CN109063297A - 一种基于sls工艺的溃缩式复合结构头盔内衬及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SLS工艺的溃缩式复合结构头盔内衬及其设计方法，可以提高头盔的抗压强度，对头部进行更好的保护，包括以下步骤：使用三维建模软件设计出不同点阵结构模型；将不同点阵结构使用SLS 3D打印技术制作出来；通过力学测试和有限元分析得出不同结构的力学性能；根据溃缩式吸能理论优化组合出新的点阵结构；制备出满足溃缩式复合结构的头盔内衬。本发明原理简单，便于使用，适用于普通受众群体。

Description

一种基于SLS工艺的溃缩式复合结构头盔内衬及其设计方法
技术领域
本发明设计一种满足溃缩式吸能理论的复合结构头盔内衬。
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。因此，头盔设计的最重要部分就是其内部的能量消散部件，也就是头盔内衬。头盔中使用可变形的特殊结构消散一定比例的冲击能量，以减轻头部在自行车事故中所承受的冲击力，使得骑行事故中头部和脑部严重受伤风险降低了88％。自从1975年成功的商业引入头盔以来，头盔的抗撞击标准全是上世纪70年代中期由美国消费用品安全委员会(CPSC)提出的，所以头盔的设计保持了一成不变的结构。BeLL Biker公司最早研制出了符合美国消费用品安全委员会标准的头盔，这种头盔的内衬是采用聚苯乙烯(EPS)泡沫制成的，而EPS泡沫材料在受到高度压缩碰撞后易粉碎，造成头盔不能再次使用。在遇到高强碰撞时，EPS泡沫作为头盔内衬的抗压强度还是不够好。
发明内容
针对以上内容，有必要设计出一种新型的头盔内衬结构，从而提高头盔内衬的抗压强度，使头盔的安全性进一步提高。
一种基于SLS工艺的溃缩式复合结构头盔内衬，其特征在于：
材料选用尼龙PA2200材料，控制点阵结构单元模型的孔隙率为60％以上；选择内侧为极小曲面，外侧为体心立方的复合模型作为头盔内衬且抗压强度达到2.3MPa以上。
本发明可以实现基于溃缩式吸能设计理论的复合结构头盔内衬的设计，选择尼龙PA2200材料代替EPP、EPS材料制作头盔内衬，这不仅提高了头盔内衬的抗压强度，而且可以设计内部的点阵结构形状，从而改善头盔的性能和外观设计。使用三维设计软件设计新型点阵结构，通过对新型点阵结构进行力学压缩模拟，再使用有限元分析对点阵结构进行力学模拟，对点阵结构进行优化，选取性能最优的点阵结构组合设计头盔内衬，最后使用SLS(激光选区烧结)技术制作出新型头盔内衬。
一种基于SLS工艺的溃缩式复合结构头盔内衬的设计，应用如下软件、材料及设备，包括三维建模软件、有限元分析软件、尼龙PA2200材料、SLS选区激光烧结3D打印机、材料力学试验机；
其特征在于，包括如下步骤：
(1)在计算机中用三维建模软件设计不同点阵结构模型,首先建立绘图坐标系，绘制单元中的梁结构的截面，将界面进行拉伸，将拉伸后的梁结构进行镜像和阵列，组成点阵单元结构，在三维空间中阵列点阵单元，最后将这些单元布尔运算得到最终结构；
(2)运用材料力学试验机测试PA2200材料的标准件来表征本材料力学性能，得出其抗压强度可以达到48MPa左右，远高于EPS材料0.147MPa的抗压强度，选用PA2200材料可以满足头盔内衬设计力学性能要求；
(3)通过控制点阵结构单元模型的梁结构粗细与面结构壁厚，从而改变单元结构体积，进而得到可调节孔隙率的点阵结构，梁结构的粗细的调节是通过建模时梁结构截面的半径，长短是由拉伸的长度决定，面壁厚度可在三维建模软件中通过调节壁厚功能选项中实现，一般将孔隙率调整到60％以上可以有效地减轻点阵结构的重量；
(4)根据溃缩式吸能设计理论，对具有不同力学性能的四种点阵结构两两组合，得到新型点阵结构进行有限元力学模拟和力学测试，模拟测试使用ABAQUAS软件进行，创建复合模型的上下表面为截面，定义材料为Nylon，杨氏模量为2.05Gpa，泊松比为0.34，将模型装配后设定分析步设置为“弹性变形，一般情况”，之后定义载荷方向为沿Z轴竖直向下从上平面加载，底平面固定约束，在网格划分中将元素类型选择“标准条件”、“3D压力”，网格单元大小设置为10.5，可以得到划分精密的网格结构，提交分析后在“后处理”模块中可以得到分析结果，通过后处理模块中的变形图和云纹图，可以看出外表面为体心立方结构与内表面为极小曲面结构组合的力学性能最好的，因为其内部结构形变幅度小，应力不集中，压力主要在外部结构上被消散，选择该组合作为头盔的内衬，其抗压强度可以达到2.3MPa，远高于传统EPS材料的抗压强度；
(5)将体心立方-面心立方、面心立方-极小曲面、六孔球形-体心立方等多个复合结构模型转为STL格式文件，切片后进行SLS 3D打印，打印完成后进行力学性能测试，通过实验得到的应力-应变曲线，基本与模拟得到的应力应变曲线可以完全拟合，通过对比不同点阵结构的压缩模拟和力学测试结果，发现相同孔隙率下，体心立方结构与面心立方结构应力分布集中，抗压强度较弱、易破坏，而极小曲面结构应力分布均匀，抗压强度较强，不易破坏。综合，模拟和力学实验结果，最终选择内侧为极小曲面，外侧为体心立方的复合模型作为头盔内衬的最终结构。
(6)利用SLS技术制作出具有优化后点阵结构的头盔内衬。
所述的3D建模软件可以是：Solid edge、Solidworks、AUTO CAD等。
所述的材料是指尼龙PA2200高分子材料，主要用于选区激光烧结3D打印。
所述的材料力学实验机是Zwick/Roell双柱材料试验机。
所述的有限元分析软件是指ABAQUES有限元分析软件。
所述的不同点阵结构是指体心立方结构、面心立方结构、极小曲面结构、六孔球形结构，四种点阵结构。
所述的溃缩式复合结构是指将四种不同的点阵结构根据其力学性能的不同进行两两组合，满足溃缩式吸能设计理论。
本发明的设计原理是：一般头盔内衬是采用聚丙烯塑料发泡材料(EPP)、聚苯乙烯泡沫材料(EPS)作为填充物制成的，这里使用尼龙PA2200材料，并采用SLS 3D打印技术制作头盔内衬。利用3D打印技术的特性可以自主设计复杂的新型结构，利用各种结构的不同力学特性，通过溃缩式吸能设计理论对其进行优化组合。在满足头盔内衬轻便的前提下，显著提高其力学强度。最后通过SLS 3D打印技术制作出新型的高强度头盔内衬。
本发明的特点是：
1.与传统的头盔内衬相比，本发明制作的头盔内衬可以根据材料和结构的特性，有效的提高头盔的力学强度，对头部起到更有效的保护。
2.本发明采用的自主设计结构的方式，可以设计出不同的结构或不同孔隙率下的同种结构，进行个性化组合订制，更加满足现阶段的使用需求。
3.本发明采用SLS选区激光烧结技术成型，成型精度高，可以达到0.06mm，可以完成对精细结构的加工制作，成型过程直观，便于理解，适用于普通人群自我个性化私人订制。
4.本发明中，头盔内衬材料采用尼龙PA2200材料，该材料具有高强度、高刚性、较好的耐腐蚀性，这几种特性特别符合头盔内衬制作，头盔需要有的高强度和高刚性防止碰撞时的冲击力，而耐腐蚀性可以延长头盔的使用寿命。
5.本发明实现设计与制作过程同步：可以将三维设计出的头盔内衬结构进行实施打印制作，并且可以实时监控制作过程，对制作的头盔内衬进行进一步的改进和完善，缩短头盔内衬的制作周期。
6.本发明中，头盔内衬的制作材料采用粉末材料，制作过程中可以满足只对零件进行加工，不耗费多余的材料进行制作，实现消耗材料全部转化为零件制作，并且在制作过程中，剩余的材料还可以回收进行二次制作。
7.本发明中，材料可以根据需求灵活选取，满足SLS激光选区烧结技术的所有高分子材料都可以进行头盔内衬的制作。
附图说明
图1本发明中快速成型原理图
图中：1，铺粉滚筒，2，CO2激光器，3，送料筒，4，送粉平台，5，工作平台/成型仓，6，多余粉末收集筒。
图2实例1所采用四种不同点阵结构三维模型。图2a为六孔球形结构，图2b为面心立方结构，图2c为体心立方结构，图2d为极小曲面结构
图3a打印四个实体的宽度，从左到右依次为六孔球形结构，面心立方结构，体心立方结构，极小曲面结构
图3b打印四个实体的高度，从左到右依次为六孔球形结构，面心立方结构，体心立方结构，极小曲面结构
图4实例1所重新优化组合后的溃缩式复合结构模型
图5a设计出满足溃缩式吸能理论的复合结构头盔内衬模型的侧视图
图5b设计出满足溃缩式吸能理论的复合结构头盔内衬模型的俯视图
图6a利用SLS 3D打印技术制备出满足溃缩式复合结构头盔内衬模型的侧视图1
图6b利用SLS 3D打印技术制备出满足溃缩式复合结构头盔内衬模型的侧视图2
具体实施方式
首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
实例1
本发明采用SLS 3D打印方式实现溃缩式复合结构头盔内衬的模型制作；SLS打印机光源为70W的CO2激光器；头盔内衬制作材料为尼龙PA2200粉末；采用点阵结构作为头盔内衬的设计；选用半球作为头盔内衬轮廓。
本实例按以下方法进行：利用三维建模软件设计出四种不同点阵结构，并将其孔隙率统一调至82％；将四种不同点阵结构三维数据导入打印软件，采用SLS 3D打印技术进行打印制备；对打印完成后的四种不同点阵结构进行力学测试，得出不同点阵结构的力学特性；利用点阵结构的不同力学特性，按照溃缩式吸能设计理论将其重新组合优化，设计出满足该理论的点阵结构；将优化后的点阵结构按照半球的形状设计出头盔内衬模型，并采用SLS 3D打印技术制备出溃缩式复合结构头盔内衬模型。

Claims (5)

1.一种基于SLS工艺的溃缩式复合结构头盔内衬，其特征在于：
材料选用尼龙PA2200材料，控制点阵结构单元模型的孔隙率为60％以上；选择内侧为极小曲面，外侧为体心立方的复合模型作为头盔内衬且抗压强度达到2.3MPa以上。
2.制备如权利要求1所述的内衬的方法，其特征在于：
应用如下软件、材料及设备，包括三维建模软件、有限元分析软件、尼龙PA2200材料、SLS选区激光烧结3D打印机、材料力学试验机；
包括如下步骤：
(1)在计算机中用三维建模软件设计不同点阵结构模型,首先建立绘图坐标系，绘制单元中的梁结构的截面，将界面进行拉伸，将拉伸后的梁结构进行镜像和阵列，组成点阵单元结构，在三维空间中阵列点阵单元，最后将这些单元布尔运算得到最终结构；
(2)选用尼龙PA2200材料；
(3)通过控制点阵结构单元模型的梁结构粗细与面结构壁厚，从而改变单元结构体积，进而得到可调节孔隙率的点阵结构，梁结构的粗细的调节是通过建模时梁结构截面的半径，长短是由拉伸的长度决定，面壁厚度在三维建模软件中通过调节壁厚功能选项中实现，孔隙率调整到60％以上；
(4)根据溃缩式吸能设计理论，选择外表面为体心立方结构与内表面为极小曲面结构组合作为头盔的内衬，使得其抗压强度达到2.3MPa以上；
(5)结构模型转为STL格式文件，切片后进行SLS 3D打印，打印完成后进行力学性能测试，最终将选择内侧为极小曲面，外侧为体心立方的复合模型作为头盔内衬的最终结构；
(6)利用SLS技术制作出具有优化后点阵结构的头盔内衬。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：尼龙建模软件是：Solid edge、Solidworks或AUTO CAD。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的材料力学实验机是Zwick/Roell双柱材料试验机。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的有限元分析软件是指ABAQUES有限元分析软件。
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