3D打印驅(qū)動的下一代運動防護頭盔，值得期待

魔猴君  行業(yè)資訊   1636天前

在北京時間 5 月 31 日凌晨發(fā)射的SpaceX 最新載人龍飛船中，兩名身穿輕便、利落宇航服的宇航員給人留下深刻印象。宇航員所佩戴的白色頭盔設(shè)計非常簡約，但頭盔所集成的功能卻不簡單，白色頭盔幾乎全部是3D打印技術(shù)制造的。

如果說SpaceX為宇航員提供的3D打印頭盔是一種與我們生活幾乎沒有交集的高冷產(chǎn)品，那么正在體育運動防護領(lǐng)域“潤物細無聲”的3D打印防護頭盔則正在將這種新一代的產(chǎn)品推上更為親民的道路。

為了激發(fā)專家、創(chuàng)新者和運動防護頭盔制造商為橄欖球運動員開發(fā)新一代頭盔，美國橄欖球聯(lián)盟（NFL）發(fā)起了一項NFL 頭盔挑戰(zhàn)賽。參與團隊所設(shè)計的創(chuàng)新頭盔需在指定實驗室測試的基礎(chǔ)上設(shè)計優(yōu)于運動員當前佩戴的頭盔。

NFL 在本周向參與新一代頭盔設(shè)計的四個創(chuàng)新團隊授予了共計137萬美元的獎金。根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場觀察，這四個團隊所使用的頭盔制造技術(shù)中，有三個團隊在提交的申請中明確表明應(yīng)用了增材制造-3D打印技術(shù)。

先進技術(shù)構(gòu)建下一代頭盔

NFL 公開了頭盔挑戰(zhàn)賽獎勵資金的獲獎?wù)呙麊我约八麄冊陧椖可暾堉兴枋龅男畔ⅰ?/span>

l 新一代3D打印吸能襯里

獲得獎金的Impressio,Inc.和CU Denver 團隊依靠材料科學研究和增材制造技術(shù)，通過3D打印制造運動員定制頭盔襯里。有別于傳統(tǒng)襯里材料的是，3D打印襯里采用超耗散液晶彈性體（LCE）和點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計。該項目得到包括EOS，nTopology和Schutt在內(nèi)的合作伙伴的支持。

來源：Impressio

Impressio 是一個通過點陣晶格設(shè)計能力構(gòu)建下一代的頭盔襯里的創(chuàng)業(yè)企業(yè)，提供從3D掃描和模型生成到點陣設(shè)計和3D打印功能原型的設(shè)計和制造工作流程。

根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場觀察，在該團隊的合作伙伴當中，EOS與nTopology本身已在點陣緩沖結(jié)構(gòu)的增材制造領(lǐng)域展開了合作。

EOS 推出了 Digital Foam?計劃，降低了將 3D 打印彈性泡沫推向市場的難度，且實現(xiàn)了將CAD、材料、零部件驗證和增材制造（3D 打?。┑戎T多環(huán)節(jié)的有機融合。

用EOS PA 1101材料定制的自行車頭盔。來源：EOS / HEXR

3D打印彈性泡沫使用TPU或PEBA等柔韌性極高的聚合物材料，可以對每個體素（體積像素）進行深度微調(diào)，從而獲得絕佳的舒適性、安全性和功能性。根據(jù)EOS，Digital Foam可解決客戶可能遇到的諸多變化因素或問題，并將客戶的創(chuàng)意快速轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品。它賦予客戶一條捷徑，可快速3D打印生產(chǎn)保護性頭盔、個性化矯形器、高性能鞋具以及其他各類應(yīng)用產(chǎn)品。

Digital Foam?計劃中的3D打印彈性泡沫結(jié)構(gòu)設(shè)計，源于nTopology公司的技術(shù)。在3D打印頭盔、鞋墊、中底等緩震組件中常用的增材制造點陣結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、吸能等性能，然而這類點陣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性已經(jīng)超過了傳統(tǒng)CAD軟件的原有設(shè)計功能。

此外，Impressio 在項目申請中提及的液晶彈性體（LCE）材料，在運動頭盔等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。

南方科技大學機械與能源工程系副教授葛锜研究團隊與美國科羅拉多大學丹佛分校教授Christopher M. Yakacki團隊合作在《先進材料》發(fā)表的研究成果，揭示了3D打印液晶彈性體的應(yīng)用潛力。

根據(jù)南方科技大學，液晶彈性體作為一種受光或熱刺激能產(chǎn)生大體積收縮的功能軟材料，目前主要用于制作軟體驅(qū)動器或者機器人。同時，液晶彈性體展現(xiàn)了非線性大變形粘彈性的力學行為，是一種性能佳的耗能材料。[1]

但是復(fù)雜的化學合成工藝使得液晶彈性體的成型限制在薄膜形態(tài)。葛锜團隊與Yakacki團隊合作，通過麥克加成反應(yīng)將液晶基元與二硫醇單體聚合生成具有丙烯酸酯端基的光敏液晶彈性體低聚物，并可通過基于光固化數(shù)字光處理3D打印技術(shù)實現(xiàn)液晶彈性體復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的3D打印 。這表明所開發(fā)的光敏液晶彈性低聚物可通過光固化數(shù)字光處理3D打印技術(shù)獲得高效吸能結(jié)構(gòu)和器件。該項研究為3D打印成型輕型抗沖擊/減震結(jié)構(gòu)提供了可能性，在電子設(shè)備抗沖擊、運動頭盔等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。[1]

l 生物力學、增材制造、材料科學、設(shè)計優(yōu)化四方發(fā)力

足球裝備行業(yè)制造商Xenith，希望聯(lián)合損傷生物力學、增材制造、材料科學、設(shè)計和計算建模與優(yōu)化方面的專家：巴斯夫，RHEON實驗室和滑鐵盧大學，共同創(chuàng)建能源管理的新解決方案并為運動員提供一流的現(xiàn)場體驗。

l  吸收和重定向沖擊力的3D打印頭盔襯墊

Kollide聯(lián)盟結(jié)合了學術(shù)研究者（ETS）和四個創(chuàng)新公司（Kupol，TACTIX，ShapeShift3D，Numalogics），希望利用他們的虛擬設(shè)計和非平面的3D打印的方式，為運動員定制經(jīng)過優(yōu)化、能夠吸收和重定向沖擊力的頭盔襯墊。

在以上兩個獲得獎金的團隊中，材料制造商BASF 與Kollide聯(lián)盟中的成員Kupol，均與惠普3D打印在頭盔制造方面有著密切關(guān)系。

Kupol是自行車頭盔品牌，他們利用3D打印技術(shù)進行了頭盔的設(shè)計革新。Kupol 起初通過PA12材料和惠普的MJF 3D打印設(shè)備來制造這個結(jié)構(gòu)，3D打印組件中具有上百個微孔，形成了透氣網(wǎng)絡(luò)，這使頭盔具有良好的透氣性。

HP采用巴斯夫新型TPU 材料打印的Kupol頭盔內(nèi)部結(jié)構(gòu)。來源：惠普

巴斯夫公司開發(fā)了新型熱塑性聚氨酯(TPU) ULTRASINT?。Kupol已經(jīng)使用了新的TPU材料，該材料的柔性和彈性特點適合為自行車手和其他體育專業(yè)人員制造安全、舒適的頭盔。

l 立方+八角形泡沫超材料吸能層

該團隊正在使用他們創(chuàng)新的立方+八角形泡沫超材料設(shè)計橄欖球頭盔中的新能量吸收層，以最大程度地減少腦震蕩的風險。

在該挑戰(zhàn)賽以往的獲勝者中，也有通過3D打印方案獲獎的團隊，如卡迪夫大學，他們開發(fā)了一種獨特的填充材料，用作頭盔襯里墊，可在撞擊變得越來越嚴重時吸收更多的撞擊力。卡迪夫大學的獲獎?wù)卟捎玫脑O(shè)計是一種復(fù)雜的折疊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在折疊時能夠非常有效地吸收能量。3D打印能夠?qū)⑦@種復(fù)雜設(shè)計轉(zhuǎn)換為有形的產(chǎn)品。

NFL3D打印折疊結(jié)構(gòu)。來源：NFL

在NFL 頭盔挑戰(zhàn)賽中，一面是來自于體育運動器械的應(yīng)用端對高性能、創(chuàng)新性運動防護產(chǎn)品的需求，一面是3D打印技術(shù)、材料與面向增材制造的先進設(shè)計的推動。在這兩股力量的匯聚之下，3D打印和面向增材制造的先進設(shè)計正在潛移默化的助推新一代運動防護頭盔的到來。在魔猴網(wǎng)看來，橄欖球防護頭盔這樣的專業(yè)級體育防護用品或許只是星星之火，增材制造技術(shù)驅(qū)動的新一代防護、緩震材料將在更廣的運動防護領(lǐng)域發(fā)出光與熱。

來源：3D科學谷