Материал и структура влияют на производительность: применение технологии 3D-печати зимнего олимпийского снегоходного шлема

Материал и структура влияют на характеристики: применение технологии 3D-печати зимнего олимпийского снегоходного шлема

Снегоходы — одно из самых быстрых и зрелищных соревнований на зимних Олимпийских играх. Результат часто зависит от миллисекунд, поэтому требования к оборудованию очень строгие. Группа исследований и разработок снегоходных шлемов под руководством Ли Нана, доцента Педагогической школы (нормального колледжа) Технологического университета Дунгуань, участвовала в исследованиях и разработке снегоходного шлема, который использовался при обучении снегоходных шлемов. Зимние Олимпийские игры национальной сборной. Команда использует технологию обратного 3D-моделирования и 3D-печати с решетчатой ​​структурой, а также собирает данные спортсменов, чтобы индивидуально адаптировать снегоходные шлемы к реальным потребностям каждого спортсмена. Этот тщательно «умный» шлем обладает характеристиками персонализации, снижения веса, безопасности и так далее. В этом выпуске справочник по технологии 3D-печати знакомит с применением технологии 3D-печати в материале и конструкции этого снегоходного шлема.

Выбор материалов и конструкций

Согласно соответствующим требованиям, все аксессуары и материалы для шлема должны быть китайскими.

Внешний слой этого снегоходного шлема собственной разработки изготовлен из углеродного волокна China Aerospace T800, обладающего высокой прочностью и превосходной ударопрочностью. Углеродное волокно Т800 — это новый тип высокопрочного высокомодульного волокна с содержанием углерода более 95%. Поскольку материал карбонизирован и графитирован, он обладает преимуществами низкой плотности и высокой прочности. По соответствующей информации, плотность углеволоконного материала ниже, чем у алюминия, но его прочность больше, чем у стали.

Внутренний буферный слой материала шлема имеет решетчатую структуру 3D-печати. Микроструктура материала играет огромную роль в его способности поглощать удары. Справочнику по технологии 3D-печати стало известно, что исследовательская группа провела десятки тысяч расчетов от выбора решетки до соответствия свойств оболочки шлема и материала и, наконец, определила оптимальный вариант. Решетчатая конструкция и материалы. Используя 3D-печать (технологию SLS) и порошковые материалы ТПУ, спроектирована и разработана решетчатая структура буферного слоя снегоходного шлема, которая лучше, чем традиционный вспененный материал EPS, а его ударопрочность улучшена примерно на 40%, что позволяет выдерживать шлем при столкновении. Различная сила удара, лучшая защита головы спортсмена.

Согласно справочнику по технологии 3D-печати, шлем, изготовленный из углеродного волокна и решетчатой ​​структуры ТПУ, весит всего около 1,1 кг, что на 500 граммов меньше, чем шлем, который раньше использовался национальной сборной, что эффективно снижает вес спортсменов. В настоящее время этот шлем для снегоходов прошел сертификацию GB и ECE, соответствует требованиям шлема для соревнований FIS и доставлен национальной снежной команде.



3D-печать решетчатых буферных структур с использованием ТПУ




Решетчатая структура обычно представляет собой пространственную ферму, состоящую из стержней, пластин и других микроэлементов, которые неоднократно располагаются по определенным правилам. Он имеет характеристики низкой объемной плотности, большой удельной поверхности и высоких удельных механических свойств. Сэндвич-структура, использующая его в качестве основного материала, вызывает огромную пластическую деформацию из-за динамической нестабильности конструкции под ударной нагрузкой и преобразует ее в тепловую энергию, которая может поглотить большую часть энергии удара, поэтому она обладает отличным поглощением буферной энергии и ударопрочностью. . , чтобы играть защитную функцию.



3D-печать имеет естественное преимущество при изготовлении решетчатых структур, которые могут обеспечить практически любую точность пустот, долю пустот, форму пустот, размер пустот, распределение пор и взаимосвязь. На основе этого 3D-печатная решетчатая конструкция позволяет изготавливать защитное спортивное снаряжение, что дает новый импульс трансформации и модернизации шлемов, доспехов и другого защитного снаряжения.
Кроме того, материал изготовления определяет свойства и применение решетки. ТПУ обладает превосходной несущей способностью, ударопрочностью и амортизацией, а также сохраняет хорошие физические свойства, такие как эластичность и гибкость, даже при температуре -35 °C. Он широко используется в медицине и здравоохранении, электронной технике, промышленности, спорте и других областях. В то же время ТПУ также является основным эластомерным материалом, подходящим для 3D-печати.

Основываясь на вышеперечисленных факторах, команда разработчиков снегоходных шлемов выбрала ТПУ в качестве материала решетчатой ​​конструкции.

Решётчатая структура сильно влияет на производительность буфера

При проектировании решетчатой ​​структуры размер и плотность ячеистой структуры, а также направление ячеистой структуры будут влиять на возможность печати и производительность решетчатой ​​структуры.

Размер и плотность клеточной структуры относятся к размеру одной ячейки и количеству ячеек в пространстве. Размер самой ячейки определяется ее узлами, а также шириной и длиной луча, соединяющего узлы. Ячейки большего размера легче печатать и они прочнее; Ячейки меньшего размера относительно более однородны, но ограничены размером элемента процесса печати. Обычно решетчатая структура по умолчанию не нуждается в поддержке. В связи с этим в процессе проектирования необходимо обращать внимание на конструктивные ограничения, такие как ширина балки, угол наклона балки и т. д.; с другой стороны, также необходимо обратить внимание на угол размещения и выбрать наиболее идеальный. Детали являются самонесущими в ориентации, что максимально снижает затраты на обработку и сокращает работу по постобработке. Однако в технологии SLS порошковые материалы обычно действуют как опора для детали, тем самым уменьшая влияние ориентации клеточной структуры на печать.

Поскольку проект Зимних Олимпийских игр все еще находится в стадии реализации, данные о характеристиках снегоходных шлемов и технология 3D-печати в настоящее время недоступны. Однако некоторые зарубежные исследователи ранее проверяли буферный эффект различных типов решетчатых структур на влияние PA11, напечатанного процессом HP MJF, и материалов ТПУ, напечатанных процессом лазерного спекания. В испытании на динамический удар используется круглый металлический предмет массой 5 ​​кг, падающий на испытуемый объект с высоты 1 м, и испытательное оборудование может измерять общую силу удара, поглощаемую образцом. В ходе испытаний выяснилось, что защитное воздействие различных структур на воздействие решетки сильно различается, поэтому исследователи могут выбрать лучшую структуру. Тестовый проект, финансируемый Рамочной программой Европейского Союза H2020, включает в себя изучение нескольких методов создания решетчатых структур и тестирование этих структур для индивидуальной защиты в таких видах спорта, как скалолазание, езда на велосипеде, катание на коньках и т. д. шлем.

В целях реализации требований «подготовки к зимним Олимпийским играм в Пекине и зимних Паралимпийских игр» и ускорения выполнения «Плана действий Зимних Олимпийских игр по науке и технологиям (2022 г.)» в 2019 году Министерство науки и технологий опубликовало национальный ключевой проект исследований и разработок. план «Зимние Олимпийские игры по науке и технологиям» ключевой специальный проект 2020 Годовой план реализации проекта. На Олимпийских играх по науке и технологиям будут в полной мере использованы современные информационные технологии и научно-технические средства, а также по принципу «быстрее, удобнее, точнее и безопаснее», чтобы спортивные соревнования и вспомогательные мероприятия могли проводиться бесперебойно.

По сравнению с традиционными пенопластовыми шлемами, передовой производственный процесс 3D-печати обладает индивидуальной адаптируемостью и имеет результаты независимых испытаний на безопасность, которые превосходят традиционные пенопластовые шлемы. Собрав отдельные компоненты шлема, включая напечатанную внутреннюю структуру и внешнюю оболочку, можно напечатать шлем по запросу для улучшения защиты и комфорта при ношении в полевых условиях.

«Зимние Олимпийские игры по науке и технологиям» являются ярким событием зимних Олимпийских игр в Пекине. Под руководством концепции «Олимпиады по науке и технологиям» бесчисленные работники науки и техники начали «Олимпийский забег по науке и технологиям на длинные дистанции». Этап для уверенности в своих силах и самостоятельности горизонтальной технологии. Как новая технология, которая быстро развивалась в последние годы, 3D-печать также сыграла важную роль в подготовке к зимним Олимпийским играм.