مواد و ساختار بر عملکرد تأثیر می‌گذارد - کاربرد فناوری چاپ سه‌بعدی کلاه ایمنی برفی المپیک زمستانی

مواد و ساختار بر عملکرد تأثیر می گذارد - استفاده از فناوری چاپ سه بعدی کلاه ایمنی برفی المپیک زمستانی

ماشین های برفی یکی از سریع ترین و سرگرم کننده ترین رویدادهای المپیک زمستانی هستند. نتیجه اغلب در چند میلی ثانیه است، بنابراین الزامات سخت افزاری بسیار سختگیرانه است. تیم تحقیق و توسعه کلاه ایمنی برفی به سرپرستی لی نان، دانشیار دانشکده آموزش (کالج عادی) دانشگاه صنعتی دونگوان، در تحقیق و توسعه کلاه ایمنی برفی که در تمرینات المپیک زمستانی تیم ملی استفاده شده است، شرکت کردند. این تیم از مدل‌سازی سه بعدی معکوس و فناوری چاپ سه‌بعدی ساختار شبکه استفاده می‌کند و داده‌های ورزشکاران را جمع‌آوری می‌کند تا کلاه ایمنی یک به یک اتومبیل برفی را برای پاسخگویی به نیازهای واقعی هر ورزشکار سفارشی کند. این کلاه ایمنی با دقت "هوشمند" دارای ویژگی های شخصی سازی، کاهش وزن، ایمنی و غیره است. مرجع فناوری پرینت سه بعدی در این شماره به معرفی کاربرد فناوری پرینت سه بعدی در متریال و ساختار این کلاه ایمنی اتومبیل برفی می پردازد.

انتخاب مصالح و سازه

طبق الزامات مربوطه، کلاه ایمنی نیاز دارد که تمام لوازم جانبی و مواد متعلق به چین باشد.

در استفاده از مواد، لایه بیرونی این کلاه ایمنی اتومبیل برفی خود ساخته از مواد فیبر کربنی China Aerospace T800 با استحکام بالا و مقاومت عالی در برابر ضربه ساخته شده است. فیبر کربن T800 نوع جدیدی از فیبر با استحکام بالا و مدول بالا با محتوای کربن بیش از 95٪ است. از آنجایی که این ماده کربنیزه و گرافیت شده است، از مزایای چگالی کم و استحکام بالا برخوردار است. بر اساس اطلاعات مربوطه، چگالی مواد فیبر کربن کمتر از آلومینیوم است، اما استحکام آن بیشتر از فولاد است.

لایه بافر مواد داخلی کلاه از ساختار شبکه چاپ سه بعدی استفاده می کند. ریزساختار این ماده نقش بسیار زیادی در توانایی آن در جذب ضربه دارد. مرجع فناوری چاپ سه بعدی دریافته است که تیم تحقیقاتی ده ها هزار محاسبه را از انتخاب شبکه تا تطبیق پوسته کلاه و خواص مواد انجام داده اند و در نهایت بهینه را تعیین کرده اند. ساختار شبکه و مواد. با استفاده از پرینت سه بعدی (فناوری SLS) و مواد پودری TPU، ساختار شبکه ای لایه بافر کلاه برفی خودرو طراحی و توسعه یافته است که بهتر از مواد فوم سنتی EPS است و مقاومت آن در برابر ضربه حدود 40 درصد بهبود یافته است که می تواند در هنگام برخورد با کلاه ایمنی مقاومت کند. نیروهای ضربه ای مختلف، حفاظت بهتر از سر ورزشکار.

با توجه به مرجع فناوری چاپ سه بعدی، کلاه ایمنی ساخته شده از فیبر کربن و ساختار شبکه TPU تنها حدود 1.1 کیلوگرم وزن دارد که 500 گرم کمتر از کلاه ایمنی استفاده شده توسط تیم ملی در گذشته است و به طور موثر وزن ورزشکاران را کاهش می دهد. در حال حاضر این کلاه برفی با گذراندن گواهینامه GB و ECE مطابق با الزامات کلاه ایمنی مسابقات FIS به تیم ملی برف تحویل داده شده است.



چاپ سه بعدی ساختارهای بافر شبکه با استفاده از TPU




ساختار مشبک به طور کلی به یک خرپا فضایی متشکل از میله ها، صفحات و سایر عناصر ریز که به طور مکرر بر اساس قوانین خاصی چیده شده اند، اطلاق می شود. دارای ویژگی های چگالی ظاهری کم، سطح ویژه بزرگ و خواص مکانیکی ویژه بالا است. سازه ساندویچی که از آن به عنوان ماده اصلی استفاده می کند، به دلیل ناپایداری دینامیکی سازه تحت بار ضربه، تغییر شکل پلاستیکی عظیمی ایجاد می کند و آن را به انرژی گرمایی تبدیل می کند که می تواند بیشتر انرژی ضربه را جذب کند، بنابراین دارای جذب انرژی بافر و مقاومت ضربه ای عالی است. ، به طوری که یک عملکرد محافظتی ایفا کند.



پرینت سه بعدی یک مزیت طبیعی در ساخت ساختارهای شبکه ای دارد که می تواند تقریباً به هر دقت فضای خالی، کسر فضای خالی، شکل خالی، اندازه فضای خالی، توزیع منافذ و اتصال متقابل دست یابد. بر این اساس، ساختار مشبک پرینت سه بعدی می تواند تجهیزات ورزشی محافظ بسازد که انگیزه جدیدی برای تغییر و ارتقاء کلاه ایمنی، زره و سایر تجهیزات حفاظتی به ارمغان می آورد.
علاوه بر این، مواد تولیدی خواص و کاربردهای شبکه را تعیین می کند. TPU دارای ظرفیت باربری عالی، مقاومت در برابر ضربه و عملکرد جذب ضربه است و خواص فیزیکی خوبی مانند کشش و انعطاف پذیری را حتی در دمای -35 درجه سانتیگراد حفظ می کند. این به طور گسترده ای در پزشکی و بهداشت، لوازم الکترونیکی، صنعت، ورزش و زمینه های دیگر استفاده می شود. در عین حال، TPU نیز ماده اصلی الاستومری مناسب برای چاپ سه بعدی است.

بر اساس عوامل فوق، تیم کلاه ایمنی ماشین برفی TPU را به عنوان ماده ساختار شبکه انتخاب کرد.

ساختار شبکه تا حد زیادی بر عملکرد بافر تأثیر می گذارد

در طراحی ساختار شبکه، اندازه و تراکم ساختار سلولی و جهت ساختار سلولی بر قابلیت چاپ و عملکرد ساختار شبکه تاثیر خواهد داشت.

اندازه و چگالی ساختار یک سلول به اندازه یک سلول و تعداد سلول های یک فضا اشاره دارد. اندازه سلول توسط گره های آن و عرض و طول پرتوی که گره ها را به هم متصل می کند تعیین می شود. چاپ سلول های بزرگتر آسان تر و قوی تر هستند. سلول های کوچکتر نسبتاً یکنواخت تر هستند، اما به دلیل اندازه ویژگی فرآیند چاپ محدود می شوند. معمولاً ساختار شبکه به طور پیش فرض نیاز به پشتیبانی ندارد. در این راستا توجه به محدودیت های طراحی در فرآیند طراحی مانند عرض تیر، زاویه شیب تیر و ... ضروری است. از سوی دیگر، توجه به زاویه قرارگیری و انتخاب ایده آل ترین قطعات نیز ضروری است. با این حال، برای فناوری SLS، مواد پودری معمولاً به عنوان تکیه گاه برای قطعه عمل می‌کنند و در نتیجه تأثیر جهت‌گیری ساختار سلولی را بر چاپ کاهش می‌دهند.

از آنجایی که پروژه بازی های المپیک زمستانی هنوز در حال انجام است، داده های عملکرد کلاه ایمنی ماشین برفی، مرجع فناوری چاپ سه بعدی در حال حاضر در دسترس نیست. با این حال، برخی از محققان خارجی قبلاً اثر بافر انواع مختلف ساختارهای شبکه را بر روی تأثیر PA11 چاپ شده توسط فرآیند HP MJF و مواد TPU چاپ شده توسط فرآیند تف جوشی لیزری آزمایش کرده اند. آزمایش ضربه پویا از یک جسم فلزی دایره‌ای 5 کیلوگرمی استفاده می‌کند که از ارتفاع 1 متری روی جسم آزمایشی رها شده است و تجهیزات آزمایشی می‌توانند کل نیروی ضربه جذب شده توسط نمونه را اندازه‌گیری کنند. از فرآیند آزمایش، می توان دریافت که اثرات حفاظتی سازه های مختلف بر ضربه شبکه بسیار متفاوت است، بنابراین محققان می توانند بهترین سازه را انتخاب کنند. پروژه آزمایشی که توسط برنامه چارچوب H2020 اتحادیه اروپا تامین می شود، شامل مطالعه چندین تکنیک برای تولید سازه های مشبک و آزمایش این سازه ها برای محافظت شخصی در ورزش هایی مانند صخره نوردی، دوچرخه سواری، اسکیت و غیره کلاه ایمنی است.

به منظور اجرای الزامات «آمادگی برای بازی‌های المپیک زمستانی و پارالمپیک زمستانی پکن» و تسریع در «برنامه اقدام المپیک زمستانی علم و فناوری (2022)»، در سال 2019، وزارت علوم و فناوری طرح ملی تحقیق و توسعه کلیدی ملی «علم و فناوری المپیک زمستانی» پروژه ویژه اجرای پروژه سالانه 2020 را منتشر کرد. المپیک علم و فناوری از فناوری نوین اطلاعات و ابزارهای علمی و فناوری و بر اساس اصل «سریع‌تر، راحت‌تر، دقیق‌تر و ایمن‌تر» استفاده کامل خواهد کرد تا مسابقات ورزشی و فعالیت‌های کمکی به آرامی انجام شود.

در مقایسه با کلاه‌های فوم سنتی، فرآیند تولید پیشرو چاپ سه بعدی دارای سازگاری سفارشی ذاتی است و دارای امتیاز تست ایمنی مستقل است که از کلاه‌های فوم سنتی بهتر عمل می‌کند. با مونتاژ اجزای جداگانه کلاه، از جمله ساختار داخلی چاپ شده و پوسته بیرونی، کلاه را می توان در صورت تقاضا برای محافظت بهتر و پوشیدن راحتی در زمین چاپ کرد.

«بازی‌های المپیک زمستانی علم و فناوری» یکی از برجسته‌ترین رویدادهای المپیک زمستانی پکن است. تحت هدایت مفهوم "المپیک علم و فناوری"، تعداد بیشماری از کارگران علمی و فناوری "دوی راه دور علم و فناوری المپیک" را آغاز کرده اند. مرحله ای برای خوداتکایی و خوداتکایی فناوری افقی. به عنوان یک فناوری جدید که در سال های اخیر به سرعت توسعه یافته است، پرینت سه بعدی نیز نقش مهمی در آمادگی برای بازی های المپیک زمستانی ایفا کرده است.