3D打印技術(shù)在賽車頭盔和護(hù)目鏡中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在賽車頭盔和護(hù)目鏡中的應(yīng)用

李德成，翟豪瑞，袁昊，吳昊，鄭竹安3D打印技術(shù)在賽車頭盔和護(hù)目鏡中的應(yīng)用李德成，翟豪瑞*，袁昊，吳昊，鄭竹安（鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇鹽城224051）傳統(tǒng)的頭盔及護(hù)目鏡制造通常是設(shè)計(jì)師根據(jù)平均人體頭部參數(shù)所設(shè)計(jì)的普適模型，并不能滿足每個(gè)車手的佩戴需求。基于3D打印技術(shù)在定制化設(shè)計(jì)、復(fù)雜成型方面的優(yōu)勢(shì)，個(gè)性化及更輕量化的頭盔與護(hù)目鏡制造得以實(shí)現(xiàn)。文章通過3D打印技術(shù)與賽車頭盔與護(hù)目鏡的結(jié)合做出了諸多創(chuàng)新性的應(yīng)用，為3D打印技術(shù)今后的應(yīng)用前景提供參考及借鑒。3D打印技術(shù)；賽車頭盔；護(hù)目鏡；創(chuàng)新性應(yīng)用前言在戶外越野競賽中，頭盔和護(hù)目鏡對(duì)車手至關(guān)重要。傳統(tǒng)的頭盔及護(hù)目鏡制造流程通常是開模、注塑、拋光、裝配等，注塑工藝發(fā)展至今，其技術(shù)早已成熟，但仍有諸多設(shè)計(jì)及制造上的缺陷。注塑工藝為滿足批量化生產(chǎn)的需求，因此其模具往往是標(biāo)準(zhǔn)化的，即平均頭部參數(shù)，然而每個(gè)車手的頭部數(shù)據(jù)都是不盡相同的，這將大大影響賽車頭盔的佩戴舒適性、安全性和護(hù)目鏡的密封性。3D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：無須標(biāo)準(zhǔn)模具，生產(chǎn)工藝及過程簡單，直接成型且無須后處理，能根據(jù)需求隨時(shí)更改設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，消除冗余等。這些特點(diǎn)使3D打印賽車頭盔及護(hù)目鏡在定制化、輕量化方面有著獨(dú)一無二的發(fā)展前景。13D打印技術(shù)在賽車頭盔中的應(yīng)用賽車頭盔一般由殼體、緩沖層、襯墊、佩戴裝置等構(gòu)成，其中殼體與緩沖層是抵御沖擊并吸收碰撞能量從而保護(hù)頭部的關(guān)鍵部分。車手在事故發(fā)生時(shí)受到的傷害通常是沖擊性的，俗稱“撞鐘”，沖擊性的應(yīng)力會(huì)直接損傷大腦，現(xiàn)在常見的賽車頭盔內(nèi)襯材料多使用聚苯乙烯（EPS）泡沫，聚苯乙烯（EPS）泡沫在受到碰撞后會(huì)發(fā)生變形從而緩解沖擊，然而聚苯乙烯（EPS）泡沫在緩沖吸能方面的性能并不能稱為優(yōu)秀，此外其只能吸收相對(duì)平移方向的應(yīng)力，對(duì)旋轉(zhuǎn)加速度方向應(yīng)力并不能很好地吸收，也就失去了原有的防護(hù)性能[1]。近年來，制造業(yè)的進(jìn)步促使越來越多的研究人員研究設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，這種“蜂窩”型的周期重復(fù)結(jié)構(gòu)在受到外力碰撞時(shí)，緩沖吸能效果優(yōu)異，在遭遇旋轉(zhuǎn)加速度方向的沖擊時(shí)也能迅速緩解沖擊，從而大大減輕車手受到的損傷。然而傳統(tǒng)的注塑工藝制造復(fù)雜度有限[2]，3D打印成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)則能彌補(bǔ)現(xiàn)有制造工藝的這一不足，3D打印賽車頭盔復(fù)雜度的提高不僅滿足了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的需求，更讓賽車頭盔的設(shè)計(jì)擁有了更多的可能性，圖1為一款點(diǎn)陣化3D打印賽車頭盔。圖1點(diǎn)陣化3D打印賽車頭盔23D打印技術(shù)在賽車護(hù)目鏡中的應(yīng)用賽車護(hù)目鏡的主要作用是防止異物干擾車手的視線，因此護(hù)目鏡與車手面部的貼合尤為重要，根據(jù)現(xiàn)在的市場狀況，想要對(duì)賽車護(hù)目鏡的設(shè)計(jì)進(jìn)行改變很難，原因是傳統(tǒng)的護(hù)目鏡在前期制作及開模的過程需要半月之久，且很難對(duì)模具隨意更改。而利用3D打印技術(shù)便可省略其中冗余的過程，設(shè)計(jì)完成后即可直接投入生產(chǎn)，效率更高且更能滿足車手需求，圖2為一款3D打印賽車護(hù)目鏡[3]。圖23D打印賽車護(hù)目鏡33D打印技術(shù)在賽車頭盔與護(hù)目鏡中的個(gè)性化應(yīng)用通常來說，決定賽車頭盔防護(hù)性能的不僅僅是它本身的結(jié)構(gòu)，佩戴是否牢靠同樣會(huì)對(duì)安全性產(chǎn)生直接影響[4]，同理賽車護(hù)目鏡與面部的貼合程度也會(huì)影響護(hù)目鏡的防沙塵性能，而傳統(tǒng)的賽車頭盔與護(hù)目鏡往往是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的平均尺寸，這就使得車手與賽車頭盔及護(hù)目鏡并不能完全匹配，由配合間隙過大或過小引起的晃動(dòng)或壓耳等問題都將降低賽車頭盔的安全性與佩戴舒適性，影響護(hù)目鏡的防護(hù)性能。為改進(jìn)賽車頭盔、護(hù)目鏡的匹配度，提高車手的駕駛工效，通過3D掃描儀掃描車手頭部后得到頭部數(shù)據(jù)，將頭部數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMAX軟件中進(jìn)行第一階段修復(fù)，修復(fù)完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)拼接、對(duì)齊、去噪等進(jìn)一步處理，至此便得到了車手的頭部及面部的數(shù)據(jù)三維模型，然后根據(jù)頭部、面部關(guān)鍵切面輪廓更改賽車頭盔模型的相關(guān)參數(shù)，最后將修改后的賽車頭盔與護(hù)目鏡模型導(dǎo)出為3D打印機(jī)常用的STL格式，如此便實(shí)現(xiàn)了3D打印賽車頭盔和護(hù)目鏡的個(gè)性化生產(chǎn)。圖3為賽車頭盔模型建立過程。圖3賽車頭盔模型建立過程43D打印技術(shù)在賽車頭盔與護(hù)目鏡中的輕量化應(yīng)用國際汽聯(lián)規(guī)定頭盔與護(hù)目鏡重量必須低于1800g，原因是在車手競賽過程中，防具的重量會(huì)對(duì)車手產(chǎn)生較大的負(fù)荷，因此對(duì)防具質(zhì)量的控制非常重要。結(jié)合3D打印技術(shù)與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以使頭盔、護(hù)目鏡的輕量化更易實(shí)現(xiàn)，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是一種根據(jù)給定的負(fù)載狀態(tài)、約束條件和性能要求，對(duì)材料分布進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種[5]。即在滿足頭盔與護(hù)目鏡防護(hù)需求的前提下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化刪減，從而在保證性能的情況下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最輕量化，而傳統(tǒng)的注塑工藝幾乎不可能做到拓?fù)鋬?yōu)化，與3D打印技術(shù)結(jié)合將是零件輕量化的最理想解決方案。利用Hyperworks的OptiStruct模塊對(duì)模型按單元格劃分后進(jìn)行有限元分析，規(guī)定設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件三要素后開始求解，而后用多孔化的結(jié)構(gòu)代替其中無效的部分單元格，保留受力的有效單元格，逐個(gè)求解，最終得到拓?fù)鋬?yōu)化后更輕量化的模型。拓?fù)鋬?yōu)化后模型的多孔鏤空結(jié)構(gòu)部分傳統(tǒng)加工方式很難制造，而使用3D打印增材制造的方法簡單且高效，圖4為賽車頭盔有限元分析。圖4賽車頭盔有限元分析5總結(jié)目前的頂級(jí)賽車防具主要由Arai、Bell、Stilo等國外品牌設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其在外觀設(shè)計(jì)、輕量化、安全性等方面處于領(lǐng)先，而國內(nèi)在賽車頭盔與護(hù)目鏡設(shè)計(jì)方面起步較晚，整體的設(shè)計(jì)制造水平也相對(duì)落后。3D打印技術(shù)在個(gè)性化、輕量化、結(jié)構(gòu)化等方面均有優(yōu)勢(shì)，3D打印應(yīng)用于賽車裝備生產(chǎn)中，可以解決傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)所面臨的諸多難點(diǎn)。綜上所述，3D打印技術(shù)在賽車頭盔和護(hù)目鏡中的應(yīng)用研究將進(jìn)一步完善國內(nèi)賽車防具設(shè)計(jì)體系，相信對(duì)3D打印技術(shù)今后在各行各業(yè)的應(yīng)用研究會(huì)提供一定的參考意義。[1]王阜超.潰縮式吸能復(fù)合結(jié)構(gòu)頭盔的設(shè)計(jì)及其3D打印[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2018.[2]劉欣,范希營,郭永環(huán),等.注塑工藝參數(shù)優(yōu)化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].塑料科技,2021,49(02):106-110.[3]劉艷梅.新型冠狀病毒肺炎疫情下醫(yī)用護(hù)目鏡的防霧技巧[J].當(dāng)代護(hù)士(下旬刊),2021,28(02):176-177.[4]張永永.基于典型交通事故再現(xiàn)的摩托車駕駛員顱腦損傷機(jī)理及防護(hù)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2017.[5]梁健,李曉杰.拓?fù)鋬?yōu)化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].設(shè)計(jì),2021,34(05):137-139.Applicationof3DPrintingTechnologyinRacingHelmetandGogglesLIDecheng,ZHAIHaorui*,YUANHao,WUHao,ZHENGZhu’an（SchoolofAutomotiveEngineering,YanchengInstituteofTechnology,JiangsuYancheng224051）Traditionalhelmetandgogglesmanufacturingisusuallyauniversalmodeldesignedbythedesigneraccordingtotheaveragehumanheadparameters,anddoesnotmeetthewearneedsofeachdriver.Basedontheadvantagesof3Dprintingtechnologyincustomizeddesignandcomplexmolding,personalizedandmorelightweighthelmetandgogglesmanufacturingcanberealized.Throughthecombinationof3Dprintingtechnologyandracinghelmetandgoggles,itprovidesreferenceandreferenceforthefutureapplicationprospectof3Dprintingtechnology.3Dprintingtechnology;Racinghelmet;Goggles;InnovativeapplicationU469.6+96A1671-7988(2021)23