3D打印技術在賽車頭盔和護目鏡中的應用

李德成，翟豪瑞，袁昊，吳昊，鄭竹安

3D打印技術在賽車頭盔和護目鏡中的應用

李德成，翟豪瑞*，袁昊，吳昊，鄭竹安

（鹽城工學院汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051）

傳統(tǒng)的頭盔及護目鏡制造通常是設計師根據(jù)平均人體頭部參數(shù)所設計的普適模型，并不能滿足每個車手的佩戴需求。基于3D打印技術在定制化設計、復雜成型方面的優(yōu)勢，個性化及更輕量化的頭盔與護目鏡制造得以實現(xiàn)。文章通過3D打印技術與賽車頭盔與護目鏡的結(jié)合做出了諸多創(chuàng)新性的應用，為3D打印技術今后的應用前景提供參考及借鑒。

3D打印技術；賽車頭盔；護目鏡；創(chuàng)新性應用

前言

在戶外越野競賽中，頭盔和護目鏡對車手至關重要。傳統(tǒng)的頭盔及護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，其技術早已成熟，但仍有諸多設計及制造上的缺陷。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準化的，即平均頭部參數(shù)，然而每個車手的頭部數(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、安全性和護目鏡的密封性。3D打印的技術優(yōu)勢在于：無須標準模具，生產(chǎn)工藝及過程簡單，直接成型且無須后處理，能根據(jù)需求隨時更改設計，實現(xiàn)快速響應，消除冗余等。這些特點使3D打印賽車頭盔及護目鏡在定制化、輕量化方面有著獨一無二的發(fā)展前景。

1 3D打印技術在賽車頭盔中的應用

賽車頭盔一般由殼體、緩沖層、襯墊、佩戴裝置等構成，其中殼體與緩沖層是抵御沖擊并吸收碰撞能量從而保護頭部的關鍵部分。

車手在事故發(fā)生時受到的傷害通常是沖擊性的，俗稱“撞鐘”，沖擊性的應力會直接損傷大腦，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平移方向的應力，對旋轉(zhuǎn)加速度方向應力并不能很好地吸收，也就失去了原有的防護性能[1]。

近年來，制造業(yè)的進步促使越來越多的研究人員研究設計更加復雜的創(chuàng)新型結(jié)構，設計出了點陣結(jié)構，這種“蜂窩”型的周期重復結(jié)構在受到外力碰撞時，緩沖吸能效果優(yōu)異，在遭遇旋轉(zhuǎn)加速度方向的沖擊時也能迅速緩解沖擊，從而大大減輕車手受到的損傷。然而傳統(tǒng)的注塑工藝制造復雜度有限[2]，3D打印成型復雜結(jié)構的優(yōu)勢則能彌補現(xiàn)有制造工藝的這一不足，3D打印賽車頭盔復雜度的提高不僅滿足了點陣結(jié)構的需求，更讓賽車頭盔的設計擁有了更多的可能性，圖1為一款點陣化3D打印賽車頭盔。

圖1 點陣化3D打印賽車頭盔

2 3D打印技術在賽車護目鏡中的應用

賽車護目鏡的主要作用是防止異物干擾車手的視線，因此護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，想要對賽車護目鏡的設計進行改變很難，原因是傳統(tǒng)的護目鏡在前期制作及開模的過程需要半月之久，且很難對模具隨意更改。

而利用3D打印技術便可省略其中冗余的過程，設計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打印賽車護目鏡[3]。

圖2 3D打印賽車護目鏡

3 3D打印技術在賽車頭盔與護目鏡中的個性化應用

通常來說，決定賽車頭盔防護性能的不僅僅是它本身的結(jié)構，佩戴是否牢靠同樣會對安全性產(chǎn)生直接影響[4]，同理賽車護目鏡與面部的貼合程度也會影響護目鏡的防沙塵性能，而傳統(tǒng)的賽車頭盔與護目鏡往往是相對標準的平均尺寸，這就使得車手與賽車頭盔及護目鏡并不能完全匹配，由配合間隙過大或過小引起的晃動或壓耳等問題都將降低賽車頭盔的安全性與佩戴舒適性，影響護目鏡的防護性能。

為改進賽車頭盔、護目鏡的匹配度，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)導入3DMAX軟件中進行第一階段修復，修復完成后進行數(shù)據(jù)點拼接、對齊、去噪等進一步處理，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、面部關鍵切面輪廓更改賽車頭盔模型的相關參數(shù)，最后將修改后的賽車頭盔與護目鏡模型導出為3D打印機常用的STL格式，如此便實現(xiàn)了3D打印賽車頭盔和護目鏡的個性化生產(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

4 3D打印技術在賽車頭盔與護目鏡中的輕量化應用

國際汽聯(lián)規(guī)定頭盔與護目鏡重量必須低于1 800 g，原因是在車手競賽過程中，防具的重量會對車手產(chǎn)生較大的負荷，因此對防具質(zhì)量的控制非常重要。

結(jié)合3D打印技術與拓撲優(yōu)化技術可以使頭盔、護目鏡的輕量化更易實現(xiàn)，拓撲優(yōu)化技術是一種根據(jù)給定的負載狀態(tài)、約束條件和性能要求，對材料分布進行數(shù)學優(yōu)化的方法，是結(jié)構優(yōu)化的一種[5]。即在滿足頭盔與護目鏡防護需求的前提下對結(jié)構進行優(yōu)化刪減，從而在保證性能的情況下實現(xiàn)結(jié)構的最輕量化，而傳統(tǒng)的注塑工藝幾乎不可能做到拓撲優(yōu)化，與3D打印技術結(jié)合將是零件輕量化的最理想解決方案。利用Hyperworks的OptiStruct模塊對模型按單元格劃分后進行有限元分析，規(guī)定設計變量、目標函數(shù)、約束條件三要素后開始求解，而后用多孔化的結(jié)構代替其中無效的部分單元格，保留受力的有效單元格，逐個求解，最終得到拓撲優(yōu)化后更輕量化的模型。

拓撲優(yōu)化后模型的多孔鏤空結(jié)構部分傳統(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)

目前的頂級賽車防具主要由Arai、Bell、Stilo等國外品牌設計生產(chǎn)，其在外觀設計、輕量化、安全性等方面處于領先，而國內(nèi)在賽車頭盔與護目鏡設計方面起步較晚，整體的設計制造水平也相對落后。

3D打印技術在個性化、輕量化、結(jié)構化等方面均有優(yōu)勢，3D打印應用于賽車裝備生產(chǎn)中，可以解決傳統(tǒng)生產(chǎn)技術所面臨的諸多難點。

綜上所述，3D打印技術在賽車頭盔和護目鏡中的應用研究將進一步完善國內(nèi)賽車防具設計體系，相信對3D打印技術今后在各行各業(yè)的應用研究會提供一定的參考意義。

[1] 王阜超.潰縮式吸能復合結(jié)構頭盔的設計及其3D打印[D].北京:北京工業(yè)大學,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[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)用護目鏡的防霧技巧[J].當代護士(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理及防護研究[D].重慶:重慶交通大學,2017.

[5] 梁健,李曉杰.拓撲優(yōu)化在產(chǎn)品設計中的應用[J].設計,2021,34(05): 137-139.

Application of 3D Printing Technology in Racing Helmet and Goggles

LI Decheng, ZHAI Haorui*, YUAN Hao, WU Hao, ZHENG Zhu’an

（School of Automotive Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051）

Traditional helmet and goggles manufacturing is usually a universal model designed by the designer according to the average human head parameters, and does not meet the wear needs of each driver. Based on the advantages of 3D printing technology in customized design and complex molding, personalized and more lightweight helmet and goggles manufacturing can be realized. Through the combination of 3D printing technology and racing helmet and goggles, it provides reference and reference for the future application prospect of 3D printing technology.

3D printing technology; Racing helmet; Goggles; Innovative application

U469.6+96

A

1671-7988(2021)23-210-03

U469.6+96

A

1671-7988(2021)23-210-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.058

李德成，本科生，就讀于鹽城工學院汽車工程學院。

翟豪瑞，講師，就職于鹽城工學院汽車工程學院。

江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)重點項目（基于3D打印技術巴哈大賽賽車頭盔及護目鏡的設計制作），編號：202010305015Z。