三維成形針織護膝的編織工藝設計與開發

段潔潔，宋曉霞

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

膝關節是人體運動時的關鍵部位，人們可以通過佩戴護膝保護膝關節。傳統護膝產品一般采用二維平面編織成形，雖具有一定的保暖性，但舒適性不佳。而利用三維成形技術開發的現代護膝產品，能夠滿足柔軟、保暖與舒適的多重要求。針織三維成形技術與普通橫機工藝相比，能夠減少產品的縫制工序，實現織物一線成形，滿足貼體舒適的需求。同時，在編織過程中也可以根據人體不同部位設計不同的組織，從而達到不同的功能效果，在針織市場具有較好的應用前景[1]。此外，在編織中結合使用功能性紗線可以實現針織護膝的高性能，如吸濕發熱材料能夠利用纖維本身的性能實現發熱保暖功能，且吸濕透氣性好，柔軟舒適效果佳；錦氨綸包覆紗因良好的回彈性廣泛應用于護膝產品中。

文中選用吸濕發熱紗線與錦氨包覆紗進行交織，并通過三維成形技術開發出一款兼具柔軟性、舒適性且保暖性較好的針織護膝產品。

1 三維成形針織護膝編織工藝

1.1 三維成形針織物成形工藝

人們通過改變織物在針床上參與編織的織針數、組織結構以及線圈長度實現尺寸變化，最終完成三維成形針織物的編織。與普通針織產品相比，三維針織成形織物打破了傳統織物平面編織工藝的不足，其結構更加整體化，改善織物三維結構的同時減少裁剪和縫紉的工序，節約了原料與成本[2]。

針織產品一般通過電腦橫機前后針床間織針的相互串套連接形成，但隨著科學技術的發展，電腦橫機織造技術由二維編織發展到三維編織，并在紡織品領域得到廣泛應用。三維成形編織技術主要采用收放針改變參與編織的織針數，從而實現不同造型編織。收放針主要包括持圈收放針和移圈收放針，在普通雙針床電腦橫機進行三維成形針織物編織時，一般采用持圈收放針(又稱局部編織)，即在編織過程中將部分織針暫時退出編織工作，但舊線圈依舊握持在針鉤中，在完成收放針的針數后再重新進入[3-4]，具體過程如圖1[4]所示。圖1中，T1～T4為參與針床的不同針數。雙針床電腦橫機是現代企業普遍使用的電腦橫機類型，其采用隔針編織的方式完成立體成形織物，即前針床上的偶數針參與編織，其他不參加編織的空針則用于完成翻針等其他動作，在編織完前針床后繼而開始后針床的編織，采取同樣的編織方法，最終形成前后針床相連的筒狀形狀[5-6]。利用這種方法編織三維立體織物時，需要將三維立體結構轉換為二維平面圖形，再根據二維展開圖進行收放針工藝計算，最終實現立體造型[7]。

圖1 持圈收放針過程Fig.1 Process of holding the needle in the loop

1.2 三維成形護膝編織工藝模型

1.2.1膝關節結構 膝關節在人們日常活動中起到重要作用，其是影響腿部運動的主要因素，且較容易受傷[8]。人體膝部形態如圖2所示。當人體在靜止站立狀態，膝關節骨骼在整體腿部結構中并不是平面造型，而是凸起帶有一定的曲面。在人們利用膝關節進行腿部彎曲、跳躍等活動時，腿部結構也會呈現三維立體形態，因此在開發設計護膝產品時，需注意人體腿部曲面結構特征，保證產品的舒適性。

圖2 人體膝部形態Fig.2 Diagram of human knee

1.2.2針織護膝造型設計 當前市場中的針織護膝產品大多數采用二維編織成形，部分產品會進行縫合形成筒狀，但這些產品多為平面形態并不符合人體曲面結構。而利用三維成形針織工藝技術編織出的護膝造型凹凸有致，能夠更好地貼合人體膝部，起到良好的保護作用。同時，三維成形針織技術可以實現一線成形，提高護膝穿戴的舒適性和貼體性。

三維護膝針織物結構如圖3所示。由圖3可知，護膝整體利用圓筒形結構編織，并分為3個區域。區域1和區域3采用直筒形編織工藝，區域2則采用曲面編織工藝編織。在區域1直筒狀向上編織時，采用前后針床收針的方式讓護膝的上下尺寸產生一定的圍度差，使織物更好地貼合腿部線條。在編織完直筒所需高度后，區域2的部分織針仍握持舊線圈暫時不參與編織工作，余下織針繼續進行編織，并在編織過程中通過加減針的方式改變參與編織的針數。

圖3 三維護膝針織物結構Fig.3 Three-dimensional kneecap's knitted fabric structure

1.2.3三維成形護膝編織模型 采用三維成形技術編織護膝時，為了編織工藝效果，需將三維立體形狀展開成二維平面圖形。在圖形展開時，要選擇有規則的曲線或者曲面，避免復雜的織造工藝，減小織物設計難度，便于立體成形織物的編織。

將護膝膝部主體區域2的三維結構展開成二維圖形，并利用收放針工藝實現膝部關節包裹曲線設計，使局部形成良好的立體效果，具體如圖4所示。其中一截管狀圓形轉角處的正視圖如圖5[2]所示。由圖5(a)可知，圓弧cd為轉角處任一縱行i的投影線，圖5(b)為圓形轉角處通過圓心O點的任一截面。區域2的局部編織工藝計算公式為

T=πR·Pa/10,

(1)

式中：T為一個針床上參與工作的總針數；R為圓形截面半徑(cm)；Pa為織物的橫密(根/dm)。

L=R-Xi,

(2)

式中：L為ab兩點之間的距離；Xi為織物第i縱行上的某一點。

γ=πi/T,

(3)

式中：γ為二維平面圖的一個角度。

(4)

式中：q為橫密與縱密的比值；r為二維平面圓形半徑；N為收放針循環的個數；Ci為一個收放針循環中第i枚針連續收針或放針的轉數；r′為圓弧cd轉角處任一圓形半徑；Pb為織物的縱密(根/dm)；h1,h2為不同的高度值。

圖4 針織護膝主體區域2 的二維展開效果Fig.4 Two dimensional expansion effect of main area 2 of knitted kneecap

圖5 圓形轉角處二維平面效果Fig.5 Two dimensional effect of circular corners

在進行編織時，根據公式計算得出Ci的理論值，由此可以確定收放針階段的每枚針連續編織的轉數，但是在實際編織時，需要根據造型需求進行不斷調整，才能編織出比較理想的織物[2]。

2 三維成形護膝織造工藝與成品

2.1 材料選擇

吸濕發熱紗線主要將空氣或人體散發的氣態水轉化成液態，通過放熱過程實現發熱保暖[9]。文中選用超細旦發熱腈綸纖維和黏膠纖維混紡而成的吸濕發熱紗線作為實驗紗線，其混紡質量比為40∶60。其中：腈綸纖維有“合成羊毛”之稱，超細旦發熱腈綸與普通腈綸相比，截面呈現不規則多邊形，纖維表面粗糙，具有較好的保暖性；而黏膠纖維具有較好的導濕性，能夠將皮膚表層的水汽迅速擴散到空氣中。同時，為了使產品具有一定的彈性效果，在添紗組織中加入一定比例的錦氨包覆紗，使其滿足柔軟舒適、保暖的同時，還具有良好的彈性。紗線具體規格見表1。

表1 紗線基本參數

2.2 護膝產品設計

2.2.1組織結構 組織結構的不同影響著織物性能，導致其外觀效果也具有一定的差異[10]。在實際生產中考慮到穿著性能和款式，需要在不同位置采用不同的組織結構。文中實驗三維護膝成形編織主要采用雙反面組織、假羅紋組織、浮線組織和添紗組織4種組織結構。其中：①雙反面組織的正反面具有相同的組織，相對于平針組織較厚實，縱、橫向彈性較好，且不易卷邊，因此將其作為護膝產品的主要組織。②假羅紋組織是三維成形服裝中常用的組織，彈性好且不容易卷邊和脫散，常被用作針織領口、袖口等[11]。為了防止在穿著過程中滑落，同時增加織物束口的彈性，在護膝上下端采用假羅紋組織提高護膝的穩定性。③浮線組織織物結構主要以平針與浮線組織交替工作，浮線的存在使得織物脫散性變小、厚度增加，提高了織物的保暖性[12]。因而在膝部造型編織時使用浮線組織，可提高對關節的保護。④添紗組織能夠同時編織兩根以上紗線，同時保證兩種紗線的相對位置，即一種紗線始終在織物的正面出現，另一種紗線始終在織物的反面出現[13]。護膝作用于膝部，對骨骼起到固定作用，因而要有一定的彈性和緊度。在織物編織時，將氨綸包覆紗以添紗形式加入其中，可增加織物的彈性和保暖性。具體組織工藝如圖6[10]所示。

圖6 三維成形組織工藝Fig.6 Three dimensional forming structure technology

2.2.2護膝尺寸設計 根據整體面料彈性大小設計護膝產品尺寸，具體如圖7所示。由圖7可知，護膝總長度為24 cm，上口寬為15 cm，下口寬為13 cm，上下處羅紋組織寬度為2 cm，膝部防護造型尺寸為8 cm。

圖7 護膝尺寸設計Fig.7 Kneepad size design

2.2.3護膝制版與上機編織 使用E9.2 mm德國斯托爾(Stoll) CMS830Ki型電腦橫機織造，首先在M1-plus程序設計系統軟件中進行工藝編織，利用顏色排列(colour arrangement,CA)設計實現復雜花型與組織，根據選用的不同組織確定合適的橫縱密度，不同組織的橫縱密度見表2。

表2 不同組織密度參數

按照不同組織的橫縱密度與整體護膝尺寸，計算護膝的制版工藝，在計算時按照編織順序(從上口寬開始編織)進行工藝計算，并依據收放針的計算公式不斷優化產品造型，最終確定工藝參數。護膝制版工藝如圖8所示。具體編織過程如下：

1)在編織時1 號紗嘴從左邊進行起底廢紗編織，3號主紗嘴從左邊進行圓筒狀編織；與此同時，設置寬紗嘴為添紗導紗器，喂入氨綸彈力絲，使氨綸絲以添紗組織的形式參與整體織物的編織。2號紗嘴喂入橡筋紗參與編織，編織順序從上口寬開始，起底根據款式設計，選用1×1假羅紋組織；羅紋編織結束后，進入雙反面組織的主體編織，編織順序為前、前、后、后，依次循環形成圓筒形織物，并每隔一段距離進行一次收針工藝，直到達到設計的下口寬的尺寸。最后進行CA收針工藝，具體如圖9所示。

圖8 護膝制版工藝Fig.8 Kneepad plate making technology

圖9 雙反面組織CA收針工藝Fig.9 Double reverse tissue CA needle collection process

2)利用持圈式收放針進行膝部立體造型的編織，局部編織采用浮線組織結構，可有效提高局部結構的整體性能。同時，在局部編織中，機頭每次返回時要進行吊目(即集圈)處理，即兩次前針床編織后要有一次集圈處理，以修補其編織過程中產生的漏洞，具體如圖10所示。休止編織結束后，用正反針組織和羅紋組織編織后半段護膝造型，最后接入結束廢紗。

圖10 集圈處理后的工藝Fig.10 Process after collecting ring treatment

3)在編織時應注意牽拉張力的調整，特別在不同組織結合處應不斷調試牽拉張力，防止織造時出現破洞織疵的現象。局部編織過程中部分織針會編織堆積而造成織片不能自然脫落，需要打開機器的輔助牽拉使其編織順利進行。收放針階段調整優化后的局部造型如圖11所示。

圖11 調整后的局部造型效果Fig.11 Local styling effect after adjustment

4)在局部編織以及不同組織編織時，需要不斷調整編織上機參數使其達到最佳。各部分的上機編織參數見表3。

表3 上機參數

2.3 護膝成品展示

最終編織得到的三維成形護膝如圖12所示。該護膝立體感強，符合人體膝部的造型特征，面料輕薄且柔軟舒適，同時兼具保暖效果。

圖12 護膝成品與局部細節Fig.12 Finished product and local details of kneecap

3 結 語

文中設計與開發了一款三維成形針織護膝，并在雙針床電腦橫機上完成編織，同時借助數學模型對局部立體結構進行成形工藝計算，通過選用吸濕發熱紗線原料，利用其組織結構、密度的變化，達到符合人體膝部不同部位的功能需求；同時，在編織時不斷調整工藝參數，以達到最佳編織效果。最終編織出既具有舒適美觀的外部造型，又同時兼具輕薄保暖功能的三維立體針織護膝產品。