Material und Struktur wirken sich auf die Leistung aus – Anwendung der 3D-Drucktechnologie beim olympischen Winter-Schneemobilhelm

Material und Struktur wirken sich auf die Leistung aus – Anwendung der 3D-Drucktechnologie für den olympischen Winter-Schneemobilhelm

Schneemobilfahren gehört zu den schnellsten und unterhaltsamsten Veranstaltungen der Olympischen Winterspiele. Das Ergebnis liegt oft innerhalb von Millisekunden, daher sind die Hardwareanforderungen sehr streng. Das Forschungs- und Entwicklungsteam für Schneemobilhelme unter der Leitung von Li Nan, einem außerordentlichen Professor an der School of Education (Normal College) der Dongguan University of Technology, beteiligte sich an der Forschung und Entwicklung des Schneemobilhelms, der beim Training der Olympischen Winterspiele der Nationalmannschaft eingesetzt wurde. Das Team nutzt 3D-Reverse-Modeling und 3D-Drucktechnologie mit Gitterstruktur und sammelt die Daten der Athleten, um Schneemobilhelme eins zu eins anzupassen, um den tatsächlichen Bedürfnissen jedes Athleten gerecht zu werden. Dieser sorgfältig „intelligente“ Helm zeichnet sich durch Personalisierung, Gewichtsreduzierung, Sicherheit usw. aus. In dieser Ausgabe stellt die Referenz zur 3D-Drucktechnologie die Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Material und in der Struktur dieses Schneemobilhelms vor.

Auswahl an Materialien und Strukturen

Gemäß den einschlägigen Anforderungen müssen für den Helm alle Zubehörteile und Materialien aus China stammen.

Bei der Verwendung von Materialien besteht die Außenschicht dieses selbst entwickelten Schneemobilhelms aus China Aerospace T800-Kohlefasermaterial mit hoher Festigkeit und ausgezeichneter Crashfestigkeit. T800-Kohlefaser ist eine neue Art hochfester Hochmodulfaser mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 95 %. Da das Material karbonisiert und graphitiert ist, weist es die Vorteile einer geringen Dichte und einer hohen Festigkeit auf. Relevanten Informationen zufolge ist die Dichte von Kohlefasermaterial geringer als die von Aluminium, seine Festigkeit ist jedoch höher als die von Stahl.

Die innere Materialpufferschicht des Helms nimmt eine 3D-Druck-Gitterstruktur an. Die Mikrostruktur des Materials spielt eine große Rolle für seine Fähigkeit, Stöße zu absorbieren. Die Referenz zur 3D-Drucktechnologie hat erfahren, dass das Forschungsteam Zehntausende Berechnungen von der Auswahl des Gitters bis zur Abstimmung der Helmschale und der Materialeigenschaften durchgeführt und schließlich die optimale Lösung ermittelt hat. Gitterstruktur und Materialien. Mithilfe von 3D-Druck (SLS-Technologie) und TPU-Pulvermaterialien wird die Gitterstruktur der Pufferschicht des Schneemobilhelms entworfen und entwickelt, die besser ist als die des herkömmlichen EPS-Schaummaterials und ihre Schlagfestigkeit um etwa 40 % verbessert, wodurch der Helm bei einer Kollision widerstehen kann. Verschiedene Aufprallkräfte, besserer Schutz des Kopfes des Sportlers.

Laut der Referenz zur 3D-Drucktechnologie wiegt der Helm aus Kohlefaser und TPU-Gitterstruktur nur etwa 1,1 kg, das sind 500 Gramm weniger als der zuvor von der Nationalmannschaft verwendete Helm, wodurch das Gewicht für Sportler effektiv reduziert wird. Derzeit hat dieser Schneemobilhelm die GB- und ECE-Zertifizierung bestanden, erfüllt die Anforderungen des FIS-Wettkampfhelms und wurde an die Schneenationalmannschaft geliefert.



3D-Druck von Gitterpufferstrukturen mit TPU




Unter Gitterstruktur versteht man im Allgemeinen ein Raumfachwerk aus Stäben, Platten und anderen Mikroelementen, die nach bestimmten Regeln immer wieder angeordnet werden. Es zeichnet sich durch eine geringe Schüttdichte, eine große spezifische Oberfläche und hohe spezifische mechanische Eigenschaften aus. Die Sandwichstruktur, die es als Kernmaterial verwendet, erzeugt aufgrund der dynamischen Instabilität der Struktur unter Stoßbelastung eine enorme plastische Verformung und wandelt diese in Wärmeenergie um, die den größten Teil der Aufprallenergie absorbieren kann, sodass sie eine hervorragende Pufferenergieabsorption und Schlagfestigkeit aufweist. , um eine Schutzfunktion zu erfüllen.



Der 3D-Druck hat einen natürlichen Vorteil bei der Herstellung von Gitterstrukturen, mit denen nahezu jede Hohlraumgenauigkeit, Hohlraumanteil, Hohlraumform, Hohlraumgröße, Porenverteilung und Interkonnektivität erreicht werden kann. Auf dieser Grundlage können aus der 3D-gedruckten Gitterstruktur schützende Sportgeräte hergestellt werden, was der Umgestaltung und Aufwertung von Helmen, Rüstungen und anderen Schutzausrüstungen neue Impulse verleiht.
Darüber hinaus bestimmt das Herstellungsmaterial die Eigenschaften und Anwendungen des Gitters. TPU verfügt über eine hervorragende Tragfähigkeit, Schlagfestigkeit und Stoßdämpfungsleistung und behält auch bei -35 °C gute physikalische Eigenschaften wie Elastizität und Flexibilität bei. Es wird häufig in den Bereichen Medizin und Gesundheit, elektronische Geräte, Industrie, Sport und anderen Bereichen eingesetzt. Gleichzeitig ist TPU auch das wichtigste Elastomermaterial, das sich für den 3D-Druck eignet.

Basierend auf den oben genannten Faktoren entschied sich das Team für Schneemobilhelme für TPU als Material für die Gitterstruktur.

Die Gitterstruktur hat großen Einfluss auf die Pufferleistung

Bei der Gestaltung der Gitterstruktur beeinflussen die Größe und Dichte der Zellstruktur sowie die Richtung der Zellstruktur die Druckbarkeit und Leistung der Gitterstruktur.

Die Größe und Dichte einer Zellstruktur bezieht sich auf die Größe einer einzelnen Zelle und die Anzahl der Zellen in einem Raum. Die Größe der Zelle selbst wird durch ihre Knoten sowie die Breite und Länge des Balkens, der die Knoten verbindet, bestimmt. Größere Zellen lassen sich leichter drucken und sind stärker; Kleinere Zellen sind vergleichsweise gleichmäßiger, sind jedoch durch die Größe des Druckprozessmerkmals begrenzt. Normalerweise benötigt die Gitterstruktur standardmäßig keine Unterstützung. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, im Entwurfsprozess auf die Designgrenzen zu achten, wie z. B. die Breite des Balkens, den Neigungswinkel des Balkens usw.; Andererseits ist es auch notwendig, auf den Platzierungswinkel zu achten und den idealsten zu wählen. Die Teile sind in der Ausrichtung selbsttragend, wodurch die Bearbeitungskosten so weit wie möglich reduziert und der Nachbearbeitungsaufwand reduziert wird. Bei der SLS-Technologie fungieren Pulvermaterialien jedoch typischerweise als Träger für das Teil und verringern so den Einfluss der Ausrichtung der Zellstruktur auf den Druck.

Da das Projekt zu den Olympischen Winterspielen noch im Gange ist, sind die Leistungsdaten von Schneemobilhelmen und Referenzen zur 3D-Drucktechnologie derzeit nicht verfügbar. Einige ausländische Forscher haben jedoch zuvor die Pufferwirkung verschiedener Arten von Gitterstrukturen auf die Auswirkungen von PA11, das im HP MJF-Verfahren gedruckt wurde, und von TPU-Materialien, die im Lasersinterverfahren gedruckt wurden, getestet. Beim dynamischen Aufpralltest wird ein 5 kg schwerer kreisförmiger Metallgegenstand aus einer Höhe von 1 m auf das Testobjekt fallen gelassen, und die Testausrüstung kann die gesamte von der Probe absorbierte Aufprallkraft messen. Aus dem Testprozess geht hervor, dass die Schutzwirkung verschiedener Strukturen auf die Auswirkungen des Gitters sehr unterschiedlich ist, sodass Forscher die beste Struktur auswählen können. Das vom H2020-Rahmenprogramm der Europäischen Union geförderte Testprojekt umfasst die Untersuchung mehrerer Techniken zur Erzeugung von Gitterstrukturen und die Erprobung dieser Strukturen für den persönlichen Schutz bei Sportarten wie Klettern, Radfahren, Skaten usw. Helm.

Um die Anforderungen der „Vorbereitung auf die Olympischen Winterspiele und Winterparalympics in Peking“ umzusetzen und den „Aktionsplan für die Olympischen Winterspiele in Wissenschaft und Technologie (2022)“ zu beschleunigen, veröffentlichte das Ministerium für Wissenschaft und Technologie im Jahr 2019 den nationalen Schlüsselforschungs- und Entwicklungsplan „Wissenschaft und Technologie für die Olympischen Winterspiele“, das wichtigste Sonderprojekt 2020, den jährlichen Projektumsetzungsplan. Die Wissenschafts- und Technologieolympiade wird die moderne Informationstechnologie sowie wissenschaftliche und technologische Mittel voll ausschöpfen und nach dem Prinzip „schneller, bequemer, genauer und sicherer“ vorgehen, damit Sportwettkämpfe und Hilfsaktivitäten reibungslos durchgeführt werden können.

Im Vergleich zu herkömmlichen Schaumstoffhelmen verfügt der führende Herstellungsprozess des 3D-Drucks über eine inhärente individuelle Anpassungsfähigkeit und verfügt über ein unabhängiges Sicherheitstestergebnis, das herkömmliche Schaumstoffhelme übertrifft. Durch den Zusammenbau der einzelnen Komponenten des Helms, einschließlich der bedruckten Innenstruktur und Außenschale, kann der Helm bei Bedarf bedruckt werden, um den Schutz und den Tragekomfort auf dem Spielfeld zu verbessern.

Die „Olympischen Winterspiele in Wissenschaft und Technologie“ sind ein Höhepunkt der Olympischen Winterspiele in Peking. Unter der Leitung des Konzepts der „Wissenschafts- und Technikolympiade“ haben zahlreiche Wissenschaftler und Techniker den „Olympischen Wissenschafts- und Technik-Langstreckenlauf“ gestartet. Eine Bühne für Eigenständigkeit und Eigenständigkeit der horizontalen Technologie. Als neue Technologie, die sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt hat, spielte der 3D-Druck auch bei den Vorbereitungen auf die Olympischen Winterspiele eine große Rolle.