CN117652748A - 一种新型tpms晶格结构3d打印头盔内衬缓冲结构 - Google Patents
一种新型tpms晶格结构3d打印头盔内衬缓冲结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117652748A CN117652748A CN202311635945.6A CN202311635945A CN117652748A CN 117652748 A CN117652748 A CN 117652748A CN 202311635945 A CN202311635945 A CN 202311635945A CN 117652748 A CN117652748 A CN 117652748A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tpms
- lattice
- helmet
- novel
- cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 16
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 32
- 241000124033 Salix Species 0.000 claims description 23
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 claims description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 19
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 35
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 6
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 5
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 description 4
- 208000007333 Brain Concussion Diseases 0.000 description 3
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 3
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- 206010019196 Head injury Diseases 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 210000005013 brain tissue Anatomy 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Helmets And Other Head Coverings (AREA)
Abstract
一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，涉及冲击吸能缓冲减震结构领域，晶格胞元在缓冲层中的分布包括从胞元尺寸到壁厚的多重梯度变化，具体梯度变化表现为从外层表面向内层表面的胞元尺寸由变化因子控制线性减少与壁厚的线性增加，允许外层表面胞元在受冲击时快速反应并发生大变形吸收第一波冲击力并将能量向内层延申，进而达到缓冲吸能的效果，同时内层胞元尺寸的减小与壁厚的增加可以在能量传递的过程中逐渐消散并减少结构变形。本发明在提高内层稳定性的同时减少滑移间隙，从而对头部核心部位提供更好的保护。
Description
技术领域
本发明属于冲击吸能缓冲减震结构技术领域，涉及了一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构。
背景技术
随着电动自行车生产的标准化与规范化，消费者对更高性能且更安全的防护头盔的需求也在增加。防护头盔的主要作用是在发生事故或碰撞时，分散由于冲击所产生的能量，从而减少头部受伤的风险，同时也可以有效防止头部骨折、颅骨损伤、脑震荡等严重伤害。在头盔的组成部件中，外壳承担碰撞瞬间的冲击，随后由内衬缓冲层进一步缓解并吸收碰撞产生的能量，因此，头盔内衬结构是保证头盔安全性能的重要设计要素。
现有的头盔通常采用多层EPS泡沫结构作为内衬缓冲层，这种泡沫在受到冲击后迅速被压缩并发生形变并伴随着结构的破坏。同时，由于该类头盔内衬材料和结构之间鲜有相配合的响应模式且内衬结构的形变缺乏对冲击力的瞬时动态响应，对高速冲击振动的抵抗能力不足，当所承受的冲击大于其承载极限时会粉碎并瞬间失效，如公开号为CN113367433 A的中国专利文献公开了“一种碳纤复合材料头盔”的设计方法，其缓冲层所采用的为表面活性增强泡沫。因此，设计一款具有梯度吸能特性且能够对时间和冲击力的快速变化有着动态响应的缓冲吸能头盔内衬是非常必要的。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，当头盔受到冲击时，能够针对冲击力的变化动态的实现内衬结构的变形调整，从而实现动态缓冲功能，降低由于高速震动造成的脑震荡疾病的可能性，从而更好的保护头部、脑组织及颈椎等部位。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，使用TPMS晶格结构生成3D打印头盔内衬结构，通过控制壁厚变化因子，使得组成头盔内衬的每一个晶格的尺寸和壁厚随着设定梯度方向发生变化而呈线性规律；整体胞元尺寸与厚度均呈梯度变化，且整体分为内层表面和外层表面，且所述外层表面与内层表面之间允许由于冲击产生的滑移现象并允许能量随胞壁向内传递消散。
进一步，单个胞元在不设置变化因子时，其截面有4种吸能形态，分别为柳叶形态1、凸鼓形态1、柳叶形态2、凸鼓形态2，其中，柳叶形态1与柳叶形态2关于水平面y方向上对称，凸鼓形态1与凸鼓形态2关于水平面y方向上对称。
再进一步，内衬结构中的基础TPMS晶格单元尺寸采用从外向内逐渐变小的梯度尺寸设计。该方案中，外层晶格结构拥有较大的变形空间，而内层晶格结构变形较小更有利于内层结构的稳定性。
内衬结构中的基础TPMS晶格壁厚采用从外向内逐渐增大的梯度厚度设计。该方案中，从外向内逐渐增大的壁厚可有效提高内层刚度并耗散碰撞产生的能量。
所述内衬整体结构相对密度为0.24。
优选的，所述晶格单元在整体中进行偏置处理，同时加入变化因子控制厚度梯度，保证胞元尺寸从外层向内层均匀减小。
再优选的，外层胞元厚度到内层胞元厚度由变化因子控制，使其厚度尺寸从外层向内层均匀增加。
本发明的有益效果为：梯度设计的TPMS晶格结构内衬允许外层表面胞元在受冲击时快速反应并发生大变形吸收第一波冲击力并将能量向内层延申，进而达到缓冲吸能的效果，同时内层胞元尺寸的减小与壁厚的增加可以在能量传递的过程中逐渐消散并减少结构变形，在提高内层稳定性的同时减少滑移间隙，从而对头部核心部位提供更好的保护。
附图说明
图1为本发明中新型TPMS晶格结构基础胞元立方体晶格的示意图。
图2为新型TPMS晶格结构4种横截面吸能形态的示意图。
图3为新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬结构示意图。
图4为内衬内外壁厚及胞元尺寸梯度变化示意图，其中，1：外层薄壁部分，2：内层内衬部分，3：柳叶形态2，4：柳叶形态1，5：凸鼓形态1，6：凸鼓形态2。
图5为内衬剖面局部放大图。
图6为纵切面功能区剖面图，其中，(a)表示中切面，(b)表示后15mm切面，(c)表示后30mm切面，(d)表示后45mm切面，(e)表示后60mm切面。
具体实施方式
下面结合本发明实施例与附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。应理解，所描述的仅为本发明一部分实施例，并非所有实施例。
参照图1～图6，一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，使用TPMS晶格结构生成3D打印头盔内衬结构，通过控制壁厚变化因子，使得组成头盔内衬的每一个晶格的尺寸和壁厚随着设定梯度方向发生变化而呈线性规律；整体胞元尺寸与厚度均呈梯度变化，且整体分为内层表面和外层表面，且所述外层表面与内层表面之间允许由于冲击产生的滑移现象并允许能量随胞壁向内传递消散。
本实施例的新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，用以解决现有技术存在的吸能形式单一的问题，当头盔受到冲击时，能够根据所受冲击能量大小进行动态变形调整从而实现动态缓冲功能，降低由于高速震动造成的脑震荡疾病的可能性，从而更好的保护头部、脑组织及颈椎等部位。
本实施例中，结构设计采用的是三周期极小曲面类型的自研曲面，自研曲面的拟合公式为：
2(sinxsiny+sinxsinz+sinysinz)-(cosxcosycosz-sinxsinysinz)＝C1
2(sinxsiny+sinxsinz+sinysinz)-(cosxcosycosz-sinxsinysinz)＝C2
其中，C1<C2，C1和C2为壁厚变化因子，二者影响三周期极小曲面的空间位置，其值随着梯度方向的尺寸变化而呈线性规律。为了构建自研曲面的常规几何形态，便于描述其作为头盔内衬结构的特点和优势，现建立边长10mm的立方体，利用上述自研曲面拟合公式创建新型TPMS晶格结构如图1所示。结构设置的晶胞单元尺寸为4mm，晶胞壁厚为1mm，该立方体晶格结构的孔隙率为84％(相对密度16％)，通过大尺寸的空间设计为结构吸能变形留出充足空间，由于自研曲面属于三周期极小曲面设计领域，因此该结构在X、Y和Z三个方向上具有相同的结构形态和吸能特性，可以承受来自不同方向的冲击载荷，并且具有相同的吸能效应，全方向保护头部、颈椎的安全。
本实施例所设计的晶格结构具有4种形态，如图2所示。沿着Z轴每隔1mm做一个横切面，分别得出4种横截面吸能形态：0mm处横截面吸能形态为柳叶形态1，该形态的晶格结构细长、具有柳叶般的外形，双侧曲线呈对称分布特点，并与晶格的X正方向呈135度角，并于相邻晶胞距离相等；1mm处横截面吸能形态为凸鼓形态1，晶胞以鼓形为基础，呈现类圆柱形态，上下层的晶格相互错开进行规则排列，鼓形形态可以充分向内压缩从而实现吸能效果；2mm处横截面吸能形为柳叶形态2，与晶格的X正方向呈45度角，与0mm处截面形态形成上下呼应，且与相邻晶胞距离相等；3mm处横截面吸能形态为凸鼓形态2，呈现类球形态，与1mm处横截面形态具有相同的吸能缓冲性能。专利所设计的晶格结构从上到下呈现柳叶形态1、凸鼓形态1、柳叶形态2和凸鼓形态2，这种结构按照这个规律在高度方向上进行延申叠加，单层柳叶形态和单层凸鼓形态组成一个减震单元。
本实施例中，通过对自研曲面进行偏置处理，得到具有梯度变化厚度的自研TPMS缓冲吸能晶格结构，如图3所示。缓冲吸能晶格结构采用的是从外到内的双因素梯度变化设计，即晶格结构壁厚从外到内的梯度变化，壁厚从1.5mm逐渐变化到2.5mm，从而实现在冲击碰撞发生时，外层薄壁部分(如图4所示的1)首先接触冲击波，率先快速发生变形，通过外层薄壁的大变形快速吸收冲击能量，阻止首次接触碰撞对头部造成伤害，待冲击能量降低后，冲击波从头盔内衬外延逐渐渗透到达头盔内衬内侧，即2处，随着TPMS晶格结构壁厚从1.5mm逐渐变化到2.5mm，结构对冲击能力的抵抗能力进一步加强，冲击波到达头盔内衬与头部接触的内层时，2.5mm壁厚的晶格结构进一步吸收冲击所产生的能量并且变形量逐渐降低，实现了从外向内逐渐增强的能量吸收能力，从而进一步降低对冲击能量对头部的伤害。
整个TPMS晶格结构3D打印头盔内衬结构采用76％的孔隙率(相对密度24％)，为缓冲吸能留出足够变形空间，同时，晶胞尺寸从外到内同样呈现梯度变化，变化因子从2逐渐变化到1，即外层的晶胞尺寸是内层晶胞尺寸的2倍，外层较大的晶胞可以最大限度的利用有效空间尺寸在冲击来临的第一时间率先做出反应并发生大变形吸收第一波的冲击能力，随着冲击能量向内层延申，晶胞尺寸逐渐变小，对头部的保护层逐渐变密，在进一步吸收冲击能力的同时，逐渐减小晶格结构的变形量，从而对头部起到保护的作用。
TPMS晶格结构头盔内衬结构为类波浪型曲面结构，如图5剖面图所示。TPMS晶格结构在面对冲击能力时，可以沿着受力方向，从外到内发生空间扭曲变形，这种类波浪形曲面结构可以很好的控制相邻晶胞之间进行协同形变，充分发挥空间优势，最大限度的吸收冲击能量。外层区属于第一冲击波能量吸收区，抵挡冲击来临时的瞬时能力，内层区属于第二波冲击能量缓冲区，大壁厚和小晶格的结构特点为头部和颈部提供扎实可靠的安全保护。
TPMS晶格结构头盔内衬结构采用不同分区实现对碰撞的动态反应，纵切面功能区剖面示意图如图6所示。当碰撞冲击力从头后部向前部伸延时，首选进入内衬结构的后部，依次进入后60mm切面、后45mm切面、后30mm切面、后15mm切面和中切面，晶格结构从分散、薄壁、大晶胞的晶格特点逐渐变化为集中、厚壁、小晶胞的晶格特点，晶格结构角度与冲击力方向呈一定角度，使得冲击瞬间的能量可以扩散到三维晶胞的各个方向，并逐层消散。
将所设计出的TPMS晶格结构头盔内衬模型切片并导入选择性激光烧结(SLS)打印机进行打印。打印原料采100μm级TPU粉末，打印参数为：激光速度为3500mm/s、激光功率25W、层厚为0.1mm，烧结温度为200℃。以上所述的打印参数和材料选择仅为本实施例中可采用的一种方案，实际应用时可根据情更改。
本实施例的新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构的制备方法，包括以下步骤：
1)使用三维建模软件建立该TPMS晶格结构头盔内衬结构的三维数字模型；
2)利用工业级3D打印装备，使用TPU粉末材料，采用选择性激光烧结(SLS)工艺进行模型切片处理及制备；
3)采用AMT化学蒸汽法对头盔内衬结构进行平滑处理，使内衬力学效果得到加强，表面粗糙度得到改善。
上述是对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，当然，所描述的内容不能完全覆盖本发明所有技术细节，基于此，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和本发明相关的技术描述、图例等都属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，其特征在于，使用TPMS晶格结构生成3D打印头盔内衬结构，通过控制壁厚变化因子，使得组成头盔内衬的每一个晶格的尺寸和壁厚随着设定梯度方向发生变化而呈线性规律；整体胞元尺寸与厚度均呈梯度变化，且整体分为内层表面和外层表面，且所述外层表面与内层表面之间允许由于冲击产生的滑移现象并允许能量随胞壁向内传递消散。
2.如权利要求1所述的一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，其特征在于，单个胞元在不设置变化因子时，其截面有4种吸能形态，分别为柳叶形态1、凸鼓形态1、柳叶形态2、凸鼓形态2，其中，柳叶形态1与柳叶形态2关于水平面y方向上对称，凸鼓形态1与凸鼓形态2关于水平面y方向上对称。
3.如权利要求1或2所述的一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，其特征在于，内衬结构中的基础TPMS晶格单元尺寸采用从外向内逐渐变小的梯度尺寸设计。
4.如权利要求1或2所述的一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，其特征在于，内衬结构中的基础TPMS晶格壁厚采用从外向内逐渐增大的梯度厚度设计。
5.如权利要求1或2所述的一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，其特征在于，所述内衬整体结构相对密度为0.24。
6.如权利要求1或2所述的一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，其特征在于，所述晶格单元在整体中进行偏置处理，同时加入变化因子控制厚度梯度，保证胞元尺寸从外层向内层均匀减小。
7.如权利要求1或2所述的一种新型TPMS晶格结构3D打印头盔内衬缓冲结构，其特征在于，外层胞元厚度到内层胞元厚度由变化因子控制，使其厚度尺寸从外层向内层均匀增加。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311635945.6A CN117652748A (zh) | 2023-12-01 | 2023-12-01 | 一种新型tpms晶格结构3d打印头盔内衬缓冲结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311635945.6A CN117652748A (zh) | 2023-12-01 | 2023-12-01 | 一种新型tpms晶格结构3d打印头盔内衬缓冲结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117652748A true CN117652748A (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=90078302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311635945.6A Pending CN117652748A (zh) | 2023-12-01 | 2023-12-01 | 一种新型tpms晶格结构3d打印头盔内衬缓冲结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117652748A (zh) |
-
2023
- 2023-12-01 CN CN202311635945.6A patent/CN117652748A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12017436B2 (en) | Energy-absorbing structure with defined multi-phasic crush properties | |
| CN1149024C (zh) | 头盔 | |
| US11684104B2 (en) | Helmets comprising additively-manufactured components | |
| CN103263108B (zh) | 一种具有新型缓冲结构的安全帽 | |
| CN103238973B (zh) | 一种具有新型缓冲减震结构的安全帽 | |
| US9814279B2 (en) | Integrally formed safety helmet structure | |
| KR20040014322A (ko) | 안전헬멧용 두부보호체와 이러한 두부보호체를 구비한안전헬멧 | |
| CN103238975B (zh) | 一种具有新型微结构外壳的安全头盔 | |
| CN205409842U (zh) | 一体成型安全头盔结构 | |
| CN112471638A (zh) | 一种减震式3d打印护膝 | |
| CN111227419A (zh) | 头盔内胆及其制造方法及头盔 | |
| CN103251162A (zh) | 一种具有新型微孔缓冲层结构的轻质安全头盔 | |
| CN117652748A (zh) | 一种新型tpms晶格结构3d打印头盔内衬缓冲结构 | |
| CN104527555B (zh) | 一种兼具多种吸能形式的碰撞吸能装置和用途 | |
| CN211833051U (zh) | 一种基于负泊松比元胞结构的头盔 | |
| CN201758840U (zh) | 一种安全帽 | |
| EP3363313A1 (en) | Helmet | |
| CN112976565A (zh) | 一种轻量化ot多孔结构防震运动头盔的制作方法 | |
| CN203040825U (zh) | 一种安全头盔内衬 | |
| US12035776B2 (en) | Protective helmet | |
| CN220369544U (zh) | 一种基于负泊松比结构的防护头盔 | |
| CN213154290U (zh) | 一种新型安全头盔 | |
| CN212325588U (zh) | 一种帽子 | |
| KR102536466B1 (ko) | 허니콤 헬멧 | |
| CN208403386U (zh) | 一种头盔大块碳纤预埋结构及头盔 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |