CN114098208A - 防弹头盔及基于3d打印技术防弹头盔的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种防弹头盔及基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，涉及头部防护装备的技术领域。防弹头盔包括头盔本体、防护罩和绑带；防护罩连接在头盔本体的前侧面，绑带连接头盔本体的底部；头盔本体包括防护层、隔热层和内衬层；防护层、隔热层、内衬层由外至内依次贴合连接；防护层为连续碳纤维复合材料；隔热层为连续玻璃纤维复合材料。解决了现有技术中，因头盔所使用材料性能限制，一旦头盔损坏，需要花费较长时间修复，无法在现场直接修复的技术问题。本发明的防护层为连续碳纤维复合材料；隔热层为连续玻璃纤维复合材料，以连续碳纤维、连续玻璃纤维、热塑性聚合物材料为主体材料，集成自修复结构体系。

Description

防弹头盔及基于3D打印技术防弹头盔的制造方法
技术领域
本发明涉及头部防护装备的技术领域，尤其是涉及一种防弹头盔及基于3D打印技术防弹头盔的制造方法。
背景技术
防弹头盔是装备部队作战人员和警察安全防护的关键装备，能够保护人体头部免受流弹、爆炸碎片等的伤害。随着科技的不断进步，防弹头盔也在不断迭代升级，根据材质可分为金属、非金属、金属和非金属复合三种类型。轻量化、高强度、舒适性是防弹头盔的发展必然趋势和要求，而新材料、新结构、新工艺是实现上述要求的关键所在。
防弹头盔受损后的修复对于延长头盔的使用寿命具有重要作用，而当前头盔因所使用的材料性能限制，一旦头盔被损坏，修复则需要花费较长时间，无法在应用现场直接修复使用。
此外，随着生活质量的提高，人们对舒适度的追求越来越高，个性化、舒适性头盔是未来防弹头盔的更高级追求，传统的头盔制造工艺在个性化定制方面存在较大的成本局限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防弹头盔，以解决现有技术中存在的，头盔因所使用的材料性能限制，一旦头盔损坏，需要花费较长时间修复，无法在现场直接修复的技术问题。
本发明还提供一种基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，以解决现有技术中，传统的头盔制造工艺在个性化定制方面存在较大的成本局限的技术问题。
本发明提供的一种防弹头盔，包括头盔本体、防护罩和绑带；
防护罩连接在头盔本体的前侧面，绑带连接头盔本体的底部；
头盔本体包括防护层、隔热层和内衬层；防护层、隔热层、内衬层由外至内依次贴合连接；
防护层为连续碳纤维复合材料；
隔热层为连续玻璃纤维复合材料。
进一步的，连续碳纤维复合材料为实心连续碳纤维与中空连续碳纤维的复合材料。
进一步的，连续碳纤维复合材料中的实心连续碳纤维与中空连续碳纤维之间的数量比在2:1至4:1之间。
进一步的，中空连续碳纤维的内部设有快速凝固粘结剂；
快速凝固粘结剂为α－氰基丙烯酸乙酯、增粘剂、稳定剂、增韧剂、阻聚剂的混合体。
进一步的，内衬层为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，且内衬层与头部接触的表面设有凹凸透气结构。
本发明还提供一种基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，包括如下步骤：
a.头盔本体建模
分别对防护层、隔热层、内衬层的形状、尺寸的进行设计建模；
b.生成打印路径控制代码
分别对防护层、隔热层、内衬层生成路径控制代码；
c.打印制造
首先，采用熔融沉积成型工艺打印热塑性聚合物内衬层，内衬层打印完成；
其次，采用激光辅助熔融工艺在内衬层的外表面铺放连续玻璃纤维，形成隔热层，隔热层打印完成；
最后，采用激光辅助熔融工艺在隔热层的外表面铺放连续碳纤维防护层，直至防护层打印完成；
d.添加粘结剂与封装
向已打印好的防护层的内部中空连续碳纤维中加装粘结剂并密封；
e.后处理
在打印好的头盔本体外部添加防护罩、绑带等附属部件，最终获得防弹头盔产品。
进一步的，在步骤a中，头盔建模方法包括：直接建模和逆向建模；
直接建模方法，需事先获得模型参数；
逆向建模方法，采用扫描仪获取佩戴人员头部轮廓形状点云，然后对点云数据进行处理，提取获得内衬层表面形状，然后通过偏置方法创建一定厚度的内衬层，最后依次创建隔热层层、防护层三维模型。
进一步的，在步骤c中，防护层中连续碳纤维复合材料、隔热层中连续玻璃纤维复合材料均为厚度为0.2mm，宽度为6.3mm的热塑性聚合物基预浸带。
进一步的，在步骤c中，防护层中的连续碳纤维复合材料包含若干相互交叉层叠的连续碳纤维热塑性聚合物基预浸带。
进一步的，在步骤c中，隔热层中的连续玻璃纤维复合材料包含若干相互交叉层叠的连续玻璃纤维热塑性聚合物基预浸带。
本发明提供的一种防弹头盔，防护罩连接在头盔本体的前侧面，绑带连接头盔本体的底部，整个头盔的结构设计人性化。头盔本体的防护层、隔热层、内衬层由外至内依次贴合连接，使头盔本体的内部分层设计合理，内部结构强度高。防护层为连续碳纤维复合材料；隔热层为连续玻璃纤维复合材料，以连续碳纤维、连续玻璃纤维、热塑性聚合物材料为主体材料，集成自修复结构体系，实现了防弹头盔的轻质高强和损伤原位自修复，头盔的舒适性更强。
本发明提供的一种基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，依次采用头盔本体建模、生成打印路径控制代码、打印制造、添加粘接剂与封装、后处理等步骤，采用3D打印制造工艺，使头盔在个性化定制方面更加的灵活，3D打印防弹头盔具有广阔的市场前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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为本发明实施例中防弹头盔的示意图；
图2为本发明实施例中防弹头盔的局部剖视图；
图3为本发明实施例中防弹头盔的内部分层示意图；
图4为本发明实施例中基于3D打印技术防弹头盔的制造方法的流程图。
图标：
100-头盔本体； 200-防护罩； 300-绑带；
101-防护层； 102-隔热层； 103-内衬层；
1011-中空连续碳纤维； 1012-实心连续碳纤维；
1021-连续玻璃纤维复合材料； 1031-凹凸透气结构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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1～3所示，本发明提供的一种防弹头盔，包括头盔本体100、防护罩200和绑带300；
防护罩200连接在头盔本体100的前侧面，绑带300连接头盔本体100的底部；
头盔本体100包括防护层101、隔热层102和内衬层103；防护层101、隔热层102、内衬层103由外至内依次贴合连接；
防护层101为连续碳纤维复合材料；
隔热层102为连续玻璃纤维复合材料1021。
参照图1，在头盔本体100的前侧面连接防护罩200，利用防护罩200对使用者的脸部位置进行防护。在头盔本体100的底部位置连接绑带300，利用绑带300将头盔本体100固定在使用者的头部，确保头盔本体100的安装位置牢固。
参照图2，头盔本体100采用由外至内的防护层101、隔热层102、内衬层103三层结构，提高头盔本体100的结构稳固性。
参照图3，防护层101为连续碳纤维复合材料，隔热层102为连续玻璃纤维复合材料，本申请以连续碳纤维、连续玻璃纤维、热塑性聚合物材料为主体材料，集成自修复结构体系，实现了防弹头盔的轻质高强和损伤原位自修复。
进一步的，连续碳纤维复合材料为实心连续碳纤维1012与中空连续碳纤维1011的复合材料，实现了防弹头盔的损伤原位自修复。
进一步的，连续碳纤维复合材料中的实心连续碳纤维1012与中空连续碳纤维1011之间的数量比在2:1至4:1之间。
本申请的实施例中，实心连续碳纤维1012与中空连续碳纤维1011之间的数量比为3:1，以保证损伤原位自修复效率和强度。
进一步的，中空连续碳纤维1011的内部设有快速凝固粘结剂；
快速凝固粘结剂为α－氰基丙烯酸乙酯、增粘剂、稳定剂、增韧剂、阻聚剂的混合体。
本申请的实施例中，中空连续碳纤维1011的内部设置快速凝固粘结剂，能够实现损伤快速原位修复。
进一步的，内衬层103为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，且内衬层103与头部接触的表面设有凹凸透气结构1031。
本申请的实施例中，内衬层103与头部接触的表面设置凹凸透气结构1031，能够提高头盔佩戴的舒适性。
如图4所示，本发明还提供一种基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，包括如下步骤：
a.头盔本体建模
分别对防护层101、隔热层102、内衬层103的形状、尺寸的进行设计建模；
进一步的，在步骤a中，头盔建模方法包括：直接建模和逆向建模；
直接建模方法，需事先获得模型参数；
逆向建模方法，采用扫描仪获取佩戴人员头部轮廓形状点云，然后对点云数据进行处理，提取获得内衬层表面形状，然后通过偏置方法创建一定厚度的内衬层，最后依次创建隔热层层、防护层三维模型。
在本实施例中，为了实现个性化、舒适性防弹头盔制造，优选地，头盔结构建模采用逆向建模方法。
b.生成打印路径控制代码
分别对防护层101、隔热层102、内衬层103生成路径控制代码；
c.打印制造
首先，采用熔融沉积成型工艺打印热塑性聚合物内衬层103，内衬层103打印完成；
其次，采用激光辅助熔融工艺在内衬层103的外表面铺放连续玻璃纤维，形成隔热层102，隔热层102打印完成；
最后，采用激光辅助熔融工艺在隔热层102的外表面铺放连续碳纤维防护层101，直至防护层101打印完成；
进一步的，在步骤c中，防护层101中连续碳纤维复合材料、隔热层102中连续玻璃纤维复合材料1021均为厚度为0.2mm，宽度为6.3mm的热塑性聚合物基预浸带，如：连续碳纤维增强聚醚醚酮预浸带和连续玻璃纤维增强聚醚醚酮预浸带。
进一步的，在步骤c中，防护层101中的连续碳纤维复合材料包含若干相互交叉层叠的连续碳纤维热塑性聚合物基预浸带。如：当设计防护层101厚度为8mm时，需要铺放40层0.2mm的连续碳纤维热塑性聚合物基预浸带。
进一步的，在步骤c中，隔热层102中的连续玻璃纤维复合材料1021包含若干相互交叉层叠的连续玻璃纤维热塑性聚合物基预浸带。如：当设计隔热层102厚度为2mm时，需要铺放10层0.2mm的连续玻璃纤维热塑性聚合物基预浸带。
d.添加粘结剂与封装
向已打印好的防护层101的内部中空连续碳纤维1011中加装粘结剂并密封；
e.后处理
在打印好的头盔本体100外部添加防护罩200、绑带300等附属部件，最终获得防弹头盔产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种防弹头盔，其特征在于，包括头盔本体(100)、防护罩(200)和绑带(300)；
所述防护罩(200)连接在所述头盔本体(100)的前侧面，所述绑带(300)连接所述头盔本体(100)的底部；
所述头盔本体(100)包括防护层(101)、隔热层(102)和内衬层(103)；所述防护层(101)、隔热层(102)、内衬层(103)由外至内依次贴合连接；
所述防护层(101)为连续碳纤维复合材料；
所述隔热层(102)为连续玻璃纤维复合材料(1021)。
2.根据权利要求1所述的防弹头盔，其特征在于，所述连续碳纤维复合材料为实心连续碳纤维(1012)与中空连续碳纤维(1011)的复合材料。
3.根据权利要求2所述的防弹头盔，其特征在于，所述连续碳纤维复合材料中的实心连续碳纤维(1012)与中空连续碳纤维(1011)之间的数量比在2:1至4:1之间。
4.根据权利要求3所述的防弹头盔，其特征在于，所述中空连续碳纤维(1011)的内部设有快速凝固粘结剂；
所述快速凝固粘结剂为α－氰基丙烯酸乙酯、增粘剂、稳定剂、增韧剂、阻聚剂的混合体。
5.根据权利要求4所述的防弹头盔，其特征在于，所述内衬层(103)为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，且内衬层(103)与头部接触的表面设有凹凸透气结构(1031)。
6.一种基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.头盔本体建模
分别对防护层(101)、隔热层(102)、内衬层(103)的形状、尺寸的进行设计建模；
b.生成打印路径控制代码
分别对防护层(101)、隔热层(102)、内衬层(103)生成路径控制代码；
c.打印制造
首先，采用熔融沉积成型工艺打印热塑性聚合物内衬层(103)，内衬层(103)打印完成；
其次，采用激光辅助熔融工艺在内衬层(103)的外表面铺放连续玻璃纤维，形成隔热层(102)，隔热层(102)打印完成；
最后，采用激光辅助熔融工艺在隔热层(102)的外表面铺放连续碳纤维防护层(101)，直至防护层(101)打印完成；
d.添加粘结剂与封装
向已打印好的防护层(101)的内部中空连续碳纤维(1011)中加装粘结剂并密封；
e.后处理
在打印好的头盔本体(100)外部添加防护罩(200)、绑带(300)等附属部件，最终获得防弹头盔产品。
7.根据权利要求6所述的基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，其特征在于，在所述步骤a中，头盔建模方法包括：直接建模和逆向建模；
所述直接建模方法，需事先获得模型参数；
所述逆向建模方法，采用扫描仪获取佩戴人员头部轮廓形状点云，然后对点云数据进行处理，提取获得内衬层表面形状，然后通过偏置方法创建一定厚度的内衬层，最后依次创建隔热层层、防护层三维模型。
8.根据权利要求7所述的基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述防护层(101)中连续碳纤维复合材料、所述隔热层(102)中连续玻璃纤维复合材料(1021)均为厚度为0.2mm，宽度为6.3mm的热塑性聚合物基预浸带。
9.根据权利要求8所述的基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述防护层(101)中的连续碳纤维复合材料包含若干相互交叉层叠的连续碳纤维热塑性聚合物基预浸带。
10.根据权利要求9所述的基于3D打印技术防弹头盔的制造方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述隔热层(102)中的连续玻璃纤维复合材料(1021)包含若干相互交叉层叠的连续玻璃纤维热塑性聚合物基预浸带。
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