3D打印技术在赛车头盔和护目镜中的应用

李德成，翟豪瑞，袁昊，吴昊，郑竹安

3D打印技术在赛车头盔和护目镜中的应用

李德成，翟豪瑞*，袁昊，吴昊，郑竹安

（盐城工学院汽车工程学院，江苏 盐城 224051）

传统的头盔及护目镜制造通常是设计师根据平均人体头部参数所设计的普适模型，并不能满足每个车手的佩戴需求。基于3D打印技术在定制化设计、复杂成型方面的优势，个性化及更轻量化的头盔与护目镜制造得以实现。文章通过3D打印技术与赛车头盔与护目镜的结合做出了诸多创新性的应用，为3D打印技术今后的应用前景提供参考及借鉴。

3D打印技术；赛车头盔；护目镜；创新性应用

前言

在户外越野竞赛中，头盔和护目镜对车手至关重要。传统的头盔及护目镜制造流程通常是开模、注塑、抛光、装配等，注塑工艺发展至今，其技术早已成熟，但仍有诸多设计及制造上的缺陷。注塑工艺为满足批量化生产的需求，因此其模具往往是标准化的，即平均头部参数，然而每个车手的头部数据都是不尽相同的，这将大大影响赛车头盔的佩戴舒适性、安全性和护目镜的密封性。3D打印的技术优势在于：无须标准模具，生产工艺及过程简单，直接成型且无须后处理，能根据需求随时更改设计，实现快速响应，消除冗余等。这些特点使3D打印赛车头盔及护目镜在定制化、轻量化方面有着独一无二的发展前景。

1 3D打印技术在赛车头盔中的应用

赛车头盔一般由壳体、缓冲层、衬垫、佩戴装置等构成，其中壳体与缓冲层是抵御冲击并吸收碰撞能量从而保护头部的关键部分。

车手在事故发生时受到的伤害通常是冲击性的，俗称“撞钟”，冲击性的应力会直接损伤大脑，现在常见的赛车头盔内衬材料多使用聚苯乙烯（EPS）泡沫，聚苯乙烯（EPS）泡沫在受到碰撞后会发生变形从而缓解冲击，然而聚苯乙烯（EPS）泡沫在缓冲吸能方面的性能并不能称为优秀，此外其只能吸收相对平移方向的应力，对旋转加速度方向应力并不能很好地吸收，也就失去了原有的防护性能[1]。

近年来，制造业的进步促使越来越多的研究人员研究设计更加复杂的创新型结构，设计出了点阵结构，这种“蜂窝”型的周期重复结构在受到外力碰撞时，缓冲吸能效果优异，在遭遇旋转加速度方向的冲击时也能迅速缓解冲击，从而大大减轻车手受到的损伤。然而传统的注塑工艺制造复杂度有限[2]，3D打印成型复杂结构的优势则能弥补现有制造工艺的这一不足，3D打印赛车头盔复杂度的提高不仅满足了点阵结构的需求，更让赛车头盔的设计拥有了更多的可能性，图1为一款点阵化3D打印赛车头盔。

图1 点阵化3D打印赛车头盔

2 3D打印技术在赛车护目镜中的应用

赛车护目镜的主要作用是防止异物干扰车手的视线，因此护目镜与车手面部的贴合尤为重要，根据现在的市场状况，想要对赛车护目镜的设计进行改变很难，原因是传统的护目镜在前期制作及开模的过程需要半月之久，且很难对模具随意更改。

而利用3D打印技术便可省略其中冗余的过程，设计完成后即可直接投入生产，效率更高且更能满足车手需求，图2为一款3D打印赛车护目镜[3]。

图2 3D打印赛车护目镜

3 3D打印技术在赛车头盔与护目镜中的个性化应用

通常来说，决定赛车头盔防护性能的不仅仅是它本身的结构，佩戴是否牢靠同样会对安全性产生直接影响[4]，同理赛车护目镜与面部的贴合程度也会影响护目镜的防沙尘性能，而传统的赛车头盔与护目镜往往是相对标准的平均尺寸，这就使得车手与赛车头盔及护目镜并不能完全匹配，由配合间隙过大或过小引起的晃动或压耳等问题都将降低赛车头盔的安全性与佩戴舒适性，影响护目镜的防护性能。

为改进赛车头盔、护目镜的匹配度，提高车手的驾驶工效，通过3D扫描仪扫描车手头部后得到头部数据，将头部数据导入3DMAX软件中进行第一阶段修复，修复完成后进行数据点拼接、对齐、去噪等进一步处理，至此便得到了车手的头部及面部的数据三维模型，然后根据头部、面部关键切面轮廓更改赛车头盔模型的相关参数，最后将修改后的赛车头盔与护目镜模型导出为3D打印机常用的STL格式，如此便实现了3D打印赛车头盔和护目镜的个性化生产。图3为赛车头盔模型建立过程。

图3 赛车头盔模型建立过程

4 3D打印技术在赛车头盔与护目镜中的轻量化应用

国际汽联规定头盔与护目镜重量必须低于1 800 g，原因是在车手竞赛过程中，防具的重量会对车手产生较大的负荷，因此对防具质量的控制非常重要。

结合3D打印技术与拓扑优化技术可以使头盔、护目镜的轻量化更易实现，拓扑优化技术是一种根据给定的负载状态、约束条件和性能要求，对材料分布进行数学优化的方法，是结构优化的一种[5]。即在满足头盔与护目镜防护需求的前提下对结构进行优化删减，从而在保证性能的情况下实现结构的最轻量化，而传统的注塑工艺几乎不可能做到拓扑优化，与3D打印技术结合将是零件轻量化的最理想解决方案。利用Hyperworks的OptiStruct模块对模型按单元格划分后进行有限元分析，规定设计变量、目标函数、约束条件三要素后开始求解，而后用多孔化的结构代替其中无效的部分单元格，保留受力的有效单元格，逐个求解，最终得到拓扑优化后更轻量化的模型。

拓扑优化后模型的多孔镂空结构部分传统加工方式很难制造，而使用3D打印增材制造的方法简单且高效，图4为赛车头盔有限元分析。

图4 赛车头盔有限元分析

5 总结

目前的顶级赛车防具主要由Arai、Bell、Stilo等国外品牌设计生产，其在外观设计、轻量化、安全性等方面处于领先，而国内在赛车头盔与护目镜设计方面起步较晚，整体的设计制造水平也相对落后。

3D打印技术在个性化、轻量化、结构化等方面均有优势，3D打印应用于赛车装备生产中，可以解决传统生产技术所面临的诸多难点。

综上所述，3D打印技术在赛车头盔和护目镜中的应用研究将进一步完善国内赛车防具设计体系，相信对3D打印技术今后在各行各业的应用研究会提供一定的参考意义。

[1] 王阜超.溃缩式吸能复合结构头盔的设计及其3D打印[D].北京:北京工业大学,2018.

[2] 刘欣,范希营,郭永环,等.注塑工艺参数优化研究现状及发展趋势[J].塑料科技,2021,49(02):106-110.

[3] 刘艳梅.新型冠状病毒肺炎疫情下医用护目镜的防雾技巧[J].当代护士(下旬刊),2021,28(02):176-177.

[4] 张永永.基于典型交通事故再现的摩托车驾驶员颅脑损伤机理及防护研究[D].重庆:重庆交通大学,2017.

[5] 梁健,李晓杰.拓扑优化在产品设计中的应用[J].设计,2021,34(05): 137-139.

Application of 3D Printing Technology in Racing Helmet and Goggles

LI Decheng, ZHAI Haorui*, YUAN Hao, WU Hao, ZHENG Zhu’an

（School of Automotive Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051）

Traditional helmet and goggles manufacturing is usually a universal model designed by the designer according to the average human head parameters, and does not meet the wear needs of each driver. Based on the advantages of 3D printing technology in customized design and complex molding, personalized and more lightweight helmet and goggles manufacturing can be realized. Through the combination of 3D printing technology and racing helmet and goggles, it provides reference and reference for the future application prospect of 3D printing technology.

3D printing technology; Racing helmet; Goggles; Innovative application

U469.6+96

A

1671-7988(2021)23-210-03

U469.6+96

A

1671-7988(2021)23-210-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.058

李德成，本科生，就读于盐城工学院汽车工程学院。

翟豪瑞，讲师，就职于盐城工学院汽车工程学院。

江苏省大学生创新创业重点项目（基于3D打印技术巴哈大赛赛车头盔及护目镜的设计制作），编号：202010305015Z。