3D打印头盔

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种3D打印头盔。

背景技术

头盔作为一种必要头部护具，广泛应用于军事、建筑、采矿等活动过程。为了提高头盔的抗冲击能力，头盔外壳一般由强度较高的材料制成，如金属、工程塑料、高强度纤维等，在受到外界物体的冲击后，头盔局部产生形变来吸收大部分的外界冲击能量，从而对头盔佩戴者头部起到保护作用。

在实际设计和制作过程中，头盔外壳一般是带有一定厚度的实心壳体，其壁厚是一个关键参数，如果头盔壁厚设计不足，头盔强度不足，起不到良好的抗冲击效果，如果头盔壁厚设计过厚，重量增加，佩戴舒适性下降。由于受到传统加工方法的限制，头盔的强度在限定重量的前提下可提升范围较小。同时，当受到较大冲击能量时，由于变形量有限，冲击能难以瞬间被吸收，容易对人体造成二次伤害。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中头盔设计在限定重量的前提下，其强度难以提升，受到冲击时，容易对人体造成二次伤害的问题，提供一种在不增加重量的前提下可有效提高头盔的整体强度，同时可大幅提升头盔的冲击减震效果的3D打印头盔。

一种3D打印头盔，所述的3D打印头盔包括：防护壳、减震壳及内衬层；所述减震壳设置于所述防护壳内侧，所述内衬层贴设于所述减震壳内且与所述减震壳的轮廓相适应；所述减震壳具有镂空结构，所述镂空结构采用3D打印制成。

在其中一个实施例中，所述镂空结构具有不同直径的孔洞。

在其中一个实施例中，所述减震壳分布设置受力区与非受力区。

在其中一个实施例中，所述镂空结构采用尼龙3D打印成型。

在其中一个实施例中，所述镂空结构的厚度为10毫米～30毫米。

在其中一个实施例中，所述减震壳设置有附加设备接口。

一种生产所述的3D打印头盔方法，包括下述步骤：

构建网格，根据人体头骨特征建立头盔结构，形成三角形面片网格；

区域划分，采用CAE拓扑分析方法获取减震壳的受力分布区与非受力区；

网格重建，采用制图软件对非受力区的三角面片进行简化，并获取第一三角面片数据，对受力区三角面片进行细化，并获取第二三角面片数据；

生成模型，桥接受力区与非受力区的三角面片节点，根据三角面片网格线生成实体线条模型，获取镂空结构的减震壳；

强度校核，对镂空结构的减震壳进行CAE校核，判断镂空结构的减震壳强度是否满足设计要求。

在其中一个实施例中，所述构建网格步骤中，所述三角形面片网格的周长为20毫米。

在其中一个实施例中，所述网格重建的步骤中，所述第一三角面片的周长为60～80毫米。

在其中一个实施例中，所述网格重建的步骤中，所述第二三角面片的周长为10～15毫米。

上述3D打印头盔及打印方法，通过在防护壳内侧设计减震壳，且该减震壳通过区域划分，针对区域进行网格镂空网格构建获取3D打印制成的镂空结构，由防护壳、减震壳及内衬层构成3D打印头盔不仅可降低头盔重量，同时可大幅提升头盔的冲击减震效果。

附图说明

图1为一实施例的3D打印头盔的立体结构示意图。

图2为另一实施例的3D打印头盔的立体结构示意图。

图3为图2中3D打印头盔的另一视角的立体结构示意图。

图4为一实施例的3D打印头盔的打印方法流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“底端”、“顶端”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在一实施方式中，一种3D打印头盔，所述的3D打印头盔包括：防护壳、减震壳及内衬层；所述减震壳设置于所述防护壳内侧，所述内衬层贴设于所述减震壳内且与所述减震壳的轮廓相适应；所述减震壳具有镂空结构，所述镂空结构采用3D打印制成。

在一实施方式中，一种生产3D打印头盔方法，包括下述步骤：

构建网格，根据人体头骨特征建立头盔结构，形成三角形面片网格；

区域划分，采用CAE拓扑分析方法获取减震壳的受力分布区与非受力区；

网格重建，采用制图软件对非受力区的三角面片进行简化，并获取第一三角面片数据，对受力区三角面片进行细化，并获取第二三角面片数据；

生成模型，桥接受力区与非受力区的三角面片节点，根据三角面片网格线生成实体线条模型，获取镂空结构的减震壳；

强度校核，对镂空结构的减震壳进行CAE校核，判断镂空结构的减震壳强度是否满足设计要求。

上述3D打印头盔及打印方法，通过在防护壳内侧设计减震壳，且该减震壳通过区域划分，针对区域进行网格镂空网格构建获取3D打印制成的镂空结构，由防护壳、减震壳及内衬层构成3D打印头盔不仅可降低头盔重量，同时可大幅提升头盔的冲击减震效果。

下面结合具体实施例对所述3D打印头盔及打印方法进行说明，以进一步理解所述3D打印头盔的发明构思。请参阅图1，一种3D打印头盔100，所述的3D打印头盔包括：防护壳110、减震壳120及内衬层130；所述减震壳120设置于所述防护壳110内侧，所述内衬层130贴设于所述减震壳120内且与所述减震壳120的轮廓相适应；所述减震壳120具有镂空结构，所述镂空结构采用3D打印制成。即，头盔100由防护壳、减震壳及内衬层构成，其中减震壳采用3D打印技术制成镂空结构，这样不仅可降低头盔重量，同时可大幅提升头盔的冲击减震效果。

具体地，防护壳110位于头盔100的最外层，用于加强结构稳定性以及防尘效果。在其中一实施例中，所述防护壳110的壁厚小于等于3毫米。优选地，所述防护壳110的壁厚为2.5毫米。也就是说，头盔100的防护壳110实质为厚度较低的薄壁。这样的设计厚度，经过试验验证能够达到减轻整体的佩戴重量的同时可确保结构稳定性。

为了能够提升所述3D打印头盔的使用范围，在其中一实施例中，所述防护壳110的材质为不锈钢、钛合金、塑料以及高强度纤维材料中的任意一种。即，防护壳110的制作材料范围较宽，具体可根据从事活动使用要求不同选用不用材质，如遇高危作业，可选用不锈钢、钛合金等高强度材料；对于一般体育运动项目佩戴的头盔，可选用工程塑料或高强度纤维材料。进一步地，为节约制造成本，所述防护壳110可以使用不同加工方法制作。如压铸、注塑以及CNC加工方式进行生产。

具体地，减震壳120位于外部防护壳110的内侧且与之牢固配合。在其中一实施例中，所述防护壳110与所述减震壳120通过装配固定件连接。其中，装配固定件包括铆接件或粘接件。也就是说，减震壳120与防护壳110的连接方式可以是多种结构形式。

在其中一实施例中，所述镂空结构具有不同直径的孔洞。即，减震壳为带有镂空结构的壳体，且该镂空结构是直径不同的孔洞网状结构，可以增大冲击变形空间及时间，从而吸收能量，起到高减震效果。

请参阅图2和图3，在其中一实施例中，所述减震壳分布设置受力区121与非受力区。进一步地，非受力区包括前非受力区域122、后非受力区域123、左非受力区域124、右非受力区域125及顶部非受力区域126。通过设计受力区与非受力区，从而对应地设计减震壳结构，在受力区设计镂空结构的镂空网格密集，而非受力区设计镂空结构的镂空网格稀疏，从而更加有利于整体减轻头盔重量，并保证头盔使用强度。

在其中一实施例中，所述镂空结构采用尼龙3D打印成型。即，头盔采用尼龙材质进行打印成型。由于尼龙成型效果较好，因此选择尼龙打印镂空结构的减震壳更加容易与防护壳的外形结构相适应。

在其中一实施例中，所述镂空结构的厚度为10毫米～30毫米。优选地，所述镂空结构的厚度为15毫米～20毫米。由于镂空结构的整体为空间网状结构，设计这样的厚度可以增大冲击变形空间及时间。

在其中一实施例中，所述减震壳设置有附加设备接口。其中，附加设备接口包括耳机、话筒、摄像头、照明电筒等附加设备的插口，从而增加头盔的功能性效果。

在其中一实施例中，所述内衬层包括海绵层。这样，通过设计海绵层内衬使得其其形状与减震壳轮廓边缘贴合，从而起到吸汗、保暖、缓冲的效果。

上述3D打印头盔，通过在防护壳内侧设计减震壳，且该减震壳通过区域划分，针对区域进行网格镂空网格构建获取3D打印制成的镂空结构，由防护壳、减震壳及内衬层构成3D打印头盔不仅可降低头盔重量，同时可大幅提升头盔的冲击减震效果。

请参阅图3，在一实施方式中，一种生产上述任一项实施例的3D打印头盔的方法，包括下述步骤：

S110:构建网格，根据人体头骨特征建立头盔结构，形成三角形面片网格；

即，使用三维软件设计与人体头骨特征相适应的头盔结构，在本步骤中可以仅仅设计头盔的减震壳。本实施例的核心在于设计具有镂空结构的减震壳。其中，镂空结构其表现为三角面片网格。在其中一实施例中，所述构建网格步骤中，所述三角形面片网格的周长为20毫米。即，在三维软件设计的镂空结构设计的三角形面片网格的周长尺寸为20毫米。也就是说，三角形面片网格的周长为20毫米属于设计尺寸，而非实际生产出的头盔尺寸。

S120:区域划分，采用CAE拓扑分析方法获取减震壳的受力分布区与非受力区；

即，采用CAE拓扑分析方法对减震壳进行区域划分，根据受力情况选择设计镂空结构的三角形面片网格尺寸，从而使得所设计的减震壳的结构强度得以保证的同时能够有效减轻其重量。

S130:网格重建，采用制图软件对非受力区的三角面片进行简化，并获取第一三角面片数据，对受力区三角面片进行细化，并获取第二三角面片数据；

即，对于非受力区的三角面片进行简化设计，使得镂空结构的三角形面片网格尺寸相对设计稀疏，使得这部分区域的结构重量相对较轻。而对于对受力区进行细化处理，使得镂空结构的三角形面片网格尺寸相对设计密集。

在其中一实施例中，所述网格重建的步骤中，所述第一三角面片的周长为60～80毫米。优选地，所述第一三角面片的周长为65～75毫米。即，对于非受力区设计的三角面片的周长可以设计尺寸相对较大一些，且实验数据表明，当选择上述周长范围的设计标准时，能够保证镂空结构在该部分的强度满足设计需要。

在其中一实施例中，所述网格重建的步骤中，所述第二三角面片的周长为10～15毫米。优选地，所述第二三角面片的周长为11～12.5毫米。即，对于受力区设计的三角面片的周长可以设计尺寸相对较小一些，且实验数据表明，当选择上述周长范围的设计标准时，能够保证镂空结构在该部分的强度满足设计需要。

S140:生成模型，桥接受力区与非受力区的三角面片节点，根据三角面片网格线生成实体线条模型，获取镂空结构的减震壳；

即，镂空结构设计尺寸选定之后，需要将受力区与非受力区的三角面片节点进行桥接，这样从而使得由受力区与非受力区构成的镂空结构最终形成完整的减震壳模型，以便启动打印。

S150:强度校核，对镂空结构的减震壳进行CAE校核，判断镂空结构的减震壳强度是否满足设计要求。

在该步骤中，选择强度校准标准，进行CAE校核，对打印出的头盔进行强度核实，并与标准要求进行对比获取判断结果，以方便灵活调整减震壳的设计数据。

上述3D打印头盔的打印方法，通过在防护壳内侧设计减震壳，且该减震壳通过区域划分，针对区域进行网格镂空网格构建获取3D打印制成的镂空结构，由防护壳、减震壳及内衬层构成3D打印头盔不仅可降低头盔重量，同时可大幅提升头盔的冲击减震效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。