CN109297358A - 一种防刺芯片及防刺装备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种防刺芯片及防刺装备，所述防刺芯片使用机械制图软件绘制，采用钛合金粉末材料，通过3D打印技术一次性加工成型，包括依次拼接的多个防刺单元构件，并将防刺单元构件设计为三棱锥结构，借助该结构面抗剪切性能随尺寸变化的规律，设计出防刺单元构件的最佳边长、厚度和高度，使防刺层的整体质量有了一个显著的下降且满足防刺性能的设计要求；并且在相邻防刺单元结构之间设置截面为扇形的柱状结构，增强了各防刺单元构件连接处的强度，进一步提高了防刺芯片的防刺性能。利用该防刺芯片制作的防刺装备主要克服现有防护装备整体偏重，舒适性、灵活性以及透气性差，防护层结构复杂，生产工艺繁琐，成本高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及防刺芯片技术领域，更具体地，涉及一种防刺芯片及防刺装备。
背景技术
当今社会，各种形式的暴力犯罪事件时有发生，给士兵、警察及从事相关安全保卫工作的特殊安保人员的生命安全造成巨大的威胁。在对犯罪分子实施抓捕或与其搏斗的过程中，相关工作人员极易受到锋利武器的伤害，一款保护身体重要部位不受刺刀、匕首等尖锐利器伤害并具有优异防刺性能的可穿戴防护装备显得尤为重要。
根据《GA 68-2008警用防刺服》标准，警用防刺服为必备防护装备，防刺服一般由防刺芯片和外套组成，其中，防刺芯片主要作用是在外界的匕首、刺刀等锐器刺向着装者时能够消耗一部分能量，阻止利器的刺入，从而保障穿着人员的生命安全。现有的防刺服一般分为硬质防刺服、半硬半软质防刺服和软质防刺服，其中，硬质防刺服的核心材料是金属等硬质钛合金板，虽然防护性能优异，但其重量和刚性对人体活动有较大影响且舒适性差，搭接和插板等工艺要求高，加工成本高；而且此类防刺服的重量一般较重，通常大于3.5kg。半硬半软质防刺服主要使用金属与高性能纤维作为复合材料以使刀具钝化，虽然改善了防刺服的运动灵活性和舒适性，但是制作工艺复杂，生产效率低，成本偏高。软质防刺服主要是以高性能化学纤维织物，如超高分子模量聚乙烯纤维为核心材料制成，目前主要采用多层高性能纤维叠加，厚度较厚，往往达到四五十层，穿着也不灵活，湿热传递性能差，容易使人产生生理疲劳，严重时可能产生中暑，体温过高等危险在穿着舒适度方面仍具有提高的空间。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种防刺芯片及防刺装备，通过对防刺基板单元的结构进行创新设计，从而减轻防刺装备的总体质量并且提升其防刺性能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种防刺芯片，所述防刺芯片使用机械制图软件绘制，采用钛合金粉末材料，通过3D打印技术一次性加工成型，包括：
依次拼接的多个防刺单元构件，所述防刺单元构件包括三块防护板，三块所述防护板依次拼接成三棱锥结构；
所述三棱锥结构的外侧面形成外侧结构，所述三棱锥结构的内侧面形成内侧结构，多个所述防刺单元构件的外侧结构依次拼接，多个所述防刺单元构件的内侧结构依次拼接。
优选地，三块所述防护板为全等的等腰三角形，相邻的两个所述防刺单元构件的外侧结构的底边拼接成菱形，且每两个相邻的所述防刺单元构件的外侧结构之间固定有截面为扇形的柱状构件，所述柱状构件贴合在相应的所述外侧结构上。
优选地，所述防护板的倾角为20～30°。
优选地，所述防护板的底边边长为5～20mm。
优选地，所述柱状构件的半径为0.2～0.8mm。
优选地，所述防护板沿垂直方向的厚度为0.5～1.5mm。
优选地，所述3D打印技术为激光烧结。
优选地，所述钛合金粉末材料为TC4。
根据本发明的第二方面，提供一种防刺装备，包括本发明第一方面所述的任一所述的防刺芯片。
优选地，所述防刺装备包括：防刺外套以及内置于所述防刺外套的防刺层，所述防刺层由多个所述防刺芯片拼接而成，相邻的两个所述防刺芯片的接缝处设有硅胶连接件，所述硅胶连接件将相邻的两个所述防刺芯片的接缝处包裹并固定。
优选地，所述硅胶连接件内部设有防刺条，所述防刺条采用钛合金材料制成，所述防刺条位于相邻的两个所述防刺芯片接缝处。
(三)有益效果
本发明提供的防刺芯片及防刺装备，将防刺单元构件设计为三棱锥结构，借助该结构面抗剪切性能随尺寸变化的规律，设计出防刺单元构件的最佳边长、厚度和高度，使防刺层的整体质量有了一个显著的下降且满足防刺性能的设计要求；并且在相邻防刺单元结构之间设置截面为扇形的柱状结构，增强了各防刺单元构件连接处的强度，进一步提高了防刺芯片的防刺性能。
利用该防刺芯片制作的防刺装备主要克服现有防护装备整体偏重，舒适性、灵活性以及透气性差，防护层结构复杂，生产工艺繁琐，成本高等问题。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例中部分防刺芯片正面的结构示意图；
图2为本发明实施例中部分防刺芯片背面的结构结构图；
图3为本发明实施例中部分防刺芯片侧面的结构示意图；
图4为本发明实施例中防刺单元构件外侧结构的示意图；
图5为本发明实施例中防刺单元构件内侧结构的示意图；
图6为本发明实施例中柱状构件与防护板连接的结构示意图；
图7为本发明实施例中防刺层中相邻防刺芯片连接的结构示意图；
图8为图7的仰视图；
图9为本发明实施例中防刺层的结构示意图；
附图标记：
1-防刺单元构件；2-防护板；3-外侧结构；4-内侧结构；5-柱状构件；6-防刺层；7-硅胶连接件；8-防刺条。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图6所示，本发明实施例公开了一种防刺芯片，防刺芯片所用的原材料为典型热塑性材料钛合金粉末，粉末型号为TC4(Ti6Al4V)，利用3D打印技术，具体为激光烧结加工成型。其中，3D打印作为一种快速成型技术，在复杂结构成型及加工效率方面有着其他传统机械加工方法不具备的优势，通过快速成型技术使材料一层一层堆叠最终将三维模型转化为实体。在制图软件SolidWorks中绘制防刺钛合金板与连接结构的CAD模型，然后保存为STL格式文件导入设备打印操作系统，设置参数进行加工。待激光烧结结束后，取件并将有余温的工件送入风箱去除表面多余粉末。
其中，为了便于描述，将防刺芯片拆分为多个依次拼接防刺单元构件1(实际为一体化加工成型)，防刺单元构件1为正三棱锥结构，正三棱锥结构的每个侧面分别由一块三角形防护板2构成，三块防护板2的腰依次拼接成并围成所述的三棱锥结构，三棱锥结构实际上由三块防护板2一体化成型，防护板2为钛合金基板。
进一步地，对于每个防刺单元构件1来说，将三棱锥结构的外侧面，即三块防护板2的外侧面形成的结构设为外侧结构3，将三棱锥结构的内侧面，即三块防护板2的内侧面形成的结构设为内侧结构4。通过将多个外侧结构3依次拼接，同时将多个内侧结构4依次拼接从而形成整个防刺芯片结构。
上述实施例中，为了提高防护性能，防护板2共有三块且均为等腰三角形，其拼接组成的三棱锥结构实际为正三棱锥结构，正三棱锥结构对刀具具有更强的缓冲和防护性能。防刺芯片中各防刺单元构件1的排布具体为：防刺单元构件1的外侧结构3的三个底边形成一个正三角形，任意相邻的两个外侧结构的底边可以拼接成一个菱形，且每两个相邻的外侧结构3之间固定有一个的柱状构件5，用于填补两个正三棱锥结构之间的拼接间隙，柱状构件5的截面为扇形，柱状构件5包括两个非圆柱状的侧边，这两个侧边分别与相邻的两个正三棱锥结构的外侧面贴合。
在上述各实施例的基础上，可选地，在本发明防刺芯片的另一实施例中，三棱锥的侧面即防护板2的倾斜角度为20～30°。
在上述各实施例的基础上，可选地，在本发明防刺芯片的另一实施例中，三棱锥的底边即防护板2的底边边长为5～20mm。
在上述各实施例的基础上，可选地，在本发明防刺芯片的另一实施例中，柱状构件5的半径为0.2～0.8mm。
在上述各实施例的基础上，可选地，在本发明防刺芯片的另一实施例中，防护板2在垂直其板面方向上的厚度为0.5～1.5mm。
在上述各实施例的基础上，由于防刺芯片具有一定的内能，受到冲击时等同于芯片的变形能，一定的刀具冲击能量下，三棱锥结构的侧面倾斜角度为22.5°时钛合金芯片的塑性变形能相对较大，对刀具的动能损耗较大，抗穿刺能力较强。若防刺芯片的整体边长、高度一定，在一定范围内，芯片上三棱锥边长越大，则防刺性能越低，边长越小，则防刺性能越高，但基板的面密度越大。
通过实验对比，得出三棱锥的底面边长为11.5mm，且侧面倾斜角度为22.5°时，其顶点距底边的垂直高度为2.4mm。把整个防刺单元构件1的尺寸定在这种规格是为了让防刺层单元构件1的总体数量在适合的情况下能够满足抗剪切的能力。其中，如果防刺层芯片的三棱锥结构的数量设计过少，同样的高度下，就需要面积相对较大的钛合金板，受尺寸效应等影响，钛合金防刺芯片的抗剪切性能会下降，相对薄弱的区域更容易被刀具刺穿。如果三棱锥结构数量设计过多，则单块钛合金防刺芯片的面积就会减小，虽然提高了防刺层的防刺能力，但会极大的增加防刺层的重量，无法满足减轻质量的要求。
其中，当把三棱锥的底面边长定在11.5mm时，有效避免了尺寸效应的影响，根据《GA 68-2008警用防刺服》测试防刺性能的试验，对边长11.5mm的三棱锥单元拼成的大板进行落锤冲击试验，即在1m的高度下用总重量为2.4kg的重锤和刀具自由下落砸击钛合金板，经过多次试验，钛合金板从未被刺穿，从而证明底面边长11.5mm的三棱锥单元拼成的钛合金大板能够承受住24J的穿刺能量，满足国家标准。防护板2的厚度通过试验最终确定为1mm，厚度偏大，防刺性能固然优良，但会增加钛合金板的重量；厚度小，无法满足防刺层的防刺性能。综合比较，把钛合金基板单元的边长、厚度以及斜面角度定位成这样的规格是最佳设计结果。
如图7至图9所示，本发明实施例还提供一种防刺装备，包括上述各实施例中的防刺芯片。所述防刺装备具体包括：防刺外套以及内置于防刺外套的防刺层6，为了主要保护人体的主要器官，防刺外套为防刺背心，且防刺层6装设在防刺外套的前部。因为防刺层需要贴合人体，所以对位于肩部和腰部共6个角的钛合金基板模型先在制图软件中切割成具有弧度的形状。通过3D打印加工出想要的结构，并且在很大程度上满足加工件质量稳定、精度高的优异特性。用3D打印加工出切割成带有弧度的钛合金板既能贴合人体，最大限度的防护人体可能被刺的位置，又能够便于装配。因为防刺层6最终是装进防刺外套里的，所以带有弧度的钛合金板能够更贴合衣物，让人穿着更方便，而且另外防刺层6的背部与正面的结构大小完全一样。
防刺层6由多个防刺芯片拼接而成，防刺芯片的大小和形状可根据实际的加工难度合理设置，具体尺寸和结构不作具体限定。本实施例中为了方便肩部和腰部6个角的加工，将防刺层6分为四块防刺芯片单独打印加工，并通过拼接形成一整块满足设计要求的防刺层6。且相邻的两个防刺芯片的接缝处设有硅胶连接件7，硅胶连接件7采用软质硅胶材料制成，通过硅胶连接件7将相邻的两个防刺芯片的接缝处包裹并将其固定连接。
在上述实施例的基础上，为了提高各防刺芯片拼接处的防刺性能，在硅胶连接件内部设有防刺条8，防刺条8同样采用钛合金材料制成，且防刺条8位于相邻的两个防刺芯片接缝处，其形状可设计成与两个防刺芯片接缝处的内侧结构吻合，为了保证防刺层整体性，将防刺条8置于的两个防刺芯片接缝处内侧。这种连接方式能够增加防刺层的灵活性，各防刺芯片在一定的范围内能够自由活动，而在连接处下部的硅胶连接件7中嵌入防刺条8，可以有效抵挡刺入连接处的刀尖，起到保护增强作用。由于软质硅胶密度相对较小，在能够满足防刺性能的前提下极大地减轻了连接处的重量。在采用软质硅胶结构连接时，经过防刺冲击测试仪多次冲击测试后，钛合金板的三棱锥结构以及周边连接结构均未遭到穿透破坏，完全满足防刺性能要求。
在上述各实施例的基础上，将加工完成的防刺层6放入提前定制好的防刺外套里，即完成防刺装备的装配过程。在这里防刺装备是完全按照钛合金板材防刺层6的形状而作的，防刺装备的内层材质为TPU复合布料，它包括普通复合面料(将面料和里料通过粘结剂粘合而成，从而改善面料质感，适合服装加工的工艺简化和规模生产)和功能复合面料(经过复合的面料具有防水透湿、抗辐射、耐洗涤、抗磨损等特殊功能)，功能复合面料又叫防水透气面料，是一种新型的纺织面料，其成份由的高分子防水透气材料(PTFE膜或者TPU膜)加上布料复合面料而成。防水透气面料在加强布料气密性、水密性的同时，其独特的透汽性能，可使结构内部水汽迅速排出，避免结构孳生霉菌，并保持人体始终干爽，完美解决了透气与防风，防水，保暖等问题，这是一种新型透气防水耐磨面料，这样就能降低防刺服内胆的热湿阻。防刺背心的外层材质为牛津布，用涤纶涤棉混纺纱与棉纱交织，采用纬重平或者方平组织。牛津布的优点是柔软、透气、易洗快干多具有易洗快干，手感松软，吸湿性好。
因为防刺层6和防刺外套的形状几乎吻合，当把防刺层6装进防刺外套后采用热合封口，因为靠针线是无法封住出口且会造成防刺层6脱离防刺外套。通过将防刺层6完全装进防刺外套后封住出口完成防刺装备的制备过程。其中，采用的热合工艺是一种吸塑封装工艺，用封口机将表面涂有吸塑油的纸卡与泡壳热合在一起，形成吸卡包装。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种防刺芯片，其特征在于，所述防刺芯片使用机械制图软件绘制，采用钛合金粉末材料，通过3D打印技术一次性加工成型，包括：
依次拼接的多个防刺单元构件，所述防刺单元构件包括三块防护板，三块所述防护板依次拼接成三棱锥结构；
所述三棱锥结构的外侧面形成外侧结构，所述三棱锥结构的内侧面形成内侧结构，多个所述防刺单元构件的外侧结构依次拼接，多个所述防刺单元构件的内侧结构依次拼接。
2.根据权利要求1所述的防刺芯片，其特征在于，三块所述防护板为全等的等腰三角形，相邻的两个所述防刺单元构件的外侧结构的底边拼接成菱形，且每两个相邻的所述防刺单元构件的外侧结构之间固定有截面为扇形的柱状构件，所述柱状构件贴合在相应的所述外侧结构上。
3.根据权利要求1或2所述的防刺芯片，其特征在于，所述防护板的倾角为20～30°。
4.根据权利要求1或2所述的防刺芯片，其特征在于，所述防护板的底边边长为5～20mm。
5.根据权利要求1或2所述的防刺芯片，其特征在于，所述柱状构件的半径为0.2～0.8mm。
6.根据权利要求1或2所述的防刺芯片，其特征在于，所述防护板沿垂直方向的厚度为0.5～1.5mm。
7.根据权利要求1或2所述的防刺芯片，其特征在于，所述钛合金粉末材料为TC4。
8.一种防刺装备，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一所述的防刺芯片。
9.根据权利要求8所述防刺装备，其特征在于，所述防刺装备包括：防刺外套以及内置于所述防刺外套的防刺层，所述防刺层由多个所述防刺芯片拼接而成，相邻的两个所述防刺芯片的接缝处设有硅胶连接件，所述硅胶连接件将相邻的两个所述防刺芯片的接缝处包裹并固定。
10.根据权利要求9所述防刺装备，其特征在于，所述硅胶连接件内部设有防刺条，所述防刺条采用钛合金材料制成，所述防刺条位于相邻的两个所述防刺芯片接缝处。
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