雪車是冬奧會(hui) 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(yan) 格。由東(dong) 莞理工學院教育學院（師範學院）副教授李楠領銜的雪車頭盔研發團隊參與(yu) 研發的雪車頭盔已經應用於(yu) 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據，進行一對一個(ge) 性化定製雪車頭盔，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(ge) 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(yu) 結構方麵的3D打印技術應用問題。

材料與(yu) 結構的選擇

根據相關(guan) 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，這款自主研發的雪車頭盔外層采用強度高、防撞性能優(you) 異的中國航天T800碳纖維材料製成。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。由於(yu) 材料經過碳化及石墨化處理，因此具備密度小、強度高等優(you) 點，根據相關(guan) 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打印的點陣緩衝(chong) 層

頭盔內(nei) 部材料緩衝(chong) 層采用了3D打印點陣結構。材料的微觀結構對其吸收衝(chong) 擊的能力發揮著巨大作用，3D打印技術參考獲悉，研究團隊從(cong) 晶格的選擇到頭盔外殼及材料性能的匹配經曆了上萬(wan) 次的計算，最終確定了最優(you) 的晶格結構與(yu) 材料。采用3D打印（SLS技術）和TPU粉末材料，設計研發雪車頭盔緩衝(chong) 層的點陣結構，優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統的EPS發泡材料，其抗衝(chong) 擊性能提升40%左右，可抵禦頭盔在遇到碰撞時的各種衝(chong) 擊力，更好地保護運動員的頭部。

據3D打印技術參考了解，采用碳纖維和TPU點陣結構製成的頭盔，重量僅(jin) 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(wei) 運動員減少了負重。目前，這款雪車頭盔已經通過GB和ECE認證，達到國際雪聯規定的賽事頭盔要求，並交付了國家雪車隊。

使用TPU 3D打印點陣緩衝(chong) 結構

點陣結構一般是指由杆、板等微元件按一定的規則重複排列構成的空間桁架，具有體(ti) 密度小、比表麵積大、比力學性能高等特點。將其作為(wei) 芯材的夾芯結構在衝(chong) 擊載荷作用下因結構動態失穩產(chan) 生巨大的塑性變形並轉化為(wei) 熱能，可吸收掉大部分的衝(chong) 擊能量，因而具有優(you) 良的緩衝(chong) 吸能和抗衝(chong) 擊性能作用，從(cong) 而起到防護功能。

3D打印在製造點陣結構方麵具有天然優(you) 勢，它幾乎可以實現任何的空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性。基於(yu) 此，3D打印的點陣結構可以製造防護體(ti) 育器材，從(cong) 而為(wei) 頭盔、盔甲和其他防護用品的改造升級帶來了新動力。

李楠團隊開發的點陣結構

李楠團隊開發的點陣結構帶有運動員姓名縮寫(xie)

此外，製造材料決(jue) 定了點陣的特性和應用。TPU具有優(you) 良的承載能力、抗衝(chong) 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，被廣泛應用於(yu) 醫療衛生、電子電器、工業(ye) 以及體(ti) 育等領域。同時，TPU也是主要的適用於(yu) 3D打印的彈性體(ti) 材料。

基於(yu) 以上因素，雪車頭盔團隊選擇TPU作為(wei) 點陣結構材料。

點陣結構極大影響緩衝(chong) 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(hui) 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(ge) 胞元的大小以及在一個(ge) 空間內(nei) 胞元的數量。胞元本身的大小取決(jue) 於(yu) 其節點和連接節點的梁寬度和長度。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(hui) 受到打印工藝特征尺寸的限製。通常情況下，點陣結構會(hui) 默認為(wei) 不需要支撐，這一方麵需要注意設計過程中的設計極限，如橫梁寬度、梁的傾(qing) 斜角度等等；另一方麵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並減少後期處理工作。但對於(yu) SLS技術而言，通常粉末材料可充當零件的支撐，從(cong) 而減小了胞元結構方向對打印的影響。

李楠團隊開發的點陣結構

由於(yu) 冬奧會(hui) 項目尚在進行之中，關(guan) 於(yu) 雪車頭盔的性能數據，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衝(chong) 作用。動態衝(chong) 擊測試采用5kg的圓形金屬物體(ti) 從(cong) 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衝(chong) 擊力。從(cong) 測試的過程可以發現，不同結構的點陣對衝(chong) 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(nei) 容包括研究幾種生成晶格結構的技術，並對這些結構進行測試，最終將其應用於(yu) 在攀岩、騎行、滑冰等運動中的個(ge) 人防護頭盔。

國外研究人員設計和打印的幾種點陣結構（與(yu) 雪車頭盔設計無關(guan) ）

為(wei) 貫徹“籌辦好北京冬奧會(hui) 、冬殘奧會(hui) ”的要求，加快推進“科技冬奧(2022)行動計劃”，2019年，科技部發布了國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專(zhuan) 項2020年度項目實施方案。科技奧運將充分利用現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(ti) 育比賽和輔助活動順利進行。

END

與(yu) 傳(chuan) 統泡沫頭盔相比，3D打印領先的製造工藝具有固有的定製適應性，並具有優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統泡沫頭盔的獨立安全測試得分。將頭盔的各個(ge) 組件組裝在一起，包括打印的內(nei) 部結構和外殼，頭盔可實現按需打印，從(cong) 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(hui) 的一大亮點，在“科技奧運”理念的指引下，無數科技工作者開始了“奧運科技長跑”，這是體(ti) 現我國綜合國力的舞台，更是實現高水平科技自立自強的舞台。3D打印作為(wei) 近年發展迅速的新技術，也在冬奧會(hui) 的籌備過程中發揮了重大作用。