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)應用于國家隊冬奧項目訓練中。該團隊運用3D逆向建模、點陣結構3D打印技術，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打印技術參考介紹這款雪車頭盔在材料與結構方面的3D打印技術應用問題。

材料與結構的選擇

根據(jù)相關要求，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

頭盔內部材料緩沖層采用了3D打印點陣結構。材料的微觀結構對其吸收沖擊的能力發(fā)揮著巨大作用，3D打印技術參考獲悉，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)的晶格結構與材料。采用3D打?。⊿LS技術）和TPU粉末材料，設計研發(fā)雪車頭盔緩沖層的點陣結構，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打印技術參考了解，采用碳纖維和TPU點陣結構制成的頭盔，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打印點陣緩沖結構

點陣結構一般是指由桿、板等微元件按一定的規(guī)則重復排列構成的空間桁架，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構在沖擊載荷作用下因結構動態(tài)失穩(wěn)產(chǎn)生巨大的塑性變形并轉化為熱能，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打印在制造點陣結構方面具有天然優(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打印的點陣結構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)的點陣結構

李楠團隊開發(fā)的點陣結構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，被廣泛應用于醫(yī)療衛(wèi)生、電子電器、工業(yè)以及體育等領域。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作為點陣結構材料。

點陣結構極大影響緩沖性能

在點陣結構的設計上，胞元結構的大小和密度以及胞元結構方向，都會影響點陣結構的可打印性及其性能，有時甚至可以借助結構設計來彌補材料性能的不足。

胞元結構的大小和密度是指單個胞元的大小以及在一個空間內胞元的數(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，點陣結構會默認為不需要支撐，這一方面需要注意設計過程中的設計極限，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技術而言，通常粉末材料可充當零件的支撐，從而減小了胞元結構方向對打印的影響。

李楠團隊開發(fā)的點陣結構

由于冬奧會項目尚在進行之中，關于雪車頭盔的性能數(shù)據(jù)，3D打印技術參考目前無法提供。但國外有研究人員此前曾測試了由惠普MJF工藝打印的PA11和激光燒結工藝打印的TPU材料的多種類型的點陣結構對撞擊的緩沖作用。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)，不同結構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構。該測試項目獲得了歐盟H2020框架計劃的資助，其內容包括研究幾種生成晶格結構的技術，并對這些結構進行測試，最終將其應用于在攀巖、騎行、滑冰等運動中的個人防護頭盔。

國外研究人員設計和打印的幾種點陣結構（與雪車頭盔設計無關）

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打印領先的制造工藝具有固有的定制適應性，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，包括打印的內部結構和外殼，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，也在冬奧會的籌備過程中發(fā)揮了重大作用。