3D打印驱动的下一代运动防护头盔，现在进行时
在北京时间 5 月 31 日凌晨发射的SpaceX 最新载人龙飞船中，两名身穿轻便、利落宇航服的宇航员给人留下深刻印象。宇航员所佩戴的白色头盔设计非常简约，但头盔所集成的功能却不简单，白色头盔几乎全部是3D打印技术制造的。
如果说SpaceX为宇航员提供的3D打印头盔是一种与我们生活几乎没有交集的高冷产品，那么正在体育运动防护领域“润物细无声”的3D打印防护头盔则正在将这种新一代的产品推上更为亲民的道路。
为了激发专家、创新者和运动防护头盔制造商为橄榄球运动员开发新一代头盔，美国橄榄球联盟（NFL）发起了一项NFL 头盔挑战赛。参与团队所设计的创新头盔需在指定实验室测试的基础上设计优于运动员当前佩戴的头盔。
NFL 在本周向参与新一代头盔设计的四个创新团队授予了共计137万美元的奖金。根据3D科学谷的市场观察，这四个团队所使用的头盔制造技术中，有三个团队在提交的申请中明确表明应用了增材制造-3D打印技术。
先进技术
构建下一代头盔
NFL 公开了头盔挑战赛奖励资金的获奖者名单以及他们在项目申请中所描述的信息。
l 新一代3D打印吸能衬里
获得奖金的Impressio,Inc.和CU Denver 团队依靠材料科学研究和增材制造技术，通过3D打印制造运动员定制头盔衬里。有别于传统衬里材料的是，3D打印衬里采用超耗散液晶弹性体（LCE）和点阵结构的设计。该项目得到包括EOS，nTopology和Schutt在内的合作伙伴的支持。
▲来源：Impressio
Impressio 是一个通过点阵晶格设计能力构建下一代的头盔衬里的创业企业，提供从3D扫描和模型生成到点阵设计和3D打印功能原型的设计和制造工作流程。
根据3D科学谷的市场观察，在该团队的合作伙伴当中，EOS与nTopology本身已在点阵缓冲结构的增材制造领域展开了合作。
EOS 推出了 Digital Foam™计划，降低了将 3D 打印弹性泡沫推向市场的难度，且实现了将CAD、材料、零部件验证和增材制造（3D 打印）等诸多环节的有机融合。
▲HEXR用EOS PA 1101材料定制的自行车头盔。
来源：EOS / HEXR
3D打印弹性泡沫使用TPU或PEBA等柔韧性极高的聚合物材料，可以对每个体素（体积像素）进行深度微调，从而获得绝佳的舒适性、安全性和功能性。根据EOS，Digital Foam可解决客户可能遇到的诸多变化因素或问题，并将客户的创意快速转化为实际产品。它赋予客户一条捷径，可快速3D打印生产保护性头盔、个性化矫形器、高性能鞋具以及其他各类应用产品。
Digital Foam™计划中的3D打印弹性泡沫结构设计，源于nTopology公司的技术。在3D打印头盔、鞋垫、中底等缓震组件中常用的增材制造点阵结构，具有轻质、吸能等性能，然而这类点阵结构的复杂性已经超过了传统CAD软件的原有设计功能。
此外，Impressio 在项目申请中提及的液晶弹性体（LCE）材料，在运动头盔等领域具有较大应用潜力。
南方科技大学机械与能源工程系副教授葛锜研究团队与美国科罗拉多大学丹佛分校教授Christopher M. Yakacki团队合作在《先进材料》发表的研究成果，揭示了3D打印液晶弹性体的应用潜力。
根据南方科技大学，液晶弹性体作为一种受光或热刺激能产生大体积收缩的功能软材料，目前主要用于制作软体驱动器或者机器人。同时，液晶弹性体展现了非线性大变形粘弹性的力学行为，是一种性能佳的耗能材料。[1]
但是复杂的化学合成工艺使得液晶弹性体的成型限制在薄膜形态。葛锜团队与Yakacki团队合作，通过麦克加成反应将液晶基元与二硫醇单体聚合生成具有丙烯酸酯端基的光敏液晶弹性体低聚物，并可通过基于光固化数字光处理3D打印技术实现液晶弹性体复杂三维结构的3D打印 。这表明所开发的光敏液晶弹性低聚物可通过光固化数字光处理3D打印技术获得高效吸能结构和器件。该项研究为3D打印成型轻型抗冲击/减震结构提供了可能性，在电子设备抗冲击、运动头盔等领域具有较大应用潜力。[1]
l 生物力学、增材制造、材料科学、设计优化四方发力
足球装备行业制造商Xenith，希望联合损伤生物力学、增材制造、材料科学、设计和计算建模与优化方面的专家：巴斯夫，RHEON实验室和滑铁卢大学，共同创建能源管理的新解决方案并为运动员提供一流的现场体验。
l 吸收和重定向冲击力的3D打印头盔衬垫
Kollide联盟结合了学术研究者（ETS）和四个创新公司（Kupol，TACTIX，ShapeShift3D，Numalogics），希望利用他们的虚拟设计和非平面的3D打印的方式，为运动员定制经过优化、能够吸收和重定向冲击力的头盔衬垫。
在以上两个获得奖金的团队中，材料制造商BASF 与Kollide联盟中的成员Kupol，均与惠普3D打印在头盔制造方面有着密切关系。
Kupol是自行车头盔品牌，他们利用3D打印技术进行了头盔的设计革新。Kupol 起初通过PA12材料和惠普的MJF 3D打印设备来制造这个结构，3D打印组件中具有上百个微孔，形成了透气网络，这使头盔具有良好的透气性。
▲采用巴斯夫新型TPU 材料打印的Kupol头盔内部结构。
来源：惠普
巴斯夫公司开发了新型热塑性聚氨酯(TPU) ULTRASINT™。Kupol已经使用了新的TPU材料，该材料的柔性和弹性特点适合为自行车手和其他体育专业人员制造安全、舒适的头盔。
l 立方+八角形泡沫超材料吸能层
该团队正在使用他们创新的立方+八角形泡沫超材料设计橄榄球头盔中的新能量吸收层，以最大程度地减少脑震荡的风险。
在该挑战赛以往的获胜者中，也有通过3D打印方案获奖的团队，如卡迪夫大学，他们开发了一种独特的填充材料，用作头盔衬里垫，可在撞击变得越来越严重时吸收更多的撞击力。卡迪夫大学的获奖者采用的设计是一种复杂的折叠结构，该结构在折叠时能够非常有效地吸收能量。3D打印能够将这种复杂设计转换为有形的产品。
▲3D打印折叠结构
来源：NFL
在NFL 头盔挑战赛中，一面是来自于体育运动器械的应用端对高性能、创新性运动防护产品的需求，一面是3D打印技术、材料与面向增材制造的先进设计的推动。在这两股力量的汇聚之下，3D打印和面向增材制造的先进设计正在潜移默化的助推新一代运动防护头盔的到来。在3D科学谷看来，橄榄球防护头盔这样的专业级体育防护用品或许只是星星之火，增材制造技术驱动的新一代防护、缓震材料将在更广的运动防护领域发出光与热。
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参考资料：
[1] 南方科技大学机械与能源工程系《南科大葛锜合作团队在液晶弹性体3D打印研究方向取得新进展》。
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