电脑横机三维成形技术的发展与应用.pdf

18针织技术2023年第7 期针织工业电脑横机三维成形技术的发展与应用段洁洁，宋晓霞（上海工程技术大学纺织服装学院，上海201620)摘要：电脑横机三维成形技术不仅能够改善产品的三维结构，而且可以节约原材料的使用，实现提高编织效率与降低成本的双重效益，成为针织产业的发展方向之一。文章总结电脑横机编织原理，阐述国内外三维成形技术的发展现状及产品的实际应用，指出三维成形技术及其产品目前存在的问题，并介绍其未来发展趋势，为针织产品的设计与开发提供理论支持。关键词：电脑横机；三维成形技术；产品应用；发展趋势中图分类号：TS184.4文献标志码：B文章编号：10 0 0-40 33(2 0 2 3)0 7-0 0 18-0 5Development and Application of Three-dimensional Knitting Technology ofComputerized Flat Knitting MachineDuan Jiejie,Song Xiaoxia(School of Textile and Clothing,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract:Three-dimensional knitting technology of computerized flat kntting machine can not only improve thethree-dimensional structure of the fabric,but also save the raw materials,and thus achieve the double benefits ofimproving knitting efficiency and reducing cost,which has become one of the development directions of knittingindustry.This paper summarizes the knitting principle of computerized flat knitting machine,expounds thedevelopment status of three-dimensional knitting technology both in the domestic and overseas markets and theproducts practical application as well.It points out the existing problems of three-dimensional knitting technologyand its products,and introduces its future development trend,so as to provide theoretical support for the designand development of knitting products.Key words:Computerized Flat Kntting Machine;Three-dimensional Kntting Technology;Product Application;Development Trend随着横机织造技术的不断发展，使三维成形针织物的编织成为可能。它不仅可以实现针织成形，而且避免了传统针织服装产品套口工序，减少了缝线对于织物结构和性能的影响。与此同时,优化了针织产品整体性能，包括穿着舒适性和美观性，在未来针织工业领域的应用前景日渐广阔三维成形技术及发展现状1.1编织原理电脑横机三维成形技术主要是通过在编织中使不参与工作的织针依然握持旧线圈，而在其他参与工作的织针上完成退圈并参与编织，最终达到三维成形效果；与普通针织产品相比，三维针织成形织物突破了局限在一个平面内的传统织物的不足，结构整体化优势是其他纺织增强结构无法取代的 1。目前在电脑横机上编织三维成形织物的方法有以下3种1.1.1不同织物组织相结合结构不同的针织物组织在横机上编织时，选用相同纱线密度、设置相同弯纱程度和编织针数，所形成织物几何尺寸不同。电脑横机可编织各种纬编针织物组织结构，并且对多种组织结构进行组合，最终编织形成不同外观结构的产品，以达到三维成形目的。然而，织物不同的组织结构结合会引起性能差异，导致产品性能不稳定，因此并不适用于高性能需求织物1.1.2改变线圈长度电脑横机在编织过程中利用基金项目：企事业委托科研项目（0 2 39-E4-6000-19-0339）（19)FZ-0 2 0 。作者简介：段洁洁（19 9 7 一），女，硕士研究生。主要从事针织服装设计与工艺的研究。通讯作者：宋晓霞（19 7 2 一），女，教授，博士。E-mail：s o n g x i a o x i a v i v i a n 12 6.c o m。19针织技术2023年第7 期针织工业机器控制其三角弯纱程度，实现线圈长度在一定范围连续调节，最终通过改变尺寸形成具有三维成形结构的产品，但性能上存在局限性。1.1.3收放针收放针是电脑横机实现三维立体成形编织最主要的手段，是通过增加或减少参与工作的织针数，从而改变织物线圈纵行数 2 。电脑横机具有电子单针选针功能，能方便改变参与编织工作的织针数，为实现电脑横机三维成形编织提供技术保障。收放针方式包括：持圈收放针和移圈收放针。在三维成形织物编织中，主要采用持圈收放针法。持圈收放针又称休止收放针或握持式收放针或局部编织。当进行一个持圈收放针时 3-4,如图1所示，某些织针在这段时间内暂时退出编织，但旧线圈依旧握持在针钩中，在完成收放针针数后再重新进人编织。采用这种方式进行三维成形织物编织时，关键要将三维立体结构转变为二维平面图形，然后根据二维平面展开图设计收放针工艺 2 1一2233445522 3344 55334455放针、445555T4T5544554455334455收针223344551一22334455图1持圈收放针过程1.2发展现状1.2.1国外三维成形发展随着横机生产厂家不断研发横机设备，极大地推动了针织领域产业发展。德国斯托尔（Stoll)公司和日本岛精(ShimaSeiki)公司作为电脑横机研发机构领导者，不断研究与创新电脑横机产品1975年,Stoll公司在意大利ITMA展览会上展出第一台电子控制横机AVN和DSTR机型。19 8 7年，德国Stoll公司推出全新产品CMS系列电脑横机,其采用最新型弹簧式可动沉降片，在编织时保持理想环纱形状，更好实现嵌花、局部编织以及全成形产品编织，如图2所示。19 9 6 年，德国Stoll公司首次推出第一款全成形电脑横机CMS340机型，主要用于编织产业用三维立体变化结构产品。2 0 0 3年,Stoll公司推出全成形电脑横机CMS340TC-M机型,配有4个系统，机号可在2.5 2.7 针/2 5.4mm变动，同时还能进行隔距转换，实现多种成形产品编织。2 0 12 年,Stoll公司推出CMS730T型电脑横机，其配备ASCON自动线圈控制系统，单级无摩擦式选针，采用起底板技术，可采用局部编织实现立体成形,并高效编织出整件衣服 5图2弹簧式可动沉降片1997年，日本岛精公司开发世界上第一台采用SlideNeedle（滑动针)的全成形电脑横机SWG-FIRST，如图3所示。滑动针能够精确控制针舌状态，针位处于针槽正中央，使所形成线圈能左右完全对称，更好地实现三维成形产品的编织。1999年，岛精公司推出具有4个针床和滑动针技术的三维全成形针织“FIRSTSWG-XNEWRT电脑横机。2 0 12 年，岛精公司展出采用牵拉卷取技术的SWG-FIRST124机型，它可以自动调节针板间距离，从而更加有效地控制牵拉张力，因此能织造出三维立体成形衣。2 0 14年，岛精公司推出SWG-N2系列全成形电脑横机，增加了自跑式导纱器和独立型纱筒座，提高了编织手套、帽子、婴幼儿服装等三维成形产品的生产效率。图3Slide Needle(滑动针)1.2.2国内三维成形发展国内研究人员在创新横机技术的同时，对三维成形的编织工艺、成形原理进行相关研究。19 9 8年，胡红利用电脑横机编织技术总结产业用三维针织物基本原理，介绍三维针织物优势和应用前景。2003年，张传德利用电脑横机成形原理探索三维成形织物中叠层织物和成形管道结构设计和上机编织工艺 6 。2 0 13年，宁波慈星、常熟国光等电脑横机制造商都引人动态密度调节技术，能够实现在收放针时根据需要设定不同线圈长度，以利于立体成形技术编织 7 。2 0 14年，江苏金龙公司推出KSC系列3D鞋面编织机，鞋面横机生产开拓了国产电脑横机新应用领域，该机器可以生产各种花型和形状的三维成形鞋面。2 0 16 年，慈星公司推出滑针式复合针加特殊储纱针的TAURUS2.170XP机型，能实现不隔针编织完成收放针操作，进而实现筒状织物编织 8 ,2 0 17 年，常熟国光公司在国产双针床电脑横机上采用压脚技术，有利于编织立体织物家居用品、飞织鞋面等。2019年，王莹莹等利用双针床电脑横机，采用局部编织工艺和圆筒编织结合，并在各个部位结合不同编织方式实现不同形状，编织三维成形手套 9 20针织技术2023年第7 期针织工业2三维成形技术发展应用2.1纺织品服装领域电脑横机三维成形技术使横机成形服装产品由平面逐渐发展成立体成形，并在服装结构款式、编织功能及整体性能等方面都有一定改善与提高，同时避免裁剪加工所造成的浪费，降低生产成本，因而在服装领域有一定应用前景。2.1.1立体成形服装电脑横机三维成形技术结合人体功效学及智能穿戴技术，编织出具有人体体形特点、凹凸有致的立体结构成衣产品，如泳衣、内裤等，如图4所示。利用三维成形技术织造形成双层结构或复合结构，可用于生产特种部队训练服、超高温防护服、飞行员用松紧带等(a)立体成形泳衣(b)立体成形内裤图4立体成形服装2.1.2服饰类产品通过电脑横机可以编织出普通型筒状结构的帽子以及复杂结构的针织帽，如图5所示为贝雷帽编织实例，编织时要先将三维立体结构转化为二维平面图，再计算收放针曲线方程，最后上机编织口罩、面罩等作为日常生活中常用卫生用品，除具有一定防护功M重复多次FEM(a)编织方法(b)实物图图5贝雷帽的编织方法与实物图能，还有多样造型与多功能性。在编织三维成形口罩时，将整体采用收放针编织，通过针数的变化调整内外层凸出程度形成立体凹凸结构，以达到贴合面部三维效果 10 如图6 所示da(a)编织方法(b）3FI M 立体口罩(c)具有特殊功能的面罩图6口罩编织方法与实物图利用电脑横机三维技术生产的鞋面工序少、原料消耗小，且具有质轻、柔软、透气性能。耐克(Nick）公司在2 0 12 年利用Stoll电脑横机开发了“飞织”鞋面，为针织行业带来全新发展 。近年来，诺基亚（Nokia)联合中国工厂采用新型一线成形针织技术生产“一线成形 3D立体针织鞋，使鞋面立体成形技术取得一定进步。另外，三维立体成形工艺与结构设计的结合可形成独特的织物效果，可以开发出满足特定人群、特定环境需求的五指袜鞋类产品，如图7 所示(a)“飞织鞋 编织方法(b)“一线成形 3D立体针织鞋(c)五指袜鞋图7鞋类编织方法与实物图2.2产业用纺织品领域电脑横机的出现打破了长期采用梭织编织技术生产产业用三维织物的模式，利用三维成形技术可得到各种圆筒形、锥形、球形等结构；另外，结合玻璃纤维、碳纤维等材料编织作为增强骨架或使用导电、隔热材料等，可获得高性能产品并应用到产业用纺织品领域 12 2.2.1航空航天用纺织品利用横机成形技术可以编织21针织技术2023年第7 期针织工业出具有变截面的织物或加工具有不同弹性区域和延伸性的金属丝、碳纤维、玻璃纤维等衬纬织物，利用衬纬方式生产碳纤维复合材料等横机产品均可形成横机复合材料，用于航空航天领域 13。如图8所示为锥形针织物编织方法和实物图。锥形针织物是采用持圈收放针方法沿侧向编织，其数学模型见式(1)和式(2)。一个循环(a)编织方法(b)实物图图8 锥形针织物T-P.VH(R-r)(1)10TPR-i(R-r)T+K(2)10N式中：T为单针床上参加工作的总针数；C,为第i枚针在展开图的一个收放针循环中收针或放针阶段连续编织的横列数;P、P,分别为织物横纵密度；N为展开图所包含收放针循环个数；K为修正参数；H为圆锥高；、R分别为圆锥上、下底圆半径。2.2.2医用、汽车纺织品及其他领域在医疗纺织品领域，由于三维成形针织物具备较好的弹性、透气性，可以编织出网状结构的伤口敷布、医用服装、医用康复产品等。另外，也能够实现各种不同尺寸与形状的人造器官编织，如人造血管、人造食管、人造心脏瓣膜等生物体类针织品，如图9 a、图9 b所示采用一些特殊材料，如吸音功能、防水功能等材料织造的三维成形织物可以广泛应用于汽车座椅的表面层、汽车门板衬里、车顶棚、座椅口袋等，如图9 c所示(a)伤口敷布(b)人造血管(c）汽车座椅套图9医用及汽车用纺织品电脑横机三维成形针织物在各个领域都有广泛应用，并形成了各种形状的成形产品，如用热定形纱织造的无缝灯罩、装饰用手提包、三维针织床垫等，如图10 所示。3三维成形编织技术存在问题三维全成形编织技术具有织造工艺灵活、无须裁剪、成本低的特点，但在编织时也存在一定问题。第一，实现电脑横机三维立体针织物的编织可通过收放针、圆筒编织等编织工艺。但无论采用何种工艺，都需要将三维立体结构转变为二维平面图形，结合编织工艺参(a）无缝灯罩(b）装饰用手提包(c）三维针织床垫图10其他领域的三维成形产品数、数学模型等进行准确的工艺计算，才能最终编织出具有三维立体造型的针织物。第二，在编织三维成形结构中对横机结构中的牵拉系统和沉降片要求较高，并且在成形产品花型设计时，具有一定复杂性，因此需要不断研究与改进国内横机设备与技术。第三，三维全成形技术在产业用领域的应用不断拓展，一些产业用高强、高模量纤维在横机中的成形工艺及性能没有一定的理论依据，因而需要研究发展不同领域与针织技术的结合4三维成形技术发展前景4.1横机设备的优化日本岛精公司推出MACH2X系列全成形电脑横机，该系列配备了4个装有滑针式全成形针的针床，采用i-DSCS+DTC智能型数控纱环系统+能动张力装置系统，可以检测每个导纱器喂人纱线长度，调节每一系统弯纱三角深度，实现及时送纱及返纱，因而可以容易地编织复杂的组织结构，更好地实现三维成形编织。岛精公司最新展出N.SVR123SP电脑横机，加上弹簧式可动沉降片得以更稳定地压住22针织技术2023年第7 期针织工业纱环，新型i-Plating智能反向添纱功能可以更好地编织医疗、鞋类等领域立体成形产品 14。2 0 13年，Stoll公司研发出一种导纱器能够完成所有编织模式的独立直接送纱技术，即ADF技术，每把导纱器不受机头控制直接送纱，减少了对纱线张力的影响，不仅可以编织结构独特的服饰产品，而且在加工产业用三维成形产品方面具有优势2018年，Stoll公司推出ADF530-24机型和ADF530-24W机型，一种类型的导纱器可完成多针距、变针距、毛圈、镂空等复杂结构编织，有利于编织产业用成形产品。而CMS-330HPTTSport机型为单机头、3系统、单级无摩擦选针，高位皮罗拉+起针梳，主要用于生产3D鞋面。近几年，国内江苏金龙公司推出的自跑式导纱器AFC-252C电脑横机，可以改变机头带动导纱器模式，每把导纱器都由独立的电动机控制，可实现嵌花、正反盖毛，减少导纱器回踢，提高了编织效率，创新花型设计的同时能够更好地实现成形编织 14。由宁波慈星公司自主研发的采用STEIGER一线成形新技术的电脑横机，即一根纱线进去，整件服装出来，实现全自动产品织造，同时呈现三维立体效果。慈星公司还推出STEIGER5针板一线成形电脑横机，是具备智跑式导纱器、一线成形等多项功能的全成形电脑横机，使用起底板、副罗拉配合柔性牵拉装置，可实现各种双面织物寄针、收放针成形，满足各种立体成形产品编织需求 154.2开发三维全成形产业用织物随着三维全成形技术在产业用领域的不断发展，加大了特种材料和纱线的研发和应用，然而许多产业用纱线在横机编织时功能性达不到理想状态，需要探讨与研究产业用三维横机织物结构特殊要求，制定相关生产标准等，以便开发出性能更优的三维产业用织物4.3开发智能化产品用智能材料进行编织或在三维全成形织物中加人智能器件，赋予信号感知的能力，不仅使其具有实用与美观的基础服用性能，而且还满足了消费者对服装的特殊安全需求。如三维成形服装中加人智能器件可以监测穿着者的心率等健康状况；在鞋面织造中加人智能器件可以获取运动员在运动中的跑步信息，如速度、距离、脚部受力等4.4推进智能化生产模式将三维全成形技术进行一定范围普及，可以推动电脑横机产品的智能化制造与个性化定制。通过三维成形技术与设备创新能够革新传统的生产流程，实现生产自动化的同时编织符合人体功效学的服装。同时，可以实现三维针织产品大规模快速个性化定制，使消费者参与产品设计并保持工业生产效率与水平。5丝结束语针织三维成形技术使产品具有一体成形、造型多样、舒适柔软、适应性强的特点，成为针织产品设计与编织的发展方向之一。因此，不仅需要对针织技术本身进行创新与发展，还需要对产品进行改造，不断促进各领域、各行业的信息技术交流，以寻求更多产品开发可能性，这也将不断拓展电脑横机三维成形产品的发展空间和市场潜力，为实现电脑横机利用三维全成形技术开发其他产品提供理论依据参考文献1周荣星，冯勋伟.横机三维编织技术及其产业应用 J.产业用纺织品，2 0 0 0(8):6-9.2HONG H,FLLHO A A,FANGU-EIRO R,et al.The development of 3Dshaped knitted fabrics for technical pur-poses on a flat knitting machineJJ.Indi-an Journal of Fibre&Textile Research,1994,19(9):189-194.3HONG H,FLLHO A A,FANGU-EIRO R,et al.Flat knitting machinesfor the production of 3D-shaped fabricsfor technical applications 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