雪車是冬奧會(huì)速度最快且觀賞性極高的項(xiàng)目之一，勝負(fù)常在毫秒之間，因此對(duì)硬件要求十分嚴(yán)格。由東莞理工學(xué)院教育學(xué)院（師范學(xué)院）副教授李楠領(lǐng)銜的雪車頭盔研發(fā)團(tuán)隊(duì)參與研發(fā)的雪車頭盔已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)家隊(duì)冬奧項(xiàng)目訓(xùn)練中。該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用3D逆向建模、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)，通過采集運(yùn)動(dòng)員的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一對(duì)一個(gè)性化定制雪車頭盔，以達(dá)到能貼合每一位運(yùn)動(dòng)員實(shí)際需求的效果。該款精心“智”造的頭盔具有個(gè)性化、減重、安全性等特點(diǎn)。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(guó)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(qiáng)度高、防撞性能優(yōu)異的中國(guó)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(qiáng)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(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)資料，碳纖維材料的密度比鋁還要低，但是強(qiáng)度卻比鋼鐵還要大。

碳纖維外殼+TPU 3D打印的點(diǎn)陣緩沖層

頭盔內(nèi)部材料緩沖層采用了3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)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(tuán)隊(duì)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(wàn)次的計(jì)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(jì)研發(fā)雪車頭盔緩沖層的點(diǎn)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(shí)的各種沖擊力，更好地保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的頭部。

據(jù)3D打印技術(shù)參考了解，采用碳纖維和TPU點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制成的頭盔，重量?jī)H約1.1千克，比之前國(guó)家隊(duì)使用的頭盔減少了500克，有效地為運(yùn)動(dòng)員減少了負(fù)重。目前，這款雪車頭盔已經(jīng)通過GB和ECE認(rèn)證，達(dá)到國(guó)際雪聯(lián)規(guī)定的賽事頭盔要求，并交付了國(guó)家雪車隊(duì)。

使用TPU 3D打印點(diǎn)陣緩沖結(jié)構(gòu)

點(diǎn)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(xué)性能高等特點(diǎn)。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(dòng)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(hù)功能。

3D打印在制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)方面具有天然優(yōu)勢(shì)，它幾乎可以實(shí)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。基于此，3D打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以制造防護(hù)體育器材，從而為頭盔、盔甲和其他防護(hù)用品的改造升級(jí)帶來(lái)了新動(dòng)力。

李楠團(tuán)隊(duì)開發(fā)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

李楠團(tuán)隊(duì)開發(fā)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)帶有運(yùn)動(dòng)員姓名縮寫

此外，制造材料決定了點(diǎn)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(shí)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(shí)，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(tuán)隊(duì)選擇TPU作為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)極大影響緩沖性能

在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(huì)影響點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的可打印性及其性能，有時(shí)甚至可以借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)材料性能的不足。

胞元結(jié)構(gòu)的大小和密度是指單個(gè)胞元的大小以及在一個(gè)空間內(nèi)胞元的數(shù)量。胞元本身的大小取決于其節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的梁寬度和長(zhǎng)度。較大的胞元更容易打印，同時(shí)強(qiáng)度也更高；較小的胞元相對(duì)更均勻，但會(huì)受到打印工藝特征尺寸的限制。通常情況下，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)會(huì)默認(rèn)為不需要支撐，這一方面需要注意設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)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(duì)于SLS技術(shù)而言，通常粉末材料可充當(dāng)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(tuán)隊(duì)開發(fā)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

由于冬奧會(huì)項(xiàng)目尚在進(jìn)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(wú)法提供。但國(guó)外有研究人員此前曾測(cè)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)撞擊的緩沖作用。動(dòng)態(tài)沖擊測(cè)試采用5kg的圓形金屬物體從1m的高度掉落到測(cè)試對(duì)象上，測(cè)試設(shè)備可以測(cè)量樣品吸收的總沖擊力。從測(cè)試的過程可以發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣對(duì)沖擊的防護(hù)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(cè)試項(xiàng)目獲得了歐盟H2020框架計(jì)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(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，最終將其應(yīng)用于在攀巖、騎行、滑冰等運(yùn)動(dòng)中的個(gè)人防護(hù)頭盔。

國(guó)外研究人員設(shè)計(jì)和打印的幾種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（與雪車頭盔設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)）

為貫徹“籌辦好北京冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)”的要求，加快推進(jìn)“科技冬奧(2022)行動(dòng)計(jì)劃”，2019年，科技部發(fā)布了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)2020年度項(xiàng)目實(shí)施方案?？萍紛W運(yùn)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(zhǔn)確、更安全”的原則下，讓體育比賽和輔助活動(dòng)順利進(jìn)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(dú)立安全測(cè)試得分。將頭盔的各個(gè)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(shí)現(xiàn)按需打印，從而提高賽場(chǎng)上的保護(hù)性能和佩戴舒適性。

“科技冬奧”是北京冬奧會(huì)的一大亮點(diǎn)，在“科技奧運(yùn)”理念的指引下，無(wú)數(shù)科技工作者開始了“奧運(yùn)科技長(zhǎng)跑”，這是體現(xiàn)我國(guó)綜合國(guó)力的舞臺(tái)，更是實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的舞臺(tái)。3D打印作為近年發(fā)展迅速的新技術(shù)，也在冬奧會(huì)的籌備過程中發(fā)揮了重大作用。