Textiles 3D: abrazando la profundidad

A medida que las tecnologías avanzadas continúan evolucionando a partir de metodologías textiles antiguas, se desarrolla una variedad más amplia de oportunidades.

Por Jim Kaufmann, editor técnico

Cualquiera que realice una investigación superficial sobre el intrigante mundo de los textiles 3D encontrará que el sector abarca un término bastante nebuloso que conduce a un número incalculable de rutas diferentes y una amplia gama de oportunidades. Una búsqueda rápida en Google de telas 3D, por ejemplo, da como resultado alrededor de 325 millones de resultados, que incluyen versiones 3D de todo, desde tejidos y tejidos tradicionales hasta telas no tejidas y estampados no tradicionales, sin mencionar una lista exponencialmente diversa de aplicaciones, algunas obvias y otros no tanto. Un pensamiento inmediato que rodea este creciente interés es que los ingenieros finalmente se sienten mucho más cómodos y aceptan los textiles 3D en aplicaciones dinámicas basadas en el rendimiento. Al mismo tiempo, los diseñadores de productos continúan haciéndose cada vez más expertos en la creación de telas o tal vez materiales fibrosos más apropiados, que exhiben estos requisitos técnicos, visuales y/o táctiles específicos.

La versatilidad y los atributos de rendimiento claramente definidos continúan siendo los principales impulsores del interés en los textiles 3D. Dado que prácticamente todas las tecnologías de fabricación de textiles se pueden adaptar o modificar de alguna manera para crear textiles en 3D, la variedad de aplicaciones es casi infinita.

El tejido 3D y el trenzado 3D siguen despertando interés y encuentran aplicaciones principalmente en el campo de los materiales compuestos, donde se sigue haciendo hincapié en la sustitución del acero para lograr la reducción de peso. Según el Dr. Keith Sharp, gerente de desarrollo de nuevos productos para 3D Weaving en Tex Tech Industries, con sede en Portland, Maine: "Los tejidos 3D en compuestos son perfectos para reemplazar el acero. Puede tejer palanquillas o preformas casi en forma de red que se pueden moldear en formas exactas con diseños intrincados, lo que no solo ahorra peso, sino también mano de obra en la fabricación y aumenta potencialmente la confiabilidad a largo plazo también. Ahora hay muchas aplicaciones, pero las aspas del ventilador del motor a reacción LEAP que Albany International está tejiendo en 3D son probablemente el mayor ejemplo de este."

La capacidad de controlar la colocación de la fibra y adaptar las rutas del hilo para lograr perfiles de rendimiento específicos también se refleja en el módulo del motor LEAP. Según el sitio web de Albany International, LEAP ofrece los siguientes beneficios:

El interés en los compuestos tejidos 3D está impulsando la innovación de nuevos equipos a medida que los fabricantes de maquinaria se vuelven más activos en el sector 3D. Históricamente, las máquinas de tejer 3D eran versiones altamente modificadas de las máquinas de tejer 2D tradicionales, o eran piezas únicas hechas a la medida con conceptos de productos específicos en mente. En los últimos años, Stäubli Group, con sede en Suiza, conocido por sus sistemas de control de caladas de urdimbre jacquard, presentó su sistema de tejido técnico: una máquina de tejer de alta resistencia derivada de un diseño modular que, cuando se combina con sus jacquards o el control de calada de urdimbre Unival sistemas, proporciona una increíble flexibilidad de diseño de productos junto con la capacidad de fabricación para producirlo.

Para no quedarse atrás, Lindauer Dornier, con sede en Alemania, ampliamente conocida por producir máquinas de tejer para telas técnicas, industriales y de rendimiento, presentó recientemente una colección de productos dirigidos directamente a la industria de los compuestos. Sus Sistemas Composites ahora incluyen una máquina diseñada explícitamente para tejer preformas 3D. La suite también incluye una línea de cinta unidireccional de estopa extendida y máquinas específicamente para tejer mechas y cintas de estopa extendida.

Los artículos recientes que se encuentran en los sitios web Gizmodo.com y ZDnet.com son excelentes ejemplos de cuán impactantes se han vuelto los textiles 3D. El primer artículo sobre Gizmodo de Julian Goldman proclama: "El futuro es tejido: por qué el antiguo arte de tejer vuelve a ser de alta tecnología". El segundo artículo sobre ZDnet de Greg Nichols promociona, "La ciencia de alta tecnología detrás del tejido 3D (¡sí, tejido!)". Ambos artículos se enfocan en el advenimiento del tejido de punto de trama en 3D o con forma y el control de la dimensionalidad que se encuentra en las estructuras de punto, pero no inherente a los tejidos, junto con las mejoras realizadas en la interfaz de usuario que conducen a diseños de productos de punto más efectivos y eficientes. El tejido en 3D no solo ofrece aspectos de diseño de productos: usted programa la máquina, carga el hilo y sale una prenda completa, sino que también crea el potencial para incorporar dispositivos electrónicos portátiles en productos de punto completamente diseñados, algunos de los cuales ya han llegado al mercado. Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), con sede en Cambridge, Massachusetts, un instituto sin fines de lucro con sede cerca del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) se estableció a través de fondos federales para promover el uso de tecnologías textiles en dispositivos y sistemas integrados y en red. Como parte de este esfuerzo, AFFOA se está enfocando en la efectividad del tejido 3D para crear formas complejas. Yoel Fink, director ejecutivo de AFFOA y profesor de ciencias de los materiales e ingeniería eléctrica en el MIT, fue citado en el artículo de Goldman diciendo: "Ya no vas a pagar por la camiseta. Vas a pagar por lo que esa camiseta hace por ti". . Pagas el servicio y te llevas la tela”. Sin duda, una forma diferente de ver los textiles del futuro.

Para no ser superados por su primo tejido de trama, los fabricantes de telas espaciadoras de punto de urdimbre 3D, incluidos Gehring Textiles Corp. de Hauppauge, Nueva York, y Apex Mills, Inwood, Nueva York, continúan avanzando en la versatilidad de la tecnología en formas nuevas y emocionantes para aplicaciones que van desde la moda hasta asientos y ropa de cama, junto con otras áreas donde la conformabilidad, el llenado de huecos, el aumento del flujo de aire y parámetros de ingeniería adicionales siguen siendo deseables.

En el gran esquema de las cosas, al menos desde una perspectiva textil, se puede argumentar que la impresión 3D, que continúa ganando interés y atención en muchas áreas, es esencialmente una versión más precisa de los no tejidos spunbond donde el polímero se extruye en una banda colectora. o plataforma donde se une, creando una estructura definida. La única diferencia real es que los spunbonds suelen tener una orientación y un patrón de unión aleatorios, mientras que las impresiones 3D se extruyen en capas precisas en ubicaciones específicas. Pero independientemente de si cree que la impresión 3D es una extensión de las metodologías de fabricación textil o no, sin duda se ha convertido en la tecnología de TI y en un favorito de los medios de comunicación de los últimos años.

Originalmente visto por muchos como una forma de crear formas increíblemente complejas y artilugios novedosos, la impresión 3D ahora se profetiza como una solución para casi todas las oportunidades o deficiencias de fabricación. La percepción, o tal vez el significado, que gira en torno a la impresión 3D es que literalmente parece implicar que si puedes concebirlo, la impresión 3D puede hacerlo. La impresión 3D inicialmente encontró aceptación en la creación rápida de prototipos donde se podían producir piezas únicas detalladas y exactas, se podían explorar conceptos y evaluar teorías. A medida que la tecnología progresó y generó más interés, se desarrollaron sistemas de polímeros nuevos y avanzados que incluyen variaciones para imprimir "metales", agregando medios fibrosos como refuerzos y mejorando la integridad capa a capa de la estructura impresa en 3D. Junto con los avances en los medios o insumos utilizados, el tamaño, el alcance, la complejidad y la consistencia de las impresoras 3D también han mejorado mucho. En los últimos años, las impresoras 3D han pasado de ser principalmente modelos de escritorio capaces de producir como máximo una pieza del tamaño de un pie cúbico, que sigue siendo una competencia central, a impresoras 3D de metal tan grandes como un autobús con el potencial de versiones aún más grandes no muy lejos. apagado.

La impresión 3D ahora se ve como una tecnología de fabricación válida, particularmente donde se prefiere la personalización masiva o para productos que son demasiado complejos, limitando o restringiendo su capacidad de proceso a través de metodologías de fabricación tradicionales. Las ventajas continúan siendo las posibilidades de diseño de productos alineadas con la simplificación de la fabricación general de piezas complejas, la reducción del tiempo de producción y la reducción del contenido de mano de obra. Esto, combinado con el espacio relativamente pequeño necesario y la creciente confiabilidad de las entradas y los productos resultantes producidos, presenta grandes oportunidades para generar piezas de repuesto internamente en lugar de tratar con los OEM y los proveedores de piezas, especialmente en áreas de difícil acceso, incluso para servicios de entrega al día siguiente. como naves oceánicas o incluso futuros viajeros espaciales.

A medida que la tecnología continúa avanzando y escalando hacia producciones más rentables y a mayor escala, las aplicaciones potenciales seguirán creciendo exponencialmente. Desafortunadamente, no hay suficiente espacio aquí para discutir esas aplicaciones porque hay una nueva categoría aún más intrigante en el horizonte.

Mientras investigaba para este artículo, un viejo amigo, el Dr. Chris Pastore, profesor de Estudios Transdisciplinarios en la Universidad de Jefferson y especialista Fulbright, preguntó: "¿Por qué no incluyen textiles 4D en esta actualización?" Investigadores de lugares como el MIT, Harvard, la Universidad de Aquisgrán y la Universidad de Jefferson, entre otros, están explorando la posibilidad de combinar textiles y otros materiales programables con la impresión 3D de formas sorprendentes. Se dice que el término impresión 4D fue acuñado hace varios años por Skyler Tibbits, director del Self-Assembly Lab del MIT y ex alumno de la Universidad de Jefferson, al incorporar la dimensión del tiempo a la de largo, ancho y profundidad para estas estructuras.

Como explicó el Dr. Pastore: "¿No sería interesante combinar la flexibilidad y elasticidad de los materiales textiles con las estructuras rígidas de polímeros de la impresión 3D para crear sistemas que cuando se les agrega calor o algún otro actuador para transformarlos, cambian de dos ¿estructuras tridimensionales en estructuras tridimensionales complejas? O tal vez si incorporara polímeros con memoria de forma en la estructura de impresión 3D, entonces es posible que con la activación el objeto pueda resultar en una configuración totalmente diferente. Piense en la posibilidad de tomar textiles planos El material luego se imprime en 3D una cuadrícula sobre él que luego se puede activar más tarde. En un momento posterior, aplica un actuador a la configuración plana y se despliega automáticamente en una tienda. Si lo piensa, ¡el potencial de los textiles 4D es tremendo! "

Sí, este concepto puede hacer que uno piense demasiado, pero se pueden encontrar varios ejemplos de videos interesantes en YouTube que muestran estructuras planas impresas en 3D que cambian a una forma diferente. El más famoso de estos videos muestra una línea aparentemente recta de polímero transformándose mágicamente en las iniciales MIT.

Si bien los textiles 4D todavía están en su infancia relativa, ofrecen una prueba más de que los textiles 3D representan una gran oportunidad para aquellos con un poco de imaginación y algún conocimiento de la tecnología antigua, pero en continuo avance, conocida como textiles.

Septiembre/Octubre 2018