材料和结构影响性能——冬奥雪车头盔的3D打印技术应用

雪车是冬奥会速度最快且观赏性极高的项目之一，胜负常在毫秒之间，因此对硬件要求十分严格。由东莞理工学院教育学院（师范学院）副教授李楠领衔的雪车头盔研发团队参与研发的雪车头盔已经应用于国家队冬奥项目训练中。该团队运用3D逆向建模、点阵结构3D打印技术，通过采集运动员的数据，进行一对一个性化定制雪车头盔，以达到能贴合每一位运动员实际需求的效果。该款精心“智”造的头盔具有个性化、减重、安全性等特点。本期，3D打印技术参考介绍这款雪车头盔在材料与结构方面的3D打印技术应用问题。

材料与结构的选择

根据相关要求，头盔要求所有配件、材料都需要做到中国自主。

在材料的使用上，这款自主研发的雪车头盔外层采用强度高、防撞性能优异的中国航天T800碳纤维材料制成。T800碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型材料。由于材料经过碳化及石墨化处理，因此具备密度小、强度高等优点，根据相关资料，碳纤维材料的密度比铝还要低，但是强度却比钢铁还要大。

碳纤维外壳+TPU 3D打印的点阵缓冲层

头盔内部材料缓冲层采用了3D打印点阵结构。材料的微观结构对其吸收冲击的能力发挥着巨大作用，3D打印技术参考获悉，研究团队从晶格的选择到头盔外壳及材料性能的匹配经历了上万次的计算，最终确定了最优的晶格结构与材料。采用3D打印（SLS技术）和TPU粉末材料，设计研发雪车头盔缓冲层的点阵结构，优于传统的EPS发泡材料，其抗冲击性能提升40%左右，可抵御头盔在遇到碰撞时的各种冲击力，更好地保护运动员的头部。

据3D打印技术参考了解，采用碳纤维和TPU点阵结构制成的头盔，重量仅约1.1千克，比之前国家队使用的头盔减少了500克，有效地为运动员减少了负重。目前，这款雪车头盔已经通过GB和ECE认证，达到国际雪联规定的赛事头盔要求，并交付了国家雪车队。

使用TPU 3D打印点阵缓冲结构

点阵结构一般是指由杆、板等微元件按一定的规则重复排列构成的空间桁架，具有体密度小、比表面积大、比力学性能高等特点。将其作为芯材的夹芯结构在冲击载荷作用下因结构动态失稳产生巨大的塑性变形并转化为热能，可吸收掉大部分的冲击能量，因而具有优良的缓冲吸能和抗冲击性能作用，从而起到防护功能。

3D打印在制造点阵结构方面具有天然优势，它几乎可以实现任何的空隙精度、空隙率、空隙形状、空隙大小、孔分布以及相互之间连通性。基于此，3D打印的点阵结构可以制造防护体育器材，从而为头盔、盔甲和其他防护用品的改造升级带来了新动力。

李楠团队开发的点阵结构

李楠团队开发的点阵结构带有运动员姓名缩写

此外，制造材料决定了点阵的特性和应用。TPU具有优良的承载能力、抗冲击和减震性能，即使在-35℃时仍保持良好的弹性和柔韧性等物理性能，被广泛应用于医疗卫生、电子电器、工业以及体育等领域。同时，TPU也是主要的适用于3D打印的弹性体材料。

基于以上因素，雪车头盔团队选择TPU作为点阵结构材料。

点阵结构极大影响缓冲性能

在点阵结构的设计上，胞元结构的大小和密度以及胞元结构方向，都会影响点阵结构的可打印性及其性能，有时甚至可以借助结构设计来弥补材料性能的不足。

胞元结构的大小和密度是指单个胞元的大小以及在一个空间内胞元的数量。胞元本身的大小取决于其节点和连接节点的梁宽度和长度。较大的胞元更容易打印，同时强度也更高；较小的胞元相对更均匀，但会受到打印工艺特征尺寸的限制。通常情况下，点阵结构会默认为不需要支撑，这一方面需要注意设计过程中的设计极限，如横梁宽度、梁的倾斜角度等等；另一方面也需要注意摆放角度，选择最理想的零件自身支撑摆放方向，尽可能降低加工成本并减少后期处理工作。但对于SLS技术而言，通常粉末材料可充当零件的支撑，从而减小了胞元结构方向对打印的影响。

李楠团队开发的点阵结构

由于冬奥会项目尚在进行之中，关于雪车头盔的性能数据，3D打印技术参考目前无法提供。但国外有研究人员此前曾测试了由惠普MJF工艺打印的PA11和激光烧结工艺打印的TPU材料的多种类型的点阵结构对撞击的缓冲作用。动态冲击测试采用5kg的圆形金属物体从1m的高度掉落到测试对象上，测试设备可以测量样品吸收的总冲击力。从测试的过程可以发现，不同结构的点阵对冲击的防护作用差别很大，研究人员可以因此选出最佳的结构。该测试项目获得了欧盟H2020框架计划的资助，其内容包括研究几种生成晶格结构的技术，并对这些结构进行测试，最终将其应用于在攀岩、骑行、滑冰等运动中的个人防护头盔。

国外研究人员设计和打印的几种点阵结构（与雪车头盔设计无关）

为贯彻“筹办好北京冬奥会、冬残奥会”的要求，加快推进“科技冬奥(2022)行动计划”，2019年，科技部发布了国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项2020年度项目实施方案。科技奥运将充分利用现代信息技术和科技手段，在“更快、更方便、更准确、更安全”的原则下，让体育比赛和辅助活动顺利进行。

END

与传统泡沫头盔相比，3D打印领先的制造工艺具有固有的定制适应性，并具有优于传统泡沫头盔的独立安全测试得分。将头盔的各个组件组装在一起，包括打印的内部结构和外壳，头盔可实现按需打印，从而提高赛场上的保护性能和佩戴舒适性。

“科技冬奥”是北京冬奥会的一大亮点，在“科技奥运”理念的指引下，无数科技工作者开始了“奥运科技长跑”，这是体现我国综合国力的舞台，更是实现高水平科技自立自强的舞台。3D打印作为近年发展迅速的新技术，也在冬奥会的筹备过程中发挥了重大作用。

欢迎转发

主编微信：2396747576; 硕博千人交流QQ群：867355738；网址：www.amreference.com

延伸阅读：

--广告--