Siguiendo el hilo: el sistema TopoKnit de Drexel sienta las bases para el diseño universal de tejidos funcionales

Antes de la impresión 3D, el enrutamiento CNC, el corte por láser y las herramientas de "fabricación" ubicuas, existían el hilo y la aguja. Durante siglos, los primeros fabricantes tejieron cosas para que existieran. Mantas, suéteres, guantes: todo tomó forma combinando solo un puñado de puntadas básicas. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Drexel está traduciendo esos bucles y giros en una arquitectura digital de tejido, un paso clave en el proceso de incorporación de nuevas tecnologías en los textiles.

Si bien la promesa de la tecnología incrustada en textiles, o "tejidos funcionales", ha estado en el horizonte durante décadas, se ha materializado principalmente en forma de equipos militares técnicos y de alto rendimiento y conceptos de moda de alta gama. En la mayoría de estas prendas, la tecnología es una adición externa, más que una característica integrada, del diseño.

Una de las mayores barreras para la integración total de la tecnología en los textiles y la adopción minorista más amplia de telas funcionales, segúnDr. David Breen, profesor de la Facultad de Computación e Informática de Drexel que modela telas por computadora desde la década de 1990, es que el software actual que se usa para el diseño industrial y la producción de textiles carece del detalle a nivel de hilo necesario para el muestreo digital y la fabricación de precisión de dispositivos de tela.

"Para que estos textiles [técnicos] se implementen ampliamente y alcancen todo su potencial industrial, se deben desarrollar herramientas de modelado y simulación basadas en computadora para respaldar el diseño y la optimización de estructuras tejidas", escribió el grupo de Breen en un artículo reciente en el revista Modelos Gráficos.

La pieza presentó TopoKnit, un conjunto de algoritmos que desarrollaron como una herramienta para modelar la ruta de un hilo dentro de un tejido de punto. Si bien no resuelve todo el desafío del modelado, el programa proporciona un elemento esencial del proceso de diseño: la documentación de cómo se unen las partes para hacer una pieza terminada, el equivalente a un plano en arquitectura.

TopoKnit traduce los comandos de puntada, como tejido, revés y transferencia, tal como aparecerían en un patrón de tejido, o en el programa de una máquina de tejer digital, en un mapa que muestra por dónde viaja el hilo, bucle por bucle, y cómo interactúa con los hilos adyacentes. bucles a medida que se forma el tejido. El diagrama resultante, llamado gráfico de topología, permite a los diseñadores señalar dónde se encuentra una pieza de hilo, con respecto al plano general del textil, en cualquier punto dentro de él.

La creación de esta información de diseño de referencia para tejer llega en un momento en que más investigadores están considerando tejidos de punto para fabricar telas funcionales. Breen sugiere que esto se debe en parte a que tejer admite interacciones de hilo más complejas que tejer, lo cual es ventajoso para crear circuitos eléctricos. Además, el tejido permite puntos de contacto de diseño más controlables, así como la capacidad de generar formas 3D sin pasos de fabricación adicionales, como cortar y coser.

"Lo interesante de tejer es que, a nivel de puntada, tiene una microestructura completamente programable. Tejer es un tipo de programación que asigna operaciones de puntada a estructuras físicas específicas". dijo Breen. "Debido a que los bucles forman muchas conexiones diferentes, tejer es más complejo que tejer. Las telas de punto siempre han sido más difíciles de modelar que las telas tejidas. Pero brinda a los diseñadores más puntos de entrada para manipular varios aspectos del material, lo que lo hace muy prometedor para construir una nueva funcionalidad".

Para poner a prueba TopoKnit, el estudiante de doctorado de Breen, Levi Kapllani Maharaj, trabajó con socios de investigación y diseñadores en el Centro de Tejidos Funcionales de Drexel para generar una serie de 100 patrones de configuraciones de puntadas de 5x5 utilizando la interfaz gráfica en una de las máquinas de tejer digitales del Centro. Los mismos comandos de puntada que entraron en la máquina también se ingresaron en TopoKnit para producir un gráfico de topología. El equipo comparó cada gráfico con su representación gráfica correspondiente para ver si el mapa de puntos coincidía con el modelo representado.

Los gráficos coincidieron exactamente en cada caso, lo que muestra que el sistema TopoKnit se puede utilizar para producir de forma fiable instrucciones de fabricación para tejidos de punto a través de una secuencia de pasos que produce topologías de hilo específicas. Estas topologías, descripciones de cómo los hilos se ponen en contacto y se interconectan entre sí, permiten que el sistema marque patrones de puntadas en un diseño que no sería viable en producción, lo cual es un paso importante para la creación de prototipos.

Si bien la precisión de TopoKnit es importante, Breen señaló que todavía es solo el primero de muchos pasos hacia un programa de modelado textil que puede representar y simular tejidos funcionales.

Para cualquier tipo de modelado por computadora de alto nivel, un gráfico de topología es la base sobre la cual se construyen las características más notables, como la forma, la fuerza y ​​el movimiento. Pero en el caso de los textiles, esa base nunca se estableció, porque el proceso de producción de productos por lo general era más urgente que rediseñarlos para herramientas de alto rendimiento.

"Es irónico que la tela sea uno de los materiales creados por humanos más antiguos, pero modelarlo ha demostrado ser extremadamente desafiante y costoso computacionalmente". dijo Breen. "Las vigas de acero son más fáciles de estudiar y modelar que las telas tejidas: debido a que las telas hacen cosas como estirarse y torcerse, requieren una gran cantidad de poder computacional cuando se modelan de manera similar a esa viga de acero".

A pesar de esta desconexión de la ingeniería, la investigación y el desarrollo en torno a los tejidos funcionales ha cobrado impulso principalmente debido a los proyectos gubernamentales centrados en objetivos de rendimiento específicos, como la incorporación de tecnologías de comunicaciones o de monitorización de signos vitales en los uniformes militares. Pero para hacer esto, el campo se ha basado en gran medida en la experiencia de diseñadores y fabricantes individuales con una gran experiencia en el tejido.

El beneficio de las plataformas de diseño textil mejoradas, sugirió Breen, es que abriría el diseño textil a personas con experiencia en otras áreas, como ingeniería eléctrica o ciencia de materiales. Topoknit es un enfoque independiente de la tecnología para desarrollar herramientas para la interoperabilidad entre máquinas y plataformas de modelado. Y debido a que permitiría a los diseñadores probar nuevos enfoques con un mejor indicador de lo que funcionará, en lugar de gastar tiempo y recursos en prueba y error, un mejor modelado debería permitir esfuerzos más estrechamente vinculados a los bienes de consumo.

"Algunos de estos materiales son realmente caros. No puede permitirse realizar pruebas de prueba y error debido al suministro limitado de algunas de estas fibras e hilos avanzados", dijo. "La visión para el diseño asistido por computadora es que modelas, simulas y exploras el espacio de diseño. Lo haces todo virtualmente, computacionalmente, para que no tengas que pasar por el costoso proceso de hacerlo y luego ver si funciona. O al menos podría explorar las opciones de diseño y reducir las pruebas que desea realizar con la pieza terminada".

Sobre la base del marco de topología proporcionado por TopoKnit, el siguiente paso de esta investigación es optimizar la forma y el comportamiento de los tejidos de punto. Garantizar la precisión y modelar la forma preparará los programas informáticos para reproducir meticulosamente las propiedades mecánicas de los textiles y, en última instancia, dirigirá las máquinas de tejer para producir textiles con capacidades de rendimiento específicas.

"Si vamos a ver el potencial de los tejidos funcionales plenamente desarrollado, tenemos que llegar al punto en el que tejer sea incluso más fácil que la impresión 3D, donde se pueden introducir todos los parámetros deseados, desde el tamaño y la forma hasta la flexibilidad y la temperatura o conductividad eléctrica y presione 'ir' y una máquina de tejer lo producirá. Este trabajo nos está poniendo en el camino hacia esa realidad".

Además de Breen y Kapllani Maharaj;genevieve dion, director del Centro de Tejidos Funcionales de Drexel;Chelsea Amanatides, PhD , ingeniero senior de investigación en el Centro; yvadim shapiro , PhD, de la Universidad de Wisconsin han contribuido al desarrollo de TopoKnit. El proyecto fue financiado inicialmente por la Fundación Nacional de Ciencias.

Lea el documento completo aquí: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1524070321000199

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