使用间断和曲线纬纱编织3D壳形织物

文献标题

Weaving 3D Shell-Shaped Fabrics Using Discontinuous and Curved Weft Rows

出版信息

• 主题领域: 3D织物的计算设计与制造。
• 关键词: 3D编织, 可变综筘, 不连续纬纱, 弯曲纬纱行, 计算设计工具, 纺织工程, 软性材料, 人机交互, 壳形织物, 参数化设计。

背景与问题

• 问题/挑战: 传统编织方法由于经纱和纬纱的垂直排列限制，仅能生产平面织物。现有的3D编织几何形态技术通常需要专用织机、复杂的后处理，或在可实现的形状上受到限制。
• 意义: 在织机上直接实现3D几何形态可以消除裁剪、缝制或成型的需求，从而提高纺织生产的效率和灵活性，适用于服装、家具、建筑和复合材料等领域。
• 动机与相关工作: 之前的研究探索了多层编织、可收缩纱线和3D织机，但这些方法在几何形态上受到限制，需要专用设备或涉及后处理。不连续纬纱和改良综筘已在艺术和功能性领域中应用，但尚未系统地用于3D壳形织物。本论文在这些研究的基础上，提出了一种新的编织方法和计算工具。

解决方案

• 提出的方法: 开发一种可变综筘，用于编织不连续和弯曲纬纱行，并结合计算设计工具将3D几何形态转换为编织草图和模板计划。
• 创新点:
  1. 引入可变综筘，实现综齿动态定位，支持非垂直的经纬纱角度。
  2. 集成不连续和弯曲纬纱行，直接在织机上创建3D壳形织物。
  3. 开发计算工具，从输入的3D几何形态生成编织草图和模板计划。
  4. 展示折叠铰链（山折线和谷折线），用于将平面织物转化为3D形态。
• 流程与关键技术:
  1. 用可变综筘替换标准综筘，通过模板动态定位综齿。
  2. 编织不连续纬纱行以定义基础形状，随后通过弯曲纬纱行实现3D几何形态。
  3. 使用斜纹编织结合山折线和谷折线形成折叠铰链。
  4. 使用计算工具（Processing和Rhino/Grasshopper）设计基于输入3D表面的编织草图和模板。
  5. 从织机上移除织物后，手动将其折叠成3D形态。

结果

• 具体发现:
  • 成功制作了3D壳形织物，包括梯形、拱形、半圆顶和翼形。
  • 在测试参数下，确定最大可持续经纬纱角度为60°。
  • 对翼形织物的3D扫描显示，与输入几何形态的最大偏差为12mm。
• 相较基线的优势:
  • 消除了对专用3D织机或后处理步骤（如裁剪和缝制）的需求。
  • 直接将3D几何形态编码到编织过程中。
  • 通过计算工具支持迭代设计工作流。
• 实验/评估:
  • 编织样品包括梯形、拱形和自由形表面。
  • 评估了折叠铰链、角度可持续性以及与输入几何形态的对齐情况。
  • 计算工具支持设计的迭代优化并简化了编织过程。
• 局限性与未来工作:
  • 可变综筘的工作空间有限，最大形状高度约为13cm。
  • 模板的手动更换较为耗时；未来工作将开发自动驱动系统。
  • 弯曲纬纱行中维持纬纱张力和防止松弛仍存在挑战。
  • 计划探索逆向计算方法以预变形模板，并集成功能性纱线用于传感和驱动。
  • 未来将进行用户研究以评估计算工具的创造潜力。

总结

本文提出了一种利用可变综筘和计算设计工具编织3D壳形织物的新方法。通过实现不连续和弯曲纬纱行，该方法消除了对专用织机或后处理的需求，直接将3D几何形态编码到编织过程中。示例包括梯形、拱形、半圆顶和翼形，计算工具支持迭代设计工作流。尽管目前方法受限于手动模板更换和工作空间，未来工作将解决这些问题，并探索在复合材料、建筑和电子纺织品中的应用。这项研究通过将传统编织技术与计算制造和材料编程相结合，为人机交互领域做出了贡献。