雪車是冬奧會速度最快且觀賞性極高的項目之一，勝負常在毫秒之間，因此對硬件要求十分嚴格。由東莞理工學院教育學院（師范學院）副教授李楠領(lǐng)銜的雪車頭盔研發(fā)團隊參與研發(fā)的雪車頭盔已經(jīng)應(yīng)用于國家隊冬奧項目訓(xùn)練中。該團隊運用3D逆向建模、點陣結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)，通過采集運動員的數(shù)據(jù)，進行一對一個性化定制雪車頭盔，以達到能貼合每一位運動員實際需求的效果。該款精心“智”造的頭盔具有個性化、減重、安全性等特點。本期，3D打印技術(shù)參考介紹這款雪車頭盔在材料與結(jié)構(gòu)方面的3D打印技術(shù)應(yīng)用問題。

材料與結(jié)構(gòu)的選擇

根據(jù)相關(guān)要求，頭盔要求所有配件、材料都需要做到中國自主。

在材料的使用上，這款自主研發(fā)的雪車頭盔外層采用強度高、防撞性能優(yōu)異的中國航天T800碳纖維材料制成。T800碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型材料。由于材料經(jīng)過碳化及石墨化處理，因此具備密度小、強度高等優(yōu)點，根據(jù)相關(guān)資料，碳纖維材料的密度比鋁還要低，但是強度卻比鋼鐵還要大。

碳纖維外殼+TPU 3D打印的點陣緩沖層

頭盔內(nèi)部材料緩沖層采用了3D打印點陣結(jié)構(gòu)。材料的微觀結(jié)構(gòu)對其吸收沖擊的能力發(fā)揮著巨大作用，3D打印技術(shù)參考獲悉，研究團隊從晶格的選擇到頭盔外殼及材料性能的匹配經(jīng)歷了上萬次的計算，最終確定了最優(yōu)的晶格結(jié)構(gòu)與材料。采用3D打印（SLS技術(shù)）和TPU粉末材料，設(shè)計研發(fā)雪車頭盔緩沖層的點陣結(jié)構(gòu)，優(yōu)于傳統(tǒng)的EPS發(fā)泡材料，其抗沖擊性能提升40%左右，可抵御頭盔在遇到碰撞時的各種沖擊力，更好地保護運動員的頭部。

據(jù)3D打印技術(shù)參考了解，采用碳纖維和TPU點陣結(jié)構(gòu)制成的頭盔，重量僅約1.1千克，比之前國家隊使用的頭盔減少了500克，有效地為運動員減少了負重。目前，這款雪車頭盔已經(jīng)通過GB和ECE認證，達到國際雪聯(lián)規(guī)定的賽事頭盔要求，并交付了國家雪車隊。

使用TPU 3D打印點陣緩沖結(jié)構(gòu)

點陣結(jié)構(gòu)一般是指由桿、板等微元件按一定的規(guī)則重復(fù)排列構(gòu)成的空間桁架，具有體密度小、比表面積大、比力學性能高等特點。將其作為芯材的夾芯結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下因結(jié)構(gòu)動態(tài)失穩(wěn)產(chǎn)生巨大的塑性變形并轉(zhuǎn)化為熱能，可吸收掉大部分的沖擊能量，因而具有優(yōu)良的緩沖吸能和抗沖擊性能作用，從而起到防護功能。

3D打印在制造點陣結(jié)構(gòu)方面具有天然優(yōu)勢，它幾乎可以實現(xiàn)任何的空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性?；诖耍?D打印的點陣結(jié)構(gòu)可以制造防護體育器材，從而為頭盔、盔甲和其他防護用品的改造升級帶來了新動力。

李楠團隊開發(fā)的點陣結(jié)構(gòu)

李楠團隊開發(fā)的點陣結(jié)構(gòu)帶有運動員姓名縮寫

此外，制造材料決定了點陣的特性和應(yīng)用。TPU具有優(yōu)良的承載能力、抗沖擊和減震性能，即使在-35℃時仍保持良好的彈性和柔韌性等物理性能，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、電子電器、工業(yè)以及體育等領(lǐng)域。同時，TPU也是主要的適用于3D打印的彈性體材料。

基于以上因素，雪車頭盔團隊選擇TPU作為點陣結(jié)構(gòu)材料。

點陣結(jié)構(gòu)極大影響緩沖性能

在點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，胞元結(jié)構(gòu)的大小和密度以及胞元結(jié)構(gòu)方向，都會影響點陣結(jié)構(gòu)的可打印性及其性能，有時甚至可以借助結(jié)構(gòu)設(shè)計來彌補材料性能的不足。

胞元結(jié)構(gòu)的大小和密度是指單個胞元的大小以及在一個空間內(nèi)胞元的數(shù)量。胞元本身的大小取決于其節(jié)點和連接節(jié)點的梁寬度和長度。較大的胞元更容易打印，同時強度也更高；較小的胞元相對更均勻，但會受到打印工藝特征尺寸的限制。通常情況下，點陣結(jié)構(gòu)會默認為不需要支撐，這一方面需要注意設(shè)計過程中的設(shè)計極限，如橫梁寬度、梁的傾斜角度等等；另一方面也需要注意擺放角度，選擇最理想的零件自身支撐擺放方向，盡可能降低加工成本并減少后期處理工作。但對于SLS技術(shù)而言，通常粉末材料可充當零件的支撐，從而減小了胞元結(jié)構(gòu)方向?qū)Υ蛴〉挠绊憽?/p>

李楠團隊開發(fā)的點陣結(jié)構(gòu)

由于冬奧會項目尚在進行之中，關(guān)于雪車頭盔的性能數(shù)據(jù)，3D打印技術(shù)參考目前無法提供。但國外有研究人員此前曾測試了由惠普MJF工藝打印的PA11和激光燒結(jié)工藝打印的TPU材料的多種類型的點陣結(jié)構(gòu)對撞擊的緩沖作用。動態(tài)沖擊測試采用5kg的圓形金屬物體從1m的高度掉落到測試對象上，測試設(shè)備可以測量樣品吸收的總沖擊力。從測試的過程可以發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)的點陣對沖擊的防護作用差別很大，研究人員可以因此選出最佳的結(jié)構(gòu)。該測試項目獲得了歐盟H2020框架計劃的資助，其內(nèi)容包括研究幾種生成晶格結(jié)構(gòu)的技術(shù)，并對這些結(jié)構(gòu)進行測試，最終將其應(yīng)用于在攀巖、騎行、滑冰等運動中的個人防護頭盔。

國外研究人員設(shè)計和打印的幾種點陣結(jié)構(gòu)（與雪車頭盔設(shè)計無關(guān)）

為貫徹“籌辦好北京冬奧會、冬殘奧會”的要求，加快推進“科技冬奧(2022)行動計劃”，2019年，科技部發(fā)布了國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項2020年度項目實施方案。科技奧運將充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和科技手段，在“更快、更方便、更準確、更安全”的原則下，讓體育比賽和輔助活動順利進行。

END

與傳統(tǒng)泡沫頭盔相比，3D打印領(lǐng)先的制造工藝具有固有的定制適應(yīng)性，并具有優(yōu)于傳統(tǒng)泡沫頭盔的獨立安全測試得分。將頭盔的各個組件組裝在一起，包括打印的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外殼，頭盔可實現(xiàn)按需打印，從而提高賽場上的保護性能和佩戴舒適性。

“科技冬奧”是北京冬奧會的一大亮點，在“科技奧運”理念的指引下，無數(shù)科技工作者開始了“奧運科技長跑”，這是體現(xiàn)我國綜合國力的舞臺，更是實現(xiàn)高水平科技自立自強的舞臺。3D打印作為近年發(fā)展迅速的新技術(shù)，也在冬奧會的籌備過程中發(fā)揮了重大作用。