Material e estrutura afetam o desempenho - aplicação de tecnologia de impressão 3D do capacete de snowmobile olímpico de inverno

Material e estrutura afetam o desempenho - aplicação de tecnologia de impressão 3D do capacete olímpico de snowmobile de inverno

Os snowmobiles são um dos eventos mais rápidos e divertidos das Olimpíadas de Inverno. O resultado geralmente ocorre em milissegundos, portanto os requisitos de hardware são muito rígidos. A equipe de pesquisa e desenvolvimento de capacetes para motos de neve liderada por Li Nan, professor associado da Escola de Educação (Faculdade Normal) da Universidade de Tecnologia de Dongguan, participou da pesquisa e desenvolvimento do capacete para motos de neve, que tem sido usado no treinamento dos Jogos Olímpicos de Inverno da seleção nacional. A equipe usa modelagem reversa 3D e tecnologia de impressão 3D de estrutura treliçada e coleta dados dos atletas para personalizar capacetes de snowmobile um a um para atender às necessidades reais de cada atleta. Este capacete cuidadosamente “inteligente” possui características de personalização, redução de peso, segurança e assim por diante. Nesta edição, a referência da tecnologia de impressão 3D apresenta a aplicação da tecnologia de impressão 3D no material e na estrutura deste capacete para snowmobile.

Escolha de materiais e estruturas

De acordo com os requisitos relevantes, o capacete exige que todos os acessórios e materiais sejam de propriedade da China.

No uso de materiais, a camada externa deste capacete de snowmobile autodesenvolvido é feita de material de fibra de carbono China Aerospace T800 com alta resistência e excelente resistência a colisões. A fibra de carbono T800 é um novo tipo de fibra de alta resistência e alto módulo com um teor de carbono superior a 95%. Por ser carbonizado e grafitado, o material apresenta as vantagens de baixa densidade e alta resistência. Segundo informações relevantes, a densidade do material de fibra de carbono é menor que a do alumínio, mas sua resistência é maior que a do aço.

A camada tampão de material interno do capacete adota uma estrutura de treliça de impressão 3D. A microestrutura do material desempenha um papel importante na sua capacidade de absorver choques. A referência da tecnologia de impressão 3D descobriu que a equipe de pesquisa passou por dezenas de milhares de cálculos, desde a seleção da estrutura até a correspondência entre o casco do capacete e as propriedades do material, e finalmente determinou o ideal. Estrutura e materiais treliçados. Usando impressão 3D (tecnologia SLS) e materiais em pó TPU, a estrutura de treliça da camada tampão do capacete de snowmobile é projetada e desenvolvida, que é melhor do que o material de espuma EPS tradicional, e sua resistência ao impacto é melhorada em cerca de 40%, o que pode resistir ao capacete quando ele encontra uma colisão. Várias forças de impacto, melhor proteção da cabeça do atleta.

De acordo com a referência da tecnologia de impressão 3D, o capacete feito de fibra de carbono e estrutura treliçada em TPU pesa apenas cerca de 1,1 kg, o que é 500 gramas a menos que o capacete usado pela seleção nacional antes, reduzindo efetivamente o peso dos atletas. Atualmente, este capacete para snowmobile passou pela certificação GB e ECE, atendendo aos requisitos do capacete de competição FIS, e foi entregue à equipe nacional de neve.



Impressão 3D de estruturas de buffer de treliça usando TPU




A estrutura treliçada geralmente se refere a uma treliça espacial composta por hastes, placas e outros microelementos que são repetidamente dispostos de acordo com certas regras. Possui características de baixa densidade aparente, grande área superficial específica e altas propriedades mecânicas específicas. A estrutura sanduíche que o utiliza como material central produz enorme deformação plástica devido à instabilidade dinâmica da estrutura sob carga de impacto e a converte em energia térmica, que pode absorver a maior parte da energia de impacto, por isso possui excelente absorção de energia tampão e resistência ao impacto. , de modo a desempenhar uma função protetora.



A impressão 3D tem uma vantagem natural na fabricação de estruturas reticuladas que podem atingir praticamente qualquer precisão de vazio, fração de vazio, formato de vazio, tamanho de vazio, distribuição de poros e interconectividade. Com base nisso, a estrutura treliçada impressa em 3D pode fabricar equipamentos esportivos de proteção, o que traz um novo impulso à transformação e atualização de capacetes, armaduras e outros equipamentos de proteção.
Além disso, o material de fabricação determina as propriedades e aplicações da rede. O TPU possui excelente capacidade de carga, resistência ao impacto e desempenho de absorção de choque, e mantém boas propriedades físicas, como elasticidade e flexibilidade, mesmo a -35 °C. É amplamente utilizado na área médica e de saúde, aparelhos eletrônicos, indústria, esportes e outros campos. Ao mesmo tempo, o TPU também é o principal material elastômero adequado para impressão 3D.

Com base nos fatores acima, a equipe do capacete para snowmobile escolheu o TPU como material da estrutura treliçada.

A estrutura reticulada afeta muito o desempenho do buffer

No projeto da estrutura reticulada, o tamanho e a densidade da estrutura celular e a direção da estrutura celular afetarão a capacidade de impressão e o desempenho da estrutura reticulada.

O tamanho e a densidade de uma estrutura celular referem-se ao tamanho de uma única célula e ao número de células em um espaço. O tamanho da célula em si é determinado por seus nós e pela largura e comprimento do feixe que conecta os nós. Células maiores são mais fáceis de imprimir e mais resistentes; células menores são relativamente mais uniformes, mas são limitadas pelo tamanho do recurso do processo de impressão. Normalmente, a estrutura reticulada não precisa de suporte por padrão. Nesse sentido, é necessário atentar para os limites de projeto no processo de projeto, como a largura da viga, o ângulo de inclinação da viga, etc.; por outro lado, também é necessário estar atento ao ângulo de colocação e escolher o mais ideal. As peças são autoportantes na orientação, reduzindo ao máximo os custos de processamento e reduzindo o trabalho de pós-processamento. Para a tecnologia SLS, entretanto, os materiais em pó normalmente atuam como suporte para a peça, reduzindo assim o efeito da orientação da estrutura celular na impressão.

Como o projeto das Olimpíadas de Inverno ainda está em andamento, os dados de desempenho dos capacetes para motos de neve, referência da tecnologia de impressão 3D, não estão disponíveis no momento. No entanto, alguns pesquisadores estrangeiros testaram anteriormente o efeito tampão de vários tipos de estruturas treliçadas no impacto do PA11 impresso pelo processo HP MJF e dos materiais TPU impressos pelo processo de sinterização a laser. O teste de impacto dinâmico usa um objeto de metal circular de 5kg que cai sobre o objeto de teste de uma altura de 1m, e o equipamento de teste pode medir a força de impacto total absorvida pela amostra. A partir do processo de teste, verifica-se que os efeitos de proteção das diferentes estruturas sobre o impacto da rede são muito diferentes, para que os pesquisadores possam escolher a melhor estrutura. Financiado pelo Programa Quadro H2020 da União Europeia, o projeto de teste inclui o estudo de diversas técnicas de geração de estruturas treliçadas e o teste dessas estruturas para proteção individual em desportos como escalada, ciclismo, patinagem, etc.

A fim de implementar os requisitos de "preparação para os Jogos Olímpicos de Inverno e Paraolimpíadas de Inverno de Pequim" e acelerar o "Plano de Ação dos Jogos Olímpicos de Inverno de Ciência e Tecnologia (2022)", em 2019, o Ministério da Ciência e Tecnologia divulgou o principal plano nacional de pesquisa e desenvolvimento "Jogos Olímpicos de Inverno de Ciência e Tecnologia" principal projeto especial 2020 Plano anual de implementação do projeto. As Olimpíadas de Ciência e Tecnologia farão pleno uso da moderna tecnologia da informação e dos meios científicos e tecnológicos, e sob o princípio de "mais rápido, mais conveniente, mais preciso e mais seguro", para que as competições esportivas e atividades auxiliares possam ser realizadas sem problemas.

Em comparação com os capacetes de espuma tradicionais, o principal processo de fabricação da impressão 3D possui adaptabilidade personalizada inerente e possui uma pontuação de teste de segurança independente que supera os capacetes de espuma tradicionais. Montando os componentes individuais do capacete, incluindo a estrutura interna impressa e o revestimento externo, o capacete pode ser impresso sob demanda para maior proteção e conforto de uso em campo.

Os "Jogos Olímpicos de Inverno de Ciência e Tecnologia" são um destaque dos Jogos Olímpicos de Inverno de Pequim. Sob a orientação do conceito de “Olimpíadas de Ciência e Tecnologia”, inúmeros trabalhadores científicos e tecnológicos iniciaram a “Corrida Olímpica de Ciência e Tecnologia de Longa Distância”. Um palco para autossuficiência e autossuficiência da tecnologia horizontal. Sendo uma nova tecnologia que se desenvolveu rapidamente nos últimos anos, a impressão 3D também desempenhou um papel importante nos preparativos para os Jogos Olímpicos de Inverno.