Обзор: Аддитивное производство в моде и ювелирном деле

Центр аддитивного производства NTU, Школа механической и аэрокосмической инженерии, Технологический университет Наньян, HW1-01-05, 2A Nanyang Link, Сингапур 637372
Ответственный: Yap и W.Y. Yeong
05.png
Аддитивное производство (АП) используется в стоматологии, биомедицинских имплантатах, авиастроении и тканевой инженерии, а также в моде. У АП есть преимущество в обеспечении большей свободы дизайна для создания замысловатых и сложных дизайнов, которые трудно изготовить традиционными методами производства. В результате АП применяется при разработке модных продуктов, таких как одежда и украшения, и делает доступной персональную подгонку для масс людей. В этой статье представлен обзор различных технологий АП, используемых для производства модной одежды и ювелирных украшений. Будут обсуждены современные инструменты сбора и моделирования данных, а также дополнительные процедуры проектирования, необходимые для проектирования и изготовления трехмерных (3D) печатных модных продуктов. Этот документ также включает информацию о полезных технологиях отделки для нанесения модных продуктов, а также о перспективах 3D-печати модных продуктов в ближайшем будущем.
1. Введение
Аддитивное производство (АП) или трехмерная (3D) печать широко используются в качестве средства визуализации и тестирования формы и соответствия на этапе прототипирования. Тем не менее, технология АП за последнее десятилетие достигла зрелости и позволяет производить сложные функциональные потребительские товары без использования инструментов. Технология АП широко используется в промышленности, ее можно использовать для изготовления конечных продуктов в медицинских имплантатах, самолетах (Thomas et al. 1996), каркасах в тканевой инженерии (Yeong et al. 2004) и модных продуктах, таких как ювелирные изделия (Ferreira и др. 2012).
С точки зрения дизайна АП обеспечивает большую свободу проектирования, позволяя создавать вещи, которые иначе было бы невозможно изготовить с использованием обычных технологий изготовления. Теперь разработчики могут экспериментировать со своими нестандартнымм дизайнами без каких-либо ограничений для своего творчества, используя эту новую технологию. Это особенно полезно для индустрии искусства и моды, где дизайн и творчество являются двумя ключевыми характеристиками. Кроме того, использование АП предложило новую платформу для эффективной настройки в сочетании с высоким качеством конечного продукта, чтобы удовлетворить высокий рыночный спрос на одежду и украшения на заказ (Ferreira et al. 2012).
Последние несколько лет модные изделия, напечатанные на 3D-принтере, были в центре внимания многих модных показов. Среди ярких примеров - от кутюр голландского дизайнера Айрис ван Херпен, которая является одним из первых модельеров, применивших АП в модной одежде, и черное сетчатое платье Фрэнсиса Битонти, произведенное по технологии Selective Laser Sintering (SLS). Помимо одежды, АП также широко используется дизайнерами и компаниями ювелирных изделий, используя как прямые, так и косвенные методы АП. По сравнению с одеждой, ювелирные изделия, произведенные прямым и непрямым аддитивом, имеют больше вариантов материалов, например металлов и драгоценных металлов.
Целью данной статьи является обзор современных методов АП для производства модной одежды и ювелирных изделий с использованием как прямых, так и косвенных методов АП. Кроме того, поскольку процесс проектирования для применения модных продуктов сильно отличается от обычных процессов проектирования АП, необходимо учитывать фиксацию дизайна, инструменты моделирования дизайна и дополнительные процедуры в процессе проектирования. Наконец, будут обсуждены перспективы 3D-печати модной продукции.
2. Аддитивные технологии и материалы производства
Сегодня в продаже имеется более 100 различных 3D-принтеров (Gebhardt 2012). Многие из них представляют собой настольные 3D-принтеры, которые относительно малы и доступны по цене, в то время как 3D-принтеры промышленного масштаба способны производить более широкий спектр материалов в более крупных масштабах. В зависимости от требований могут использоваться различные комбинации методов и материалов АП.
Существует несколько методов АП, которые широко используются для производства одежды с 3D-печатью, например, моделирование наплавлением (FDM) и селективное лазерное спекание (SLS), а также PolyJet. Поскольку комфорт является одним из наиболее важных требований к носимой одежде, материалы для одежды, напечатанной на 3D-принтере, обычно представляют собой полимеры или полимерные композиты, которые легче и относительно более гибкие, что позволяет телу двигаться. В таблице 1 приведены различные методы АП и некоторые известные примеры одежды, напечатанной на 3D-принтере, которые были изготовлены с использованием каждой из этих технологий.
В отличие от одежды, напечатанной на 3D-принтере, которая в настоящее время ограничена полимерами, ювелирные изделия, напечатанные на 3D-принтере, можно изготавливать с использованием более широкого выбора материалов, таких как металлы, такие как нержавеющая сталь и бронза, и другие драгоценные металлы, такие как золото. Готовые металлические или полимерные детали могут изготавливаться как с использованием процессов прямой, так и косвенной 3D-печати. Прямые процессы металлической АМ, которые избирательно плавят слой металлического порошка с использованием источника энергии, такого как лазер или электронный луч, позволяют напрямую изготавливать металлические детали. Примеры прямой обработки металла АП:
 
Технологии
 
 
Принцип   действия
 
 
Материалы
 
 
Примеры
 
Fused Deposition   Modelling (FDM)
Процесс послойной   выборочной экструзии материала через сопло.
 
Термопластическая   нить подается в экструзионную головку и нагревается до полужидкого состояния   и нAMлавляется тонкими слоями через сопло.
 
- ABS
-   PLA
- Flex
-   etc.
 
Победитель Singapore International   3D
Конкурс полиграфистов 2013
- Первое платье, нAMечатанное   на 3D-принтере: Black Drape Dress, созданное Freedom of Creation в 2000 году   с использованием полиамида.
- Платья Ирис ван Херпен   Crystallization и Escapism в 2010 и 2011 годах соответственно с   использованием полиамида.
 
Selective Laser   Sintering (SLS)
Процесс спекания   порошкового слоя, в котором тепловая энергия избирательно спекает участок   порошкового слоя.
 
Луч СО2 лазера   избирательно спекает тонкий слой частиц порошка. Неспеченый порошок служит   встроенной опорной структурой.
 
- Poliamide
- TPU
- TPE
- Etc.
 
- Первое платье, намечатанное   на 3D-принтере: Black Drape Dress, созданное Freedom of Creation в 2000 году   с использованием полиамида.
- Платья Ирис ван Херпен   Crystallization и Escapism в 2010 и 2011 годах соответственно с   использованием полиамида.
 
PolyJet
Процесс намравленного   распыления материала, при котором кAMли строительного материала выборочно   осаждаются.
 
Тонкий слой жидкого   фотополимера осаждается из струйных головок и немедленно затвердевает под   воздействием УФ-излучения.
 
- Разные материалы с   разной твердостью по Шору и разной стоимостью
 
Iris van Herpen’s   ‘Voltage: Накидка и юбка
 
Селективное лазерное   плавление (SLM)
Процесс направленного   наложения энергии, в котором сфокусированная тепловая энергия используется   для сплавления материалов путем плавления по мере их нанесения.
 
Лазерный луч высокой   мощности избирательно намравляется на поверхность порошка, и частицы порошка сплавляются   с образованием твердого металла.
 
- Нержавеющая сталь
- Титан и его сплавы
- Никель и его сплавы
- Алюминий и его сплавы
- Медь
- Нержавеющая сталь
 
 
Стереолитография (SLA)
Фотополимеризация специальной   смолы, при которой жидкий фотополимер в ванне избирательно отверждается   светоактивной полимеризацией.
 
Лазерный луч избирательно   отверждает тонкий слой жидкой УФ-отверждаемой фотополимерной смолы.
 
- Полиэтиленоподобный   материал
- Полипропиленоподобный   материал
- АБС подобный материал
- Поликарбонатоподобный   материал
- Выжигаемые (с низкой   зольностью) и формовочные материалы
 
 
Binder Jetting
Процесс АП, в котором   жидкий связующий агент выборочно наносится для соединения порошковых   материалов.
 
Капля чернил ударяется о   слой порошка, образуя сферический агрегат из связующего и частиц порошка под   действием капиллярных сил.
 
- Технический песок с   литейной смолой для прямого изготовления стержней и форм
- Нержавеющая сталь 316
- Железо
- Полимеры
 
 
Digital Light   Processing (DLP)
Процесс фотополимеризации   в ванне, при котором жидкий фотополимер в ванне выборочно отверждается с   помощью проецируемого изображения с DLP-проектора.
 
Изображение маски   создается из файла растрового изображения, преобразованного из файла STL.   Проектор DLP проецирует проекцию маски данных вокселей в емкость с жидкой   фотополимерной смолой для выборочного отверждения белой части изображения   маски.
 
- Полиэтиленоподобный   материал
- Полипропиленоподобный   материал
- ABS-подобный материал
- Поликарбонатоподобный   материал
- Выжигаемые (с низкой   зольностью) и формовочные материалы
 

3. Процесс проектирования

Дополнительные процедуры проектирования имеют решающее значение для изготовления модной одежды и украшений, напечатанных на 3D-принтере, на этапе проектирования, чтобы обеспечить возможность печати файлов автоматизированного проектирования (САПР). На этапе проектирования необходимо учитывать различные аспекты с точки зрения сбора данных, инструментов проектирования и моделирования, а также ограничений по размеру, которые включают сегментацию проектирования и процессы ручной сборки.

3.1 Сбор данных
Размер украшений, напечатанных на 3D-принтере, можно легко контролировать на этапе проектирования. Дизайнеры могут создать 3D-модель CAD и указать или изменить размеры в соответствии с индивидуальными потребностями клиентов, используя программное обеспечение для моделирования CAD.

Помимо комфорта, еще одно важное требование к одежде, напечатанной на 3D-принтере, - это удобство. Для производства идеально подогнанной по фигуре одежды можно использовать технологию бесконтактного 3D-сканирования тела (D’Apuzzo 2007). Используя эту технологию, можно точно определить размер тела, и дизайнер может выполнить цифровое проектирование непосредственно на виртуальном контуре тела с помощью программного обеспечения САПР. Кроме того, виртуальный 3D-дизайн служит платформой для непосредственного обзора и быстрой настройки в соответствии с требованиями клиентов.

cbc76763-01d1-4cfa-9132-0d793cb2f7b9.png


3.2 Инструменты проектирования и моделирования
Solidworks, AutoCAD, PTC Creo и Rhinoceros (Rhino 3D) - это некоторые примеры коммерческого программного обеспечения САПР, используемого в области проектирования, архитектуры, проектирования изделий и промышленного дизайна. Solidworks - это гибридное средство моделирования твердого тела и поверхности, в то время как Rhino 3D использует неоднородный рациональный B-сплайн (NURBS) при моделировании поверхностей. Поскольку Rhino 3D упрощает работу со сложными изогнутыми поверхностями по сравнению с Solidworks, он более широко используется в 3D-моделировании модных товаров, где дизайн включает множество изогнутых поверхностей.
Процессы проектирования Parametric, такие как вычислительные алгоритмы, являются новым инструментом проектирования в применении дизайна продукта. Вместо того, чтобы рисовать или строить конкретную 3D-модель в программном обеспечении САПР с использованием примитивных форм, инструменты алгоритмического моделирования используют коды, состоящие из взаимозависимых переменных или отношений. Поскольку вычислительные коды реагируют на изменения в конкретных переменных и физических вводных данных, изменение одного или нескольких параметров генерирует альтернативные формы и, следовательно, обеспечивает уникальный индивидуальный дизайн и массовую настройку (Atkinson et al. 2008, Hermans 2012).
Инструменты генеративного параметрического проектирования чрезвычайно важны для обеспечения быстрой настройки для людей, не знакомых с моделированием САПР. Эти инструменты также очень удобны для проектирования одежды и украшений, напечатанных на 3D-принтере, поскольку один исходный код может создавать бесконечные формы дизайна на основе предпочтения человека. В то же время инструменты проектирования Parametric могут рассчитывать и проверять функциональность и возможность печати сгенерированных форм на основе ограничений и границ, установленных дизайнером (Zee and Vries, 2008).
Рис. 1. Верхняя часть «Hydro-shift», демонстрирующая, как можно выполнить сегментацию (красные линии обозначают линии разреза).

3.3 Дополнительные процедуры проектирования

Большинство коммерческих машин для аддитивного производства, особенно настольные 3D-принтеры, имеют относительно небольшой объем сборки, и сложно произвести всю одежду в рамках одного процесса сборки. Поэтому важно сегментировать дизайн на более мелкие части, чтобы соответствовать допустимому размеру построения у выбранного 3D-принтера. Небольшие детали необходимо собрать вместе, чтобы сформировать конечный продукт, в результате дополнительные механизмы соединения должны быть учтены в дизайне перед печатью. Помимо возможности печати, во время модификации проекта САПР необходимо учитывать расход материала, качество поверхности, время сборки и общий эстетический вид. Одна из возможных модификаций — это сегментация дизайна на более мелкие части для печати. Верхняя часть «Hydroshift» с Сингапурского международного конкурса 3D-печати 2013 года, показанная на Рисунке 1, демонстрирует, как можно сделать сегментацию. Линии разреза были замаскированы внутри дизайна, и каждый сегмент можно распечатать на лотке для печати, чтобы печать могла выполняться с наименьшим количеством поддерживающих материалов и с максимальной скоростью. После сегментации эти небольшие секции должны быть собраны вместе, чтобы сформировать окончательный модный продукт. Как правило, небольшие участки удобно склеивать с помощью подходящего клея. Поскольку тонкие площади поперечного сечения секций недостаточны для обеспечения прочного сцепления между деталями, для нанесения клея требуется дополнительная площадь поверхности. Чтобы не повлиять на общий эстетический вид дизайна, на внутренней стороне для нанесения клея были добавлены дополнительные выступы, которые имеют рисунок, аналогичный рисунку соответствующей секции, как показано на Рисунке 2. Для замены клеевого процесса также можно использовать специальные механизмы физического соединения. Соединения, такие как винтовая пружина и объекты, похожие на запонки, полезны для соединения секций с тонкими распорками, такими как конструкция «Волнистые варианты воплощения», как показано на Рисунке 3. Спиральные пружины, намотанные вокруг тонких распорок, могут обеспечивать прочные, но гибкие соединения. Объекты, похожие на запонки, могут служить съемными соединениями, такими как традиционные пуговицы или кнопки-защелки, которые можно легко снимать или устанавливать. Благодаря высокому разрешению и качеству коммерческих АП-машин, ювелирные изделия, напечатанные на 3D-принтере, такие как браслеты и ожерелья, также могут включать в себя стыки, такие как наружная и внутренняя резьба, внутри конструкции, чтобы соединять различные части вместе, как показано на Рисунке 4.

В качестве альтернативы разделению дизайна, чтобы соответствовать размеру сборки 3D-принтеров, дизайнер также может встроить в дизайн гибкие механизмы соединения, чтобы можно было складывать дизайн в меньший размер. Одним из примеров, демонстрирующих осуществимость этой идеи, является апплет Nervous System Kinematics (https://n-e-r-v-o-u-s.com/kinematics), который позволяет свернуть дизайн в более сжатую форму, чтобы он поместился в 3D-принтере. Конструкция состоит из нескольких небольших компонентов, которые соединяются точно расположенными шарнирными соединениями, что позволяет конструкции драпироваться и двигаться подобно настоящей ткани. Полные шарнирные детали также можно сжимать и складывать для получения компактного печатного дизайна за счет тщательного моделирования. Этот дизайн также применяется к украшениям, напечатанным на 3D-принтере, для создания гибких и настраиваемых украшений, таких как браслеты и ожерелья.

4. Постобработка
Визуальная эстетика продукта, или внешний вид продукта, имеет важное значение для влияния на восприятие потребителями ценности продукта (Bloch et al. 2010). Поэтому важно обеспечить соответствие модных изделий, напечатанных на 3D-принтере, с изделиями, изготовленными традиционными методами производства с использованием дополнительной постобработки. Хотя 3D-печатные продукты в настоящее время могут изготавливаться с использованием различных типов материалов, а разрешение многих 3D-принтеров значительно улучшено, визуальное качество большинства печатных продуктов еще не является удовлетворительным для данных задач (Hohkraut 2010). Это в основном объясняется эффектами лестницы, возникающими в результате послойного выращивания изделия, а также непривлекательными монохромными цветами сырья во многих процессах АП, таких как SLS, SLM и SLA. Тем не менее, есть разработки по сокращению очевидных линий печати, возникающих из-за особенностей послойного изготовление. Одним из примеров является запатентованная Solidscape технология «Smooth Curvature Printing» (SCP ™), которая может уменьшить линии печати и эффект лестницы изогнутых периметров за счет динамически изменяющейся скорости каретки для поддержания непрерывного движения по осям X и Y вместо традиционной векторной печати (Интрига 2010).
Рисунок 2. Дополнительные вкладки (красные пунктирные линии), добавленные к каждому сегменту для нанесения клея.

02.png

Рис. 3. В декоративной верхней части «Рябь» используются небольшая винтовая пружина и соединение, напоминающее запонки, для сборки различных секций.

03.png

Рисунок 4. (а) наружная резьба; (b) внутренняя резьба в поперечном сечении согласующей детали (область красного цвета указывает на полую часть).

04.png

Шлифовка, пескоструйка и полировка - распространенные методы отделки, позволяющие добиться привлекательной отделки поверхности и текстуры металлических и полимерных деталей. Как правило, ручная полировка, которая требует больших затрат времени и средств, должна выполняться для получения высокого качества поверхности у изделий со сложной геометрией поверхности, поскольку большая часть поверхности не может быть отполирована механическими средствами.

После полировки может быть выполнено гальванизация или анодирование для дальнейшего улучшения эстетики и долговечности. Гальваника, цветные лепестки цветов, например, хромирование, можно наносить как на полимерные, так и на металлические детали, а анодирование - только на металлы. Гальваника может создавать внешний вид металлического покрытия на поверхности полимера или другого тусклого металла для достижения желаемых эстетических характеристик и повышения износостойкости (Thompson 2011). Анодирование алюминия позволяет окрашивать большое количество цветов, сохраняя при этом металлический вид. Кроме того, при анодировании титана можно получить много разных цветов без использования красителя за счет изменения толщины оксидного слоя. На Рисунке 5 показан браслет из анодированного титана золотого цвета Orchid-Spirit, изготовленный с использованием технологии SLM.

Рис. 5. Двухфункциональный браслет «Orchid-Spirit», изготовленный с использованием Ti-6Al-4V и станка SLM, анодированный для создания золота.

05.png

Покраска распылением и иные виды окрашивания — это методы отделки, позволяющие наносить цвета на 3D-печатные продукты. Эти процессы позволяют производить использовать спектр отделки и цветовой палитры и применимы практически ко всем материалам. Флокирование — это электростатический процесс связывания электрически заряженных волокон с поверхностью с помощью адгезивного покрытия с использованием разности потенциалов (Thompson 2011). Этот процесс может обеспечить мягкую текстуру 3D-печатной продукции и может быть очень полезен для повышения уровня комфорта 3D-печатной модной одежды и украшений, добавляя мягкости жестким печатным поверхностям с острыми краями.

5. Перспективы 3D-печати модной продукции.

5.1 Материалы и методы

По сравнению с одеждой ювелирные изделия, напечатанные на 3D-принтере, получили более высокий уровень признания со стороны покупателей, дизайнеров и производителей в индустрии моды. В основном это связано с материалами, которые доступны в настоящее время и подходят для данной области применения. Как уже упоминалось, украшения можно изготавливать с использованием практически любых материалов, и можно использовать многие прямые и косвенные методы АП, в то время как одежда для 3D-печати по-прежнему ограничивается использованием полимера.

Существует также ряд 3D-принтеров, специально предназначенных для производства ювелирных изделий, предлагая производителям и дизайнерам ювелирных изделий более широкий выбор систем и материалов. Точно так же поставщики услуг 3D-печати онлайн также предлагают клиентам удобную платформу для создания своих небольших ювелирных украшений из самых разных материалов. Тем не менее, по-прежнему сложно и дорого заказывать полноразмерную 3D-печатную одежду у этих поставщиков услуг 3D-печати просто из-за размера и дорогих запатентованных материалов, необходимых для одежды.

Тем не менее, коммерческие материалы для 3D-печати все еще нуждаются в серьезной доработке, чтобы повысить комфорт и гибкость текстиля для одежды и производить по-настоящему удобную одежду для повседневного использования. В настоящее время дорогие материалы для 3D-печати для одежды мешают многим модным дизайнерам вступить в новую сферу технологий 3D-печати. Тем не менее, разрабатываются новые 3D-принтеры и новые материалы. Мы видели, как TamiCare (http://www.tamicare.com), инновационная текстильная компания, разработала запатентованную технологию 3D-печати по текстилю для производства тканей по индивидуальному заказу с использованием жидких полимеров, таких как натуральный латекс, силикон, полиуретан и тефлон, а также текстильные волокна, такие как хлопок, вискоза и полиамид. Следовательно, предполагается, что в ближайшем будущем будут доступны аналогичные технологии или материалы для печати.

5.2 Интеллектуальная собственность

В настоящее время модные бренды высокого класса полагаются на высококачественную ручную работу, чтобы производить свои востребованные и дорогостоящие изделия ручной работы. Многие бренды воздерживаются от использования 3D-печати, поскольку они обеспокоены тем, что их дизайн может быть легко воспроизведен на высококачественных домашних 3D-принтерах и, таким образом, нарушает интеллектуальную собственность их проектов. Поскольку защищать предметы моды, защищенные авторским правом, чрезвычайно сложно, большинство брендов высокого класса избегают технологий 3D-печати для производства своей продукции и будут агрессивно защищать логотип и предметы своей торговой марки от множества случаев нарушения авторских прав (Bradshaw et al.2010, Auslander 2014 ). Тем не менее, небольшое количество дизайнеров решает пойти на риск в обмен на большую свободу дизайна, чтобы расширить границы модной продукции. Они предпочитают использовать эту неизбежную новую технологию и разрабатывать новые бизнес-модели для решения проблем авторского права в 3D-печати.

5.3 Трансформация бизнес-модели

3D-печать может изменить бизнес-модель современной индустрии моды, которая продает только физические товары. Дизайнеры или модные бренды могут продавать цифровые коды своего дизайна вместо физической одежды или украшений, чтобы покупатели могли печатать свою одежду или украшения, используя свои 3D-принтеры дома. Кроме того, клиенты могут использовать код для настройки в соответствии с их размером и предпочтениями цвета, чтобы получить индивидуальные элементы, которые идеально подходят и персонализированы. Дизайнеры также могут сотрудничать с поставщиками услуг 3D-печати, чтобы продавать индивидуализированные 3D-печатные продукты и доставлять их напрямую клиентам. Поступая таким образом, дизайнеры могут оказывать давление на поставщиков услуг онлайн-печати, чтобы те предлагали защиту авторских прав для своих дизайнов для ограничения возможностей нарушения патентов на образцы (Auslander 2014).

6. Заключение

Были представлены различные методы АП для производства модной одежды и украшений. Для того, чтобы производить продукцию эффективно перед тем, как приступить к печати, необходимо рассмотреть инструменты моделирования и основные процедуры проектирования. Кроме того, продукты моды, созданные на 3D-принтере, должны пройти несколько процессов отделки, чтобы улучшить эстетику и, таким образом, воспринимаемую ценность, чтобы они понравились покупателям. В последней части обзора кратко излагаются перспективы 3D-печатной модной продукции, уделяя особое внимание возможности разработки новых материалов и новых машин для аддитивного производства, а также того, как индустрия моды будет решать проблемы нарушения авторских прав. Этот обзор призван дать представление о производстве модных продуктов с использованием АП и получить широкий обзор текущей ситуации, а также перспектив 3D-печати модных продуктов.