航天科技、3D打印…北京冬奥会运动员防护头盔中的高科技

近日，2022年北京冬奥会开幕进入倒计时。在北京冬奥会的背后，有着来自我国高等院校对于雪地运动装备的技术支持。本期，分享两款为冬奥会运动员定制的防护头盔，其中一款是大连理工大学科研团队自主研发的高性能滑雪头盔，技术源于航天科技；另一款是雪车头盔，来自东莞理工学院参与“科技冬奥”重点专项项目，其中用到了3D打印技术。

四两拨千斤的航天轻量化技术

大连理工大学研发的滑雪头盔运用了航天薄壁结构设计科技，技术则来源于程耿东院士指导、王博教授牵头的科研团队十几年的研究积累。此前，他们曾利用这项技术为我国体积最大的大火箭——长征五号运载火箭“胖五”成功减重1145公斤。

在这款头盔的设计研发中，科研团队运用了曲线加筋变刚度的设计技术，大幅提升了头盔的抗冲击变形能力，为运动员提供更高的安全防护级别。

头盔材料为碳纤维、玻璃纤维、弹性体合成的新材料，在保持冲击韧度的同时，将刚度提高了4倍，拉伸强度提高了3倍，大幅提升了头盔的抗冲击吸能效率，对运动员形成更好的保护。

这款头盔还充分考虑到亚洲人的头型特征。团队采集了大量国家队运动员的头型数据，并研发了设计软件，实现了运动员头盔的定制化，有效改善了长时间佩戴的舒适性。

据介绍，这款头盔重量只有700g左右，在不大幅增加厚度和重量的前提下，防护性能比欧洲标准至少提升了20%。

目前，这款头盔已顺利通过欧洲滑雪头盔安全标准测试，为冬奥会滑雪相关项目国家队训练提供安全保障，助力中国健儿夺金。

3D打印点阵结构防护层

东莞理工学院参与科技部重点研发计划——“科技冬奥”重点专项项目。

冬奥会的雪车项目是速度最快且观赏性极强的项目，胜负常在毫秒之间。雪车的制造研发固然重要，但是配套设备也起到决定性的作用。在”科技冬奥”专项背景下，东莞理工学院在雪车的关键零部件研发制造中，主要负责雪车头盔的研发。

在雪车项目里，头盔是国际雪联规定的参赛必要装备之一，东莞理工学院项目组通过采集运动员的数据，进行一对一个性化定制，以达到能贴合每一位运动员实际需求的效果。

根据东莞理工学院，头盔的重量比起上一代运用的赛用头盔减重了500克，仅为1100克左右，有效地为运动员减少负重。在减重的同时，头盔内部材料缓冲层还采用了3D打印点阵结构，可以抵御头盔在遇到碰撞时的各种冲击力，更好地保护运动员。

该研发成果——雪车头盔，应用于冬奥国家队项目训练与比赛，助力北京冬奥会中国代表团取得理想成绩。

根据3D科学谷的市场观察，随着带有3D打印鞋中底的运动鞋在消费市场上打开局面，其中的关键技术-基于塑料材料的3D打印晶格结构（3D打印点阵结构）作为替代传统泡沫塑料的新一代缓冲、防护材料，引起了制造业的关注。同时，3D打印点阵结构在运动防护装备制造领域也得到了更加深入的发展。

小点阵、大洞天，一文洞悉3D打印为缓冲、防护产品创造新机遇的精益之道。

近年来，国内外的增材制造生产商及体育器械品牌在运动防护头盔，滑雪护目镜，运动员身体防护垫，以及山地车座椅等产品中应用了3D打印点阵结构。

那么，体育界应用3D打印点阵结构的逻辑是什么呢？

以裕克施乐（OECHSLER）生产的具有极强冲击力的美式橄榄球3D打印头盔内垫为例，可以感受一二。在该应用中，设计师通过运动员对保护头盔的性能要求，选择合适的晶格点阵形状，通过精细调整每个支撑杆径的厚度来调整晶格结构的硬度，对十几万个独立的晶格支撑结构进行特别调整，最终实现了晶格结构中内部的阻尼支柱与运动员在运动中所经历的冲击方向相对来吸收和分散能量。

可见，运动器械制造中的3D打印应用，核心逻辑是获得一种产品性能提升的新方式，包括：舒适度的提升，防护性能的提升，以及通过调整产品不同区域3D打印点阵的设计，来实现多功能、多性能的集成，从而实现产品的创新。不仅如此，体育品牌推出的极具颠覆性的3D打印产品，还为品牌带来了增值。

随着3D打印点阵结构应用理念的深入人心，以及增材制造批量生产工艺在质量一致性、效率等方面的发展，体育运动器械制造领域的3D打印应用未来可期。

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