列に接続され、抵抗器として機能するため、LED の明るさは低くなります。電圧が高いほど、電圧は高くなります。

スマート温度制御繊維<br /> 温度を調節できるスマートテキスタイルにはさまざまな種類があります。たとえば、現在市場で最も一般的に使用されている温度と湿度を調節するテキスタイルは、余分な水分を除去することで体温を下げます。ただし、これらのテキスタイルは、体と生地の間の空気の湿度が高い場合にのみ作動するため、湿度が低い場合の用途は限られます。温度制御技術には、相変化材料を使用したコールドパック繊維、空冷繊維、液冷繊維などがありますが、いずれも限界があります。これらの問題に対処するために、研究者たちは熱を調節する繊維の開発に多大な努力を払ってきました。メリーランド大学は、図に示すように、3Dプリント用のポリビニルアルコール（PVA）ポリマーマトリックスに埋め込まれた窒化ホウ素ナノシート（BNNS）を含む複合材料を使用して、人体の体温を素早く下げることができるスマート温度制御繊維を製造しました。

BNNS は 2 次元構造を持ち、面内熱伝導率は最大 2000 W/(m·K) です。BNNS の面内熱特性を活用するには、シートの配列方向が良好で、分散が均一である必要があります。 BNNSはPVA溶液中で超音波処理すると、吸収されたポリマーを通じて構造安定性を促進できるため、均一な分散を実現できます。同時に、繊維印刷およびさらなる熱延伸処理中に、ナノ複合繊維が一軸伸長フローによって導入され、その中でBNNSが良好な配列方向を形成し、フォノン熱伝導のエネルギーパスを形成します。高度に配向され相互接続された繊維は、より多くの熱伝導経路を提供することができ、それによって a-BN/PVA 複合繊維の熱特性を効果的に改善します。a-BN/PVA 織物は、人体によって生成された余分な熱を繊維に沿って放出することができます。繊維は人体から発生する余分な熱を繊維に沿って周囲の環境に放出し、人体に快適な温度の微気候を提供して冷却の目的を達成します。

形状記憶繊維<br /> 形状記憶ポリマーとは、元の形状を記憶し、一定の条件下で形状を変化させ、熱、電気、磁場などの刺激を与えることで元の形状に戻ることができるポリマー素材です。ポリ乳酸（PLA）は最も一般的に使用されている形状記憶ポリマーであり、3Dプリントでもよく使用される材料でもあります。そのため、形状記憶ポリマーは3Dプリント技術を通じて製造することができます。現在、3D 印刷技術を使用して形状記憶ポリマーを印刷する研究には、主に 2 つの材料の側面があります。1 つは、形状記憶ポリマーとして 100% 純粋なポリ乳酸を使用することです。ただし、ポリ乳酸材料は最大 10% しか拡張できないため、このような制限を克服するには、印刷前に構造を設計する必要があります。 Langford らは、図に示すように、ヘリンボーン折り紙構造を使用してこの問題を解決しました。図(a)はヘリンボーン折り紙構造を持つ3Dプリントオブジェクトです。

図(b)は、折りたたむと物体が小さくなることを示しています。展開すると物体は大きくなりますが、図 (c) に示すように、物体にいくつかの小さな亀裂が現れます。

通常、PLA フィラメントの定常回復率は約 61% ですが、ヘリンボーン折り紙構造の回復率は約 96% に増加します。もう一つは、ポリ乳酸複合材料を使った3Dプリントです。 Guido Ehrmann 氏と Andrea Ehrmann 氏は、FDM 3D プリンターを使用して 80% PLA と 20% FeO4 を混合して固体混合物を形成して粉砕し、図に示すように、二軸スクリュー押し出し機で小柱状多孔質構造を押し出して印刷しました。 30 kHz の交流磁場を印加することで、わずか 14 ～ 24 秒後に 95% を超える形状回復が達成されました。
スマート電子繊維<br /> スマート電子繊維は、センサー、マイクロコントローラー、アクチュエーター、接続デバイス、エネルギーなどの電子部品を統合します。従来の電子部品は主に金属、プラスチックなどの材料で作られています。曲げたり、ねじったり、伸ばしたりすると、不可逆的な変形を起こしやすく、電子部品の正常な機能に影響を与えます。しかし、柔軟な材料を使用することで、上記の問題を補うことができます。このような柔軟な電子部品は、人々の日常生活に携帯可能な機能を提供できるだけでなく、人間の皮膚とのインターフェース能力が向上するため、人間の健康情報を監視するためにも使用できます。しかし、フレキシブル電子部品の従来の加工技術では、複雑な機能構造を持つ電子部品の加工には限界がありました。そこで、3Dプリントによる三次元ラピッドプロトタイピング加工方法が注目されています。現在、さまざまな 3D 印刷技術が構造用電子機器に広く使用されており、製品のさまざまな機能要件への適応性を高めるために、ますます柔軟な材料が 3D 印刷技術に使用されています。例えば、Yang Hui らは、PCL10K とイソシアヌレートメタクリレートの化学反応によりポリカプロラクトン (PCL) を合成しました。これは、3D プリント用の柔軟な材料として使用できます。図に示すように、市販の SLA プリンターを使用してポリカプロラクトン (PCL) をフレキシブルデバイスに印刷し、その上に銀ナノ粒子やカーボンナノチューブ (CNT) などの導電性材料をコーティングして、形状記憶特性を持つ 3D プリントされたフレキシブル電子デバイスを形成します。

このうち、図(a)のデバイスは、3D形状記憶ポリマー印刷物で構成されています。図（b）は、室温での焼結プロセスにより、形状記憶特性を持つ3Dプリント物体の表面に銀ナノ粒子を追加して作られた柔軟な電気温度センサーを示しています。図（c）では、フレキシブル電気温度センサーが温度上昇に遭遇すると、その形状が開回路から閉回路に変化し、発光ダイオードが点灯します。 3D 印刷技術を使用して印刷された形状記憶特性を持つ柔軟なセンサーは、電子機器に新しい機能を提供するだけでなく、製品の品質を向上させるとともに、人々が電子機器と対話する方法を変える上で重要な役割を果たします。

結論市場には数十種類の 3D プリンターがあります。さまざまなタイプのマシンでは、要件に応じて適切な印刷材料を選択できますが、3D 印刷技術には、マシンと材料の両方の点で依然として一定の制限があります。 3Dプリントされたスマートテキスタイルは、機能性に加えて、3Dプリントマシンと材料によって制限される最も基本的な生地特性も満たす必要があります。さらに、サイズ、強度、変形なども注意が必要な問題です。 3Dプリントスマートテキスタイルは、主にインテリジェントデジタル製造と新素材の応用です。繊維産業、インテリジェントデジタル化、新素材、3Dプリント技術など、さまざまな分野の統合的な発展により、スマートテキスタイルの生産と製造はより柔軟になり、よりパーソナライズされた生産モデルへと移行しています。

参考文献:

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