一种自适应晶格型3D打印头盔缓冲层及其制作方法

技术领域

本发明涉及缓冲减震结构技术领域，特别是涉及一种自适应晶格型3D打印头盔缓冲层及其制作方法。

背景技术

头盔的作用是为了减少发生事故时头部因惯性和碰撞受到的伤害。传统的头盔由壳体、缓冲层、舒适衬垫和佩戴装置等组成，缓冲层作为头盔内部最重要的能量消散部件，是头盔抗撞击性能的设计重点。

头部在受到外部撞击的时候，冲击力均可分解为垂直冲击力与剪切冲击力，垂直冲击力引起头部的平移加速度，可能会造成颅骨骨折等伤害，剪切冲击力引起头部的旋转加速度，可能造成脊椎扭转等伤害。

传统的缓冲层常采用聚苯乙烯（EPS）泡沫塑料制成，受到冲击时，EPS泡沫塑料在受到高度压缩碰撞后易粉碎变形，吸收大量能量，降低头部的平移加速度，减少颅骨局部应变和脑损伤，但是在降低头部的旋转加速度能力方面存在较多不足，如申请号为“201680017968 .2”，名称为“一种吸震结构和具有这种结构的头盔”的发明专利。

因此，研制一种能够明显降低剪切冲击力的头盔缓冲层是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应晶格型3D打印头盔缓冲层及其制作方法，以解决现有技术存在的问题，对头盔受到的切向冲击力产生良好地缓冲作用，从而降低切向冲击力对人体颈部、脊椎造成损伤的风险。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种自适应晶格型3D打印头盔缓冲层，包括内层桁架及外层桁架，所述外层桁架设置在所述内层桁架的外侧，并通过支撑单元进行连接，所述支撑单元的刚度小于所述外层桁架及其所述内层桁架的刚度，且所述内层桁架与所述外层桁架之间具有允许二者相对产生切向滑移的间隙。

优选的，所述内层桁架与所述外层桁架均包括相连接的若干晶格单元，所述支撑单元包括均匀分布在所述外层桁架与所述内层桁架之间的支撑分体，所述支撑分体包括支撑杆，所述支撑杆的两端分别与所述内层桁架中的所述晶格单元、所述外层桁架中的所述晶格单元连接，且所述支撑杆的高度大于所述外层桁架的厚度，也大于所述内层桁架的厚度，所述内层桁架与所述外层桁架中的单位面积上具有若干个所述晶格单元以及1根支撑杆。

优选的，所述晶格单元的整体材料相对密度为0.05~0.3。

优选的，所述晶格单元为棱柱状的桁架结构；所述支撑分体还至少包括两根连接杆，所述连接杆交叉设置，且端部分别固定在所述内层桁架或所述外层桁架中所述晶格单元上，所述支撑杆垂直于若干所述连接杆构成的平面，且一端固定在若干所述连接杆的交点处，另一端固定在所述外层桁架或所述内层桁架中所述晶格单元的棱边上。

优选的，所述内层桁架与所述外层桁架均分割为前额面、头顶面、左侧面、右侧面、脑后侧面5部分，相邻两部分连接固定。

优选的，每部分上所述支撑分体的数量为4~6个；所述支撑杆的直径不大于所述中间杆的直径。

优选的，所述晶格单元包括上层框与下层框，所述上层框与所述下层框通过中间杆连接，所述中间杆的两端分别连接所述上层框与所述下层框的顶点，且若干所述中间杆长度相等且平行设置；

所述连接杆的两端部分别固定在所述内层桁架中所述下层框或所述外层桁架中所述上层框的顶点或棱边上，所述支撑杆一端固定在若干所述连接杆的交点处，另一端固定在所述外层桁架中所述上层框或所述内层桁架中所述下层框的棱边的中部或端部。

优选的，所述上层框与所述下层框的形状为正四边形或者正六边形，所述连接杆的数量为2根，且每根所述连接杆的两端均固定在所述内层桁架中所述上层框或所述外层桁架中所述下层框的顶点上。

本发明还提供一种自适应晶格型3D打印头盔缓冲层的制作方法，包括以下步骤：

1）利用设计软件建立缓冲层的数字模型；

2）将数字模型导入3D打印机中进行打印。

优选的，步骤1）中，分别建立前额面、头顶面、左侧面、右侧面、脑后侧面5部分的数字模型；步骤2）中分别打印前额面、头顶面、左侧面、右侧面、脑后侧面5部分，打印完成之后将相邻部分进行粘接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明中外层桁架与内层桁架之间具有间隙，为二者相对产生切向滑移提供了条件，并且支撑单元的刚度小于外层桁架与内层桁架的刚度，使得支撑单元更易产生变形，当缓冲层受到外界冲击时，外层桁架与内层桁架产生相对滑移，能够对切向力产生缓冲作用，从而降低切向力对人体颈部、脊椎造成损伤的风险；

2、本发明中晶格单元交错设置，竖直杆件的法向位移将间接作用在晶格单元的镂空位置，使得其法向位移量大大增加，每根横杆的拉伸空间最大，这种以拉伸为主导的变形方式可以非常有效地减轻头部受到垂直冲击力；

3、本发明中支撑杆贯穿内层桁架或者外层桁架，与支撑杆的两端分别连接在外层桁架的下层框、内层桁架的上层框的方式相比，支撑杆贯穿设置在一定程度上降低了内层桁架与外层桁架之间的间隙距离，使得外层桁架产生法向位移时，能更快地作用在内层桁架上，利用外层桁架、内层桁架形成的多层网状结构对法向压力进行缓冲，同时还降低了此过程中支撑杆的变形量，便于支撑杆回弹，保证其具有较长的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的仰视图；

图3为支撑单元与内层桁架结构的连接结构示意图；

图4为图3的爆炸图；

图5为支撑单元的结构示意图；

图6为本发明的分块结构示意图；

图7为图6的仰视图；

其中，1、内层桁架；2、外层桁架；3、支撑分体；4、支撑杆；5、晶格单元；6、连接杆；7、前额面；8、头顶面；9、左侧面；10、右侧面；11、脑后侧面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种自适应晶格型3D打印头盔缓冲层及其制作方法，以解决现有技术存在的问题，对头盔受到的切向冲击力产生良好地缓冲作用，从而降低切向冲击力对人体颈部、脊椎造成损伤的风险。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1~图3所示，本实施例提供一种自适应晶格型3D打印头盔缓冲层，包括内层桁架1及外层桁架2，外层桁架2设置在内层桁架1的外侧，并通过支撑单元进行连接，支撑单元的刚度小于外层桁架2及其内层桁架1的刚度，且内层桁架1与外层桁架2之间具有允许二者相对产生切向滑移的间隙。

本实施例中外层桁架2与内层桁架1之间具有间隙，为二者相对产生切向滑移提供了条件，并且支撑单元的刚度小于外层桁架2与内层桁架1的刚度，使得支撑单元更易产生变形。当缓冲层受到外界冲击时，冲击力可分为垂直于接触面的法向力以及垂直于法向力的切向力，外层桁架2在切向力的作用下产生切向运动趋势，使支撑单元产生弯曲变形，外层桁架2与内层桁架1产生相对滑移，对切向力产生缓冲作用，从而降低切向力对人体颈部、脊椎造成损伤的风险；外层桁架2与内层桁架1在法向力的作用下将产生压缩变形，桁架结构中的杆件将发生拉伸，可以缓解法向冲击力，充分保护人体头部；并且本实施例中的缓冲层整体为桁架结构，孔隙较多，具有良好地透气性，佩戴更加舒适。

进一步的，本实施例中内层桁架1与外层桁架2均包括相连接的若干晶格单元5，支撑单元包括均匀分布在外层桁架2与内层桁架1之间的支撑分体3，支撑分体3包括支撑杆4，支撑杆4的两端分别与内层桁架1中的晶格单元5、外层桁架2中的晶格单元5连接，且支撑杆4的高度大于外层桁架2的厚度，也大于内层桁架1的厚度，内层桁架1与外层桁架2中的单位面积上具有若干个晶格单元5以及1根支撑杆4；由于内层桁架1、外层桁架2单位面积上的多个晶格单元5对应一个支撑单元，说明支撑杆4的分布密度要小于晶格单元5密度，使得支撑杆4相比于晶格单元5更易产生变形。

进一步的，如图5所示，本实施例中晶格单元5同样为棱柱状的桁架结构；支撑分体3还至少包括两根连接杆6，连接杆6交叉设置，且端部分别固定在内层桁架1或外层桁架2中晶格单元5上，支撑杆4垂直于若干连接杆6构成的平面，且一端固定在若干连接杆6的交点处，另一端固定在外层桁架2或内层桁架1中晶格单元5的棱边上；由此可知，本实施例中支撑杆4的一端位于外层桁架2或内层桁架1中晶格单元5的中部，另一端位于内层桁架1或外层桁架2中晶格单元5的棱边上，说明外层桁架2中的晶格单元5与内层桁架1中的晶格单元5是交错设置的；以连接杆6的端部固定在外层桁架2为例，当外层桁架2产生法向变形时，主要表现在桁架结构中杆件的法向位移与弯曲变形，如果晶格单元5是上下正对的，则外层桁架2中竖直杆件在产生法向位移时将通过支撑杆4间接作用在内层桁架1中的竖直杆上，将增大其法向位移难度，从而降低了内层桁架1中横杆的拉伸范围，降低缓冲层的整体缓冲作用，而本实施例中晶格单元5交错设置，竖直杆件的法向位移将间接作用在晶格单元5的镂空位置，使得其法向位移量大大加强，每根横杆的拉伸空间最大，这种以拉伸为主导的变形方式可以非常有效地减轻头部受到垂直冲击力。

如图6~图7所示，为了便于打印，本实施例中内层桁架1与外层桁架2均分割为前额面7、头顶面8、左侧面9、右侧面10、脑后侧面115部分，相邻两部分连接固定，具体的连接方式可以是粘接或者其他方式，且每部分上支撑分体3的数量为4~6个；当然本领域技术人员可以根据实际情况选取具体分块的数量及形状。

本实施例中晶格单元5包括相同多边形结构的上层框与下层框，上层框与下层框通过中间杆连接，中间杆的两端分别连接上层框与下层框的顶点，且若干中间杆长度相等且平行设置；连接杆6的两端部分别固定在内层桁架1中下层框或外层桁架2中上层框的顶点或棱边上，支撑杆4一端固定在若干连接杆6的交点处，另一端固定在外层桁架2中上层框或内层桁架1中下层框的棱边的中部或端部；本实施例中支撑杆4贯穿内层桁架1或者外层桁架2，与支撑杆4的两端分别固定在内层桁架1的上层框、外层桁架2的下层框的方式相比，本实施例中支撑杆4的设置方式在一定程度上降低了内层桁架1与外层桁架2之间的间隙距离，使得外层桁架2产生法向位移时，对更快地作用在内层桁架1上，利用外层桁架2、内层桁架1形成的多层网状结构对法向压力进行缓冲，降低此过程中支撑杆4的变形量，便于支撑杆4回弹，保证其具有较长的使用寿命。

进一步的，本实施例中上层框与下层框的形状为正四边形或者正六边形，优选正六边形，连接杆6的数量为2根，且每根连接杆6的两端均固定在内层桁架1中上层框或外层桁架2中下层框的顶点上；当上层框与下层框的形状为三角形时，连接杆6的数量为3根，且每根连接杆6的一端固定在三角形的顶点上，另一端相交，交点位于三角形的中心。

为了保证支撑杆4具有优于晶格单元5的变形能力，本实施例中所述支撑杆4的直径不大于所述中间杆的直径。

进一步的，本实施例中晶格单元5的整体材料相对密度为0.05~0.3。

实施例2：

本实施例还提供一种自适应晶格型3D打印头盔缓冲层的制作方法，包括以下步骤：

1）利用设计软件建立缓冲层的数字模型；

2）将数字模型导入3D打印机中进行打印。

步骤1）中，分别建立前额面7、头顶面8、左侧面9、右侧面10、脑后侧面115部分的数字模型；步骤2）中分别打印前额面7、头顶面8、左侧面9、右侧面10、脑后侧面115部分，打印完成之后将相邻部分进行粘接。

具有的设计过程如下：

（1）设计内层桁架1：首先根据测绘得到使用者的头型尺寸建立内头型曲面，作为优选，可以将内头型曲面分割为5块，在5块内头型曲面上生成满布的内六边形网面，随后以内六边形网面为基准生成满布的内六棱柱晶格单元5，内六棱柱晶格单元5的分布密度、大小、杆径可以根据不同部位被撞击的频率高低，而彼此自由地变化；

（2）设计外层桁架2：将5块内头型曲面沿着曲面的法向向外偏置生成5块外头型曲面，偏置距离大于内层桁架1厚度，在5块外头型曲面上生成满布的外六边形网面，每一个外六边形网格与内六边形网格在曲面法向上交叉错位；随后以外六边形网面为基准生成满布的外六棱柱晶格单元5，外六棱柱晶格单元5的分布密度、大小、杆径可以根据不同部位被撞击的频率高低，而彼此自由地变化；

（3）设计支撑单元：支撑单元包括若干支撑分体3，每个支撑分体3包括2根连接杆6与1根支撑杆4；

方法1：取内层桁架1中晶格单元5上的内六边形面，交叉连接两条对边的顶点，形成2根连接杆6，然后以2根连接杆6的交点为一顶点，向外垂直延伸至外层桁架2中晶格单元5的内六边形面的一顶点，形成1根支撑杆4，支撑杆4方向与内层桁架1中晶格单元5的轴线方向一致，以此方式形成多个支撑分体3；

方法2：取外层桁架2中晶格内某单元的外六边形面，交叉连接两条对边的顶点，形成2根连接杆6，然后以2根连接杆6的交点为一顶点，向外垂直延伸至内层桁架1中晶格单元5的外六边形面的一顶点，形成1根支撑杆4，支撑杆4方向与内层桁架1中晶格单元5的轴线方向一致，以此方式形成多个支撑分体3；

（4）最后将设计出的结构生成模型，导入3D打印机中进行打印；3D打印利用SLS选择性激光烧结技术，打印原料采用TPU粉末或尼龙粉末，利用激光器在计算机的操控下对粉末进行逐层扫描照射，实现TPU粉末的烧结粘合，层层堆积实现成型；其中TPU粉末是百微米级粒径的粉末，其烧结成型的温度为160°， 以上所述的TPU粉末的粒径和成型温度均是本实施例可能采用的一种，实际打印采用的TPU粉末的粒径和成型温度包含但不限于以上的可能。

最后将打印出来的头盔缓冲层进行碰撞吸能试验，测试缓冲层的抗冲击性和舒适性，头盔需符合标准GB 24429-2009，选择出满足要求的头盔缓冲层，将头盔外壳、衬垫、系带等配件进行组装即可。

根据GB 24429-2009中6.7头盔吸收碰撞能量性能试验的要求，对3个头盔分别进行了高温、低温、水浸的前处理。每个头盔上选取4个最薄弱部位作为碰撞点，其中两个碰撞点使用平砧，另外两个点使用路缘石砧，加速度峰值不得大于300g(g=9.8m/s

3D打印头盔平砧碰撞加速度峰值如下表：

3D打印头盔路缘石砧碰撞加速度峰值如下表：

两表表明利用本实施例缓冲层的头盔在受到各类冲击力时，均具有良好的自适应性以提供可靠的安全性能。另外该头盔还可根据被撞击的频率设计不同的缓冲层密度和晶格形态实现能量管理，最后该头盔缓冲层还具有可定制化、轻量化、舒适性高、透气性强等优点，完全满足使用者的需求。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。