Hoe je 4D-printen kunt gebruiken om slimme textielproducten te maken

Katarina Winands van ITA Institut für Textiltechnik van de RWTH Universiteit van Aken legt uit hoe gefuseerde depositiemodellering ‘slim’ textiel kan creëren.

De wereld van textiel verandert snel. In de niet zo verre toekomst zou flexibele technologie 'slim' textiel kunnen creëren, dat revolutionaire en verreikende toepassingen zou kunnen hebben in een grote verscheidenheid aan sectoren.

Het moderne leven betekent dat er voortdurend nieuwe producten nodig zijn, omdat de menselijke behoeften voortdurend veranderen. Het is echter ook belangrijk om het materiaalverbruik en de verspilling te verminderen. Niettemin kan dit conflict worden opgelost door aanpasbare materialen te creëren die meerdere functies kunnen vervullen. In het geval van textiel is additive manufacturing een sleuteltechnologie die hiervoor kan worden gebruikt.

Flexibele elektronica kan touchpad-, zonnepaneel- en displaytechnologie omvatten. Op het gebied van textiel kan flexibele technologie resulteren in printplaten van textiel, sensorsystemen van textiel en functionele oppervlakken.

Flexibele elektronica

Steeds meer mensen worden zich bewust van de mogelijkheden van flexibele elektronica. De omvang van de mondiale markt voor flexibele en gedrukte elektronica zal naar verwachting enorm groeien, van 15 miljard euro in 2020 tot naar schatting 50 miljard euro in 2030, waarbij Europa een van de snelst groeiende markten zal zijn. Flexibele elektronische technologie kan een revolutie teweegbrengen in sectoren als de gezondheidszorg, persoonlijke mobiliteit en civiele techniek, om er maar drie te noemen.

Toch zijn er tal van uitdagingen die de ontwikkeling van slim textiel tegenhouden. Zo moeten de gebruikte batterijen voldoen aan de noodzakelijke stroomeisen en flexibel, licht van gewicht en wasbaar zijn. Producten moeten zo duurzaam mogelijk worden gemaakt, met een maximale levensduur en minimale verspilling. Er zijn ook materiële uitdagingen: de stoffen moeten bijvoorbeeld bestand zijn tegen de mechanische belastingen van wassen en strijken, maar ook tegen rekken en schuren, en geschikt zijn voor gestandaardiseerde, geautomatiseerde productie.

Functioneel concept van 4D-textielontwerp

Het ITA Institut für Textiltechnik van de RWTH Universiteit van Aken creëert een roll-to-roll productielijn voor schaalbare en flexibele productie van slim textiel, ontwikkeld in samenwerking met Asys Systems GmbH. De productielijn maakt serieproductie van slim textiel mogelijk met behulp van zeefdruk en pick-and-place-processen. Bovendien maakt het modulaire ontwerp de integratie van toekomstige productiemodules mogelijk.

Het doel is om een ultramoderne microfabriek te creëren voor het maken van prototypen en ontwerpen, en om een echte leerfabriek van de toekomst aan te bieden. Om dit te doen, wordt een verscheidenheid aan technologieën gebruikt, bijvoorbeeld zeefdruk en pick-and-place plus optische herkenning, en dispenserprinten met collaboratieve robots.

Welkom in de vierde dimensie

Het 'slimme' textiel dat aan de Universiteit van Aken wordt ontwikkeld, is niet elektronisch, maar kan in plaats daarvan van vorm, functie en uiterlijk veranderen. Ze staan bekend als '4D'-textiel en kunnen zich aanpassen aan gebruikers en de omgeving via de complexe interactie tussen hybride materialen en door het gebruik van externe stimuli. Hierdoor bieden ze ontwerpvrijheid, zijn ze aanpasbaar en verminderen ze het materiaalverbruik. Mogelijke toepassingsgebieden zijn consumptiegoederen, voertuiginterieurs, textielgevels en medische technologie.

4D-textiel wordt gemaakt door polymeermaterialen in 3D te printen op voorgespannen textiel. Door op het voorgespannen textiel te printen, wordt de uitgerekte toestand op de printpunten gefixeerd. Het textielsubstraat kan de energie die door de voorspanning ontstaat mechanisch opslaan. Deze opgeslagen energie kan worden gebruikt voor een gerichte transformatie.

Geautomatiseerde textielproductielijn

Door de opgeslagen energie vrij te geven, wordt een tweedimensionale structuur een driedimensionale structuur met bistabiel gedrag. In dit geval zijn de stabiele toestanden twee verschillende driedimensionale vormen van de structuur. De verandering tussen de stabiele toestanden kan worden geactiveerd door externe stimuli zoals warmte, elektriciteit of vocht. Dit kan leiden tot een functieverandering.

Samen met Schneider Technologies ontwikkelt ITA Institut für Textiltechnik van de RWTH Universiteit van Aken momenteel de grootformaatprinter 4D-TexPrint 1.0. Deze printer is een textielprinter speciaal ontworpen voor 3D-printen op voorgespannen textiel met een printoppervlak van 1m bij 1m. De printer is ontworpen om het textiel op rollen aan te voeren, waardoor het niet nodig is om vóór het printproces te snijden. De resultaten van het proces zijn programmeerbare textiele 4D-structuren met een groot oppervlak, die onbeperkte innovatiemogelijkheden mogelijk maken, zoals de eerder genoemde textielfaçades.