Suivre le fil : le système TopoKnit de Drexel jette les bases d'une conception universelle de tissus fonctionnels

Avant l'impression 3D, le routage CNC, la découpe laser et les outils de "fabrication" omniprésents, il y avait le fil et l'aiguille. Pendant des siècles, les premiers fabricants ont tricoté des choses. Couvertures, pulls, gants – tout a pris forme en combinant juste une poignée de points de base. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de l'Université Drexel traduit ces boucles et rebondissements en une architecture numérique du tricot - une étape clé dans le processus d'intégration des nouvelles technologies dans les textiles.

Alors que la promesse de la technologie intégrée au textile, ou "tissus fonctionnels", se profile à l'horizon depuis des décennies, elle s'est principalement concrétisée sous la forme d'équipements militaires techniques et de haute performance et de concepts de mode haut de gamme. Dans la plupart de ces vêtements, la technologie est un ajout externe, plutôt qu'une caractéristique intégrée, du design.

SelonDavid Breen, PhD, professeur au Drexel's College of Computing & Informatics qui modélise des tissus depuis les années 1990, est que les logiciels actuels utilisés pour la conception et la production industrielles de textiles manquent des détails au niveau du fil nécessaires à l'échantillonnage numérique et à la fabrication de précision de dispositifs en tissu.

"Pour que ces textiles [techniques] soient largement déployés et atteignent leur plein potentiel industriel, des outils de modélisation et de simulation informatisés doivent être développés pour soutenir la conception et l'optimisation des structures tricotées", a écrit le groupe de Breen dans un article récent de la revue Graphical Models.

La pièce a présenté TopoKnit, une suite d'algorithmes qu'ils ont développés comme un outil pour modéliser le chemin d'un fil dans un textile tricoté. Bien qu'il ne résolve pas tout le défi de la modélisation, le programme fournit un élément essentiel du processus de conception : la documentation de la façon dont les pièces s'assemblent pour former une pièce finie - l'équivalent d'un plan en architecture.

TopoKnit traduit les commandes de point - comme le tricot, l'envers et le transfert - telles qu'elles apparaîtraient dans un modèle de tricot, ou le programme d'une machine à tricoter numérique, en une carte qui montre où le fil se déplace, boucle par boucle, et comment il interagit avec les boucles adjacentes au fur et à mesure que le textile se forme. Le diagramme résultant, appelé graphe de topologie, permet aux concepteurs de déterminer où se trouve un morceau de fil, par rapport au plan général du textile, à n'importe quel point donné à l'intérieur de celui-ci.

La constitution de ces informations de conception de base pour le tricot arrive à un moment où de plus en plus de chercheurs envisagent des tricots pour fabriquer des tissus fonctionnels. Breen suggère que c'est en partie parce que le tricot supporte des interactions de fils plus complexes que le tissage, ce qui est avantageux pour créer des circuits électriques. De plus, le tricot permet des points de contact de conception plus contrôlables, ainsi que la possibilité de générer des formes 3D sans étapes de fabrication supplémentaires, telles que la coupe et la couture.

"Ce qui est intéressant avec le tricot, c'est qu'au niveau du point, il a une microstructure entièrement programmable. Le tricot est une sorte de programmation qui mappe les opérations de point à des structures physiques spécifiques." dit Bréen. "Parce que les boucles forment de nombreuses connexions différentes, le tricot est plus complexe que le tissage. Les tissus tricotés ont toujours été plus difficiles à modéliser que les tissus tissés. Mais cela donne aux concepteurs plus de points d'entrée pour manipuler divers aspects du matériau, ce qui le rend très prometteur pour l'intégration de nouvelles fonctionnalités."

Pour mettre TopoKnit à l'épreuve, le doctorant de Breen, Levi Kapllani Maharaj, a travaillé avec des partenaires de recherche et des designers du Center for Functional Fabrics de Drexel pour générer une série de 100 modèles de configurations de points 5x5 à l'aide de l'interface graphique de l'une des machines à tricoter numériques du Centre. Les mêmes commandes de point qui sont entrées dans la machine ont également été entrées dans TopoKnit pour produire un graphique de topologie. L'équipe a comparé chaque graphique à son rendu graphique correspondant pour voir si la carte de points correspondait au modèle rendu.

Les graphiques correspondaient exactement dans chaque cas, montrant que le système TopoKnit pouvait être utilisé pour produire de manière fiable des instructions de fabrication pour les textiles tricotés via une séquence d'étapes qui produit des topologies de fil spécifiques. Ces topologies, des descriptions de la façon dont les fils entrent en contact et s'interconnectent, permettent au système de signaler les motifs de points dans une conception qui ne serait pas viable en production, ce qui est une étape importante pour le prototypage.

Bien que la précision de TopoKnit soit importante, Breen a noté qu'il ne s'agissait encore que de la première de nombreuses étapes vers un programme de modélisation textile capable de représenter et de simuler des tissus fonctionnels.

Pour tout type de modélisation informatique de haut niveau, un graphique de topologie est la base sur laquelle des caractéristiques plus visibles, telles que la forme, la force et le mouvement, sont construites. Mais pour les textiles, cette base n'a jamais été établie, car le processus de fabrication des produits était généralement plus urgent que de les reconcevoir pour des outils de haute performance.

"Il est ironique que le tissu soit l'un des plus anciens matériaux créés par l'homme, mais sa modélisation s'est avérée extrêmement difficile et coûteuse en calcul." dit Bréen. "Les poutres en acier sont plus faciles à étudier et à modéliser que les tissus tricotés : parce que les tissus font des choses comme l'étirement et la torsion, ils nécessitent de grandes quantités de puissance de calcul lorsqu'ils sont modélisés de la même manière que cette poutre en acier."

Malgré cette déconnexion technique, la recherche et le développement autour des tissus fonctionnels ont pris de l'ampleur principalement en raison de projets gouvernementaux axés sur des objectifs de performance spécifiques, comme l'intégration de la communication ou de la technologie de surveillance des signes vitaux dans les uniformes militaires. Mais pour ce faire, le domaine s'est fortement appuyé sur l'expertise de designers et de fabricants individuels ayant une expérience approfondie du tricot.

L'avantage des plates-formes de conception textile améliorées, a suggéré Breen, est qu'elles ouvriraient la conception textile à des personnes ayant une expertise dans d'autres domaines, comme l'ingénierie électrique ou la science des matériaux. Topoknit est une approche indépendante de la technologie pour développer des outils d'interopérabilité entre les machines et les plates-formes de modélisation. Et parce que cela permettrait aux concepteurs d'essayer de nouvelles approches avec une meilleure évaluation de ce qui fonctionnera - plutôt que de consacrer du temps et des ressources à des essais et des erreurs - une meilleure modélisation devrait permettre des efforts plus étroitement liés aux biens de consommation.

"Certains de ces matériaux sont très chers. Vous ne pouvez pas vous permettre de faire des essais et des erreurs en raison de l'offre limitée de certaines de ces fibres et fils avancés", a-t-il déclaré. "La vision de la conception assistée par ordinateur est que vous modélisez, simulez et explorez l'espace de conception. Vous faites tout cela virtuellement, par calcul, de sorte que vous n'avez pas à passer par le processus coûteux de fabrication et de voir ensuite si cela fonctionne. Ou vous pouvez au moins explorer les options de conception et affiner les tests que vous souhaitez effectuer avec la pièce finie. "

S'appuyant sur le cadre topologique fourni par TopoKnit, la prochaine étape de cette recherche consiste à optimiser la forme et les comportements des textiles tricotés. Assurer la précision et la modélisation de la forme amorcera les programmes informatiques pour reproduire méticuleusement les propriétés mécaniques des textiles et, en fin de compte, diriger les machines à tricoter pour produire des textiles avec des capacités de performance spécifiques.

"Si nous voulons voir le potentiel des tissus fonctionnels pleinement réalisé, nous devons arriver au point où le tricot est encore plus facile que l'impression 3D - où vous pouvez entrer tous les paramètres souhaités, de la taille et de la forme à la flexibilité et à la conductivité thermique ou électrique et appuyez sur 'go' et une machine à tricoter le produira. Ce travail nous met sur la voie vers cette réalité. "

En plus de Breen et Kapllani Maharaj;Geneviève Dion, directeur du Drexel's Center for Functional Fabrics ;Chelsea Amanatides, PhD , ingénieur de recherche senior au Centre ; etVadim Shapiro , PhD, de l'Université du Wisconsin ont contribué au développement de TopoKnit. Le projet a été initialement financé par la National Science Foundation.

Lisez l'article complet ici : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1524070321000199

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