El material y la estructura afectan el rendimiento: aplicación de tecnología de impresión 3D del casco de motonieve olímpico de invierno

El material y la estructura afectan el rendimiento: aplicación de tecnología de impresión 3D al casco de motonieve olímpico de invierno

Las motos de nieve son una de las pruebas más rápidas y entretenidas de los Juegos Olímpicos de Invierno. El resultado suele ser de milisegundos, por lo que los requisitos de hardware son muy estrictos. El equipo de investigación y desarrollo del casco para motos de nieve dirigido por Li Nan, profesor asociado de la Escuela de Educación (Colegio Normal) de la Universidad Tecnológica de Dongguan, participó en la investigación y el desarrollo del casco para motos de nieve, que se ha utilizado en el entrenamiento del equipo nacional en los Juegos Olímpicos de Invierno. El equipo utiliza modelado inverso 3D y tecnología de impresión 3D de estructura reticular, y recopila datos de los atletas para personalizar los cascos de motos de nieve uno a uno para satisfacer las necesidades reales de cada atleta. Este casco cuidadosamente "inteligente" tiene las características de personalización, reducción de peso, seguridad, etc. En este número, la referencia en tecnología de impresión 3D presenta la aplicación de la tecnología de impresión 3D en el material y la estructura de este casco para moto de nieve.

Elección de materiales y estructuras.

Según los requisitos pertinentes, el casco requiere que todos los accesorios y materiales sean propios de China.

En el uso de materiales, la capa exterior de este casco para motos de nieve de desarrollo propio está hecha de material de fibra de carbono China Aerospace T800 con alta resistencia y excelente resistencia a choques. La fibra de carbono T800 es un nuevo tipo de fibra de alto módulo y alta resistencia con un contenido de carbono superior al 95%. Debido a que el material está carbonizado y grafitizado, tiene las ventajas de baja densidad y alta resistencia. Según información relevante, la densidad del material de fibra de carbono es menor que la del aluminio, pero su resistencia es mayor que la del acero.

La capa amortiguadora de material interior del casco adopta una estructura de celosía de impresión 3D. La microestructura del material juega un papel muy importante en su capacidad para absorber impactos. La referencia de la tecnología de impresión 3D se enteró de que el equipo de investigación realizó decenas de miles de cálculos, desde la selección de la red hasta la combinación de la carcasa del casco y las propiedades del material, y finalmente determinó cuál era el óptimo. Estructura reticular y materiales. Utilizando impresión 3D (tecnología SLS) y materiales en polvo de TPU, se diseña y desarrolla la estructura reticular de la capa amortiguadora del casco para motos de nieve, que es mejor que el material de espuma EPS tradicional, y su resistencia al impacto se mejora en aproximadamente un 40%, lo que puede resistir el casco cuando se encuentra con una colisión. Diversas fuerzas de impacto, mejor protección de la cabeza del deportista.

Según la referencia de la tecnología de impresión 3D, el casco hecho de fibra de carbono y estructura reticular de TPU pesa sólo alrededor de 1,1 kg, 500 gramos menos que el casco utilizado anteriormente por el equipo nacional, lo que reduce efectivamente el peso de los atletas. En la actualidad, este casco para moto de nieve ha pasado la certificación GB y ECE, cumple con los requisitos del casco de competición FIS y ha sido entregado al equipo nacional de nieve.



Impresión 3D de estructuras de amortiguación de celosía utilizando TPU




La estructura reticular generalmente se refiere a una armadura espacial compuesta de varillas, placas y otros microelementos que se organizan repetidamente de acuerdo con ciertas reglas. Tiene las características de baja densidad aparente, gran superficie específica y altas propiedades mecánicas específicas. La estructura sándwich que lo utiliza como material central produce una enorme deformación plástica debido a la inestabilidad dinámica de la estructura bajo carga de impacto y la convierte en energía térmica, que puede absorber la mayor parte de la energía del impacto, por lo que tiene una excelente absorción de energía amortiguadora y resistencia al impacto. , para desempeñar una función protectora.



La impresión 3D tiene una ventaja natural en la fabricación de estructuras reticulares que pueden lograr prácticamente cualquier precisión de vacío, fracción de vacío, forma de vacío, tamaño de vacío, distribución de poros e interconectividad. Sobre esta base, la estructura reticular impresa en 3D puede fabricar equipos deportivos de protección, lo que aporta un nuevo impulso a la transformación y mejora de cascos, armaduras y otros equipos de protección.
Además, el material de fabricación determina las propiedades y aplicaciones de la celosía. El TPU tiene una excelente capacidad de carga, resistencia al impacto y rendimiento de absorción de impactos, y mantiene buenas propiedades físicas como elasticidad y flexibilidad incluso a -35 °C. Es ampliamente utilizado en medicina y salud, aparatos electrónicos, industria, deportes y otros campos. Al mismo tiempo, el TPU es también el principal material elastómero adecuado para la impresión 3D.

Con base en los factores anteriores, el equipo del casco para motos de nieve eligió TPU como material de estructura reticular.

La estructura reticular afecta en gran medida el rendimiento del búfer

En el diseño de la estructura reticular, el tamaño y la densidad de la estructura celular y la dirección de la estructura celular afectarán la imprimibilidad y el rendimiento de la estructura reticular.

El tamaño y la densidad de una estructura celular se refieren al tamaño de una sola celda y al número de celdas en un espacio. El tamaño de la celda en sí está determinado por sus nodos y el ancho y largo del haz que conecta los nodos. Las celdas más grandes son más fáciles de imprimir y más fuertes; las celdas más pequeñas son relativamente más uniformes, pero están limitadas por el tamaño de la característica del proceso de impresión. Por lo general, la estructura de celosía no necesita soporte por defecto. En este sentido, es necesario prestar atención a los límites de diseño en el proceso de diseño, como el ancho de la viga, el ángulo de inclinación de la viga, etc.; por otro lado, también es necesario prestar atención al ángulo de colocación y elegir el más ideal. Las piezas son autoportantes en la orientación, reduciendo al máximo los costos de procesamiento y reduciendo el trabajo de posprocesamiento. Sin embargo, para la tecnología SLS, los materiales en polvo suelen actuar como soporte para la pieza, reduciendo así el efecto de la orientación de la estructura celular en la impresión.

Como el proyecto de los Juegos Olímpicos de Invierno aún está en progreso, los datos de rendimiento de los cascos para motos de nieve, referencia de la tecnología de impresión 3D, no están disponibles actualmente. Sin embargo, algunos investigadores extranjeros han probado previamente el efecto amortiguador de varios tipos de estructuras reticulares sobre el impacto del PA11 impreso mediante el proceso HP MJF y los materiales de TPU impresos mediante el proceso de sinterización láser. La prueba de impacto dinámico utiliza un objeto metálico circular de 5 kg que se deja caer sobre el objeto de prueba desde una altura de 1 m, y el equipo de prueba puede medir la fuerza de impacto total absorbida por la muestra. Del proceso de prueba se desprende que los efectos de protección de diferentes estructuras sobre el impacto de la red son muy diferentes, por lo que los investigadores pueden elegir la mejor estructura. Financiado por el Programa Marco H2020 de la Unión Europea, el proyecto de prueba incluye el estudio de varias técnicas para generar estructuras reticulares y el ensayo de estas estructuras para la protección personal en deportes como escalada, ciclismo, patinaje, etc.

Con el fin de implementar los requisitos de "preparación para los Juegos Olímpicos y Paralímpicos de Invierno de Beijing" y acelerar el "Plan de Acción de los Juegos Olímpicos de Invierno de Ciencia y Tecnología (2022)," en 2019, el Ministerio de Ciencia y Tecnología publicó el plan nacional clave de investigación y desarrollo "Juegos Olímpicos de Invierno de Ciencia y Tecnología" Plan de implementación del proyecto anual 2020 del proyecto especial clave. Las Olimpiadas de Ciencia y Tecnología harán pleno uso de las modernas tecnologías de la información y los medios científicos y tecnológicos, y bajo el principio de "más rápido, más conveniente, más preciso y más seguro", para que las competiciones deportivas y las actividades auxiliares puedan llevarse a cabo sin problemas.

En comparación con los cascos de espuma tradicionales, el proceso de fabricación líder de la impresión 3D tiene una adaptabilidad personalizada inherente y una puntuación de prueba de seguridad independiente que supera a los cascos de espuma tradicionales. Al ensamblar los componentes individuales del casco, incluida la estructura interna impresa y la carcasa exterior, el casco se puede imprimir según demanda para mejorar la protección y la comodidad de uso en el campo.

Los "Juegos Olímpicos de Invierno de Ciencia y Tecnología" son un punto culminante de los Juegos Olímpicos de Invierno de Beijing. Bajo la guía del concepto de "Juegos Olímpicos de Ciencia y Tecnología", innumerables trabajadores científicos y tecnológicos han iniciado la "Carrera Olímpica de Ciencia y Tecnología de Larga Distancia". Un escenario para la autosuficiencia y la autosuficiencia de la tecnología horizontal. Como nueva tecnología que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años, la impresión 3D también ha desempeñado un papel importante en los preparativos de los Juegos Olímpicos de Invierno.