Применение трехмерной печати для формозакрепляющих элементов в швейные изделия

Одежда – объект с неразвертываемой поверхностью [1], поэтому его формообразование решается членением на детали, соединенные швами и введением в структуру изделия дополнительных прокладочных элементов, поддерживающих полученную форму. Трехмерное компьютерное проектирование одежды выполняется в графической среде специализированных программ – систем автоматизированного проектирования одежды (САПР). Виртуальное швейное изделие на экране монитора – это жесткая конструкция с определенной конфигурацией поверхности [2]. На опорном участке одежда, как текстильная оболочка [3], повторяет контуры фигуры человека, а на участках свободного провисания изменяет свою форму в зависимости от свойств материалов изделия [4]. В большинстве случаев материалы для одежды имеют сетчатую подвижную структуру (ткани, трикотаж), за исключением натурального меха, обладающего плотной кожевой тканью [5]. Поэтому для поддержания формы в швейных изделиях используют различные прокладочные детали [6] и каркасные системы [7, 8]. Формообразование большинства известных в настоящее время каркасных прокладочных деталей в одежде выполняется из плоских материалов. При этом есть вероятность изменения их пространственной конфигурации в натурном аналоге. Перспективным является трехмерная печать каркасных элементов в швейные изделия из термопластичных материалов.

ДАННЫЕ О МЕТОДИКЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель исследования ‒ апробация применения термопластичных материалов и поиск режимов 3D печати формозакрепляющих деталей в швейные изделия различного ассортимента. Разработка виртуального образа формозакрепляющих деталей проводилась в графической среде САПР.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В зависимости от назначения швейного изделия для закрепления его пространственной конфигурации используют различные формозакрепляющие элементы: протяженные в продольном и поперечном направлении детали [8, 9] или каркасы ленточного типа [7]. Исследование ассортимента материалов для 3D-печати показало, что не все полимеры пригодны для использования в формозадающих прокладках швейных изделий. Основные свойства, которыми должен обладать каркасный материал в одежде, – это гибкость, легкость, прочность на изгиб, экологичность, низкая усадка при охлаждении после 3D-формования.

По результатам сравнения свойств наиболее популярных [10] пластиков для 3D-печати установлено, что большинство из них не пригодны в качестве каркасных материалов в производстве швейных изделий (рис. 1). Так ABS-пластик (акрилонитрил-бутадиен-стирол) не обладает необходимой для швейного изделия гибкостью.

Полимер полимолочной кислоты (PLA) экологичен с хорошей формовочной способностью, произво- дится из ежегодно возобновляемого биоразлагаемого натурального сырья – кукурузы и сахарного тростника. Однако присущая PLA хрупкость делает его невостребованным для производства формозадающих каркасов в швейные изделия длительного использования, поскольку в процессе эксплуатации отдельные детали одежды и все изделие в целом испытывают внешние силовые нагрузки, способные разрушить целостность каркаса из PLA.

Стирол-бутадиен-стирол (SBS) по сравнению с ABS-пластиком и PLA обладает повышенной гибкостью, но неэкологичность и низкая гигроскопичность снижают его потребительские свойства этого пластика.

Рисунок 1 – Сравнительный анализ свойств пластиков для 3D-печати

Исследование свойств полиэтилен терефталата (PET) показало его высокую вероятность востребованности в качестве материала для производства усилителей в конструкции реабилитационных изделий – мешков для ног в инвалидные коляски [9]. Пластичность PET позволяет получить пространственную форму каркасаленточного типа, с конфигурацией, подобной анатомическому абрису ног. В результате исследования свойств пластика PET установлены его положительные свойства в сохранении пространственной формы при многократном использовании 3D ленточного каркаса, что говорит о прогнозируемой высокой износостойкости изделий. Пластику PET присущи легкость, ударопрочность, гибкость, экологичность. Это важные и обязательные свойства материалов для лечебно-профилактических изделий в реабилитационной индустрии [11].

Исследование свойств полиамида (нейлон) [12] в качестве филамента для 3D-печати формозакрепляющих каркасов в швейные изделия показало, что этот материал обладает высокой прочностью и гибкостью, выдерживает динамические нагрузки, износоустойчив. В текстильной промышленности накоплен богатый опыт применения полиамидных волокон при производстве материалов для одежды. Выпускают ткани и трикотаж как со 100 % содержанием полиамида, так и в качестве сопутствующего волокна, улучшающего свойства текстильного материала.

Опыт изготовления экспериментального каркаса [13] из нейлона в швейное изделие (рис. 2) показал, что выбранный полимер обладает хорошей гибкостью, изделие получается с эстетичными участками сцепления слоев – без сколков и вмятин. Поверхность каркаса мягкая, шелковистая, с низким тангенциальным сопротивлением, что востребовано в производстве внутренних каркасов на этапе соединения с изделием. Перспективно применение нейлона в технологиях 3D-печати для формозакрепления в изделиях реабилитационного назначения, как для изготовления ленточных каркасов, так и протяженных каркасных деталей большой площади – усилителей в носочную и пяточную части мешков для ног [14].

На первом этапе выполнялось сканирование фигуры портативным сканером Artec 3D Eva [15] с обработкой результатов в пакете программ: Autodesk Fusion 360, Rhino, 3DMAX (рис. 2). Виртуальный образ сканированной фигуры использовался как основа для проектирования динамичной формы каркаса с заданными размерами ребер.

Построение многомерного объекта – каркаса в одежду – выполнялось в графической среде САПР

AutoCAD относительно поверхности трехмерного манекена. Проектируемый каркас представляет собой взаимно пересекающиеся разнонаправленные линии. Позиционирование проектируемого каркаса проводилось по основным уровням – линиям груди, талии, бедер, имеющим четко заданную форму, приближенную к эллиптической [16]. Точки пересечения совокупности линий, в зависимости от назначения каркаса, могут быть расположены как хаотично, так и в заданном порядке. В разведывательном эксперименте выбрано хаотичное расположение пересекающихся точек для проработки максимально возможных случаев и установления математических описаний всех возможных зависимостей. Проектируемый каркас (рис. 3) замкнутой формы задан совокупностью разнонаправленных линий без разрывов. Стыковка частей каркаса проектируемого объекта должна быть с максимальной гладкостью контура. Конфигурация большинства из них математически описывается как кривые второго порядка.

Рисунок 2 – Процесс формирования 3D-формы – опоры каркаса: а – сканирование фигуры, б – каркасная модель фрагмента фигуры, в – тонированная модель фрагмента фигуры

Рисунок 3 – Каркас в швейное изделие фантазийной формы, напечатанный на 3D-принтере

Разведывательный эксперимент показал, что в связи со сложностью пространственного очертания формозадающего каркаса, при 3D-печати целесообразно разбить его пространственную форму на фрагменты в информативных точках по принципу однородности их геометрии и возможности описания математическими функциями [16]. В этом случае появляется возможность описать уравнениями фрагменты из продольных и поперечных графических примитивов. Каждый фрагмент топографической зоны каркаса можно представить кинематической поверхностью, где образующей является фрагмент поперечного сечения, а направляющими – фрагменты продольных линий каркаса [16]. На рисунке 4 красным цветом выделены топографические фрагменты каркаса, поверхность которого сформирована относительно поверхности виртуального манекена фигуры, а f i – обозначения фрагментов продольных линий каркаса.

Для формирования общего вида уравнений выполнена параметризация функций образующих линий, описывающих поперечные сечения, как интерактивные объекты, через параметры исследуемых фрагментов каркаса, координаты узловых точек и наклоны направляющих.

Разработанное математическое описание поверхности формозадающего каркаса позволяет получить полную характеристику пространственной формы проектируемого объекта и выполнить параметризацию [17] при изготовлении формозадающих каркасов в изделия смежных размеров и ростов, согласно действующей в промышленности размерной типологии населения.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В ходе разведывательного эксперимента установлено, что предлагаемое аналитическое описание информации о длинах и конфигурации любой линии формозадающего каркаса позволяет получить достоверный по форме и размерам виртуальный аналог проектируемого объекта и, соответственно, выполнить качественную 3D-печать изделия. При этом необходимо учесть, что в процессе остывания термопластики дают некоторую усадку. Поэтому при проектировании пространственной формы формозадающего каркаса обязательным является этап масштабирования полученного виртуального объекта на величину коэффициента усадки, зависящего от выбранного типа филамента.