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一份优雅的保护 ——访“基于3D打印的溃缩式吸能头盔”团队

作者:学生记者 董晓飞 来源:北京工大报 时间:2019-03-21
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在不久前落幕的第二届激光文化创意产品设计大赛中,有这么一件简洁却不简单,实用却不失美观的作品,以其独特的创意、精湛的技术细节,征服了现场评委,荣获全场唯一的一等奖,这便是北京工业大学激光学院研究生施承坤、刘宇飞、柯华、崔哲同学的作品——溃缩式吸能头盔。

一个年轻又成熟的团队

在陈继民教授和曾勇博士的指导下,激光学院的研一新生施承坤、刘宇飞等四位同学共同完成了溃缩式吸能头盔项目。这是一个年轻的团队,四位同学都是研一新生,这又是一个成熟的团队,在项目实施过程中,团队成员分工明确,各司其职,高度和谐,显示出了极强的协作能力。

施承坤同学负责整个项目的工作开展和各个模块的统筹规划,刘宇飞同学负责建模和软件模拟的工作,结构的优化以及测试力学工作则是由柯华和崔哲同学负责。陈继民教授与曾勇博士则是在整个作品的结构整体层面上作出指导,以确保整个作品往更好的方向发展。在立项初期,如何选择头盔的结构,让大伙有些焦头烂额,传统的密排6方以及面心立方结构在最初的测试阶段便暴露了不少的缺点,无法达到项目总体的质量要求。就当整个团队的思路都被束缚,项目看似无法推进时,指导老师在头盔结构设计上点出了一条思路——一层结构无法实现,复合结构也许可以。这条想法最终支撑起了整个作品的设计,成为作品最大的创新之处,在比赛现场更是惊艳四座。

整个团队高效、和谐的工作模式,四位同学凭借自身专业的沉淀、对项目的热情和对技术细节的追求,在两位导师如黑夜明灯般的指导和关注下,最终成就了这件优秀的作品。

一件传统又创新的作品

头盔是保护头部的一种常见防具,其设计与制作是为了防止发生事故时头部因碰撞受到的伤害,从而降低头部受伤导致的伤亡率,广泛地应用于赛车手、滑雪运动员、摩托车爱好者等职业领域。一般的头盔使用一层结构来实现两种功能,即防护与吸能,这样的头盔通常来说无法兼顾好两种功能,实用性较差。而多层结构的头盔内部构造则过于复杂,一般工艺成品率太低,所以难以投入实际生产。但这件作品保留了传统头盔的外形,在保证舒适性的同时,在内衬结构上面,凝聚了设计者极大的心思,创新性地采用两层结构来分别承担防护和吸能两个功能。

为了得到更好的点阵结构,团队首先用建模软件设计出具有满足头盔内衬力学性能要求的点阵结构,利用有限元分析软件,分析点阵结构的力学性能,通过优化得到合适的点阵结构。

在选定了合适的点阵结构后,新的问题又出现了,使用传统的聚丙烯塑料发泡材料、聚苯乙烯泡沫材料制造优化后的点阵结构,其力学测试以及有限元分析后的结果并不理想,与团队预期的结果有很大差距。之后团队也逐渐意识到传统材料由于其抗压强度低、易破碎等缺点,在受到强烈碰撞的过程中并不能对头部起到很好的保护作用,根本满足不了项目要求。

从未预想过的材料问题在一时之间让团队十分沮丧,这个时候,统筹负责整个项目的施承坤同学一方面积极试验其他材料,一方面为整个团队加油鼓气,注入信心。最终材料问题也顺利地解决了。团队创新性地使用尼龙材料代替传统的材料。这一举措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,改善头盔的性能和外观设计,使头盔更加舒适,更加安全,具有广阔的应用前景。

解决了最为复杂的结构设计、材料选择的问题,团队开始着手3D打印成品。团队采用了选区激光烧结技术制造了具有点阵结构的头盔内衬。这种周期性重复的结构,在受到外力碰撞的过程中,会对受力时产生的能量进行有效的衰减,可以有效地改善头盔的力学性能以及抗压能力。

可是在实际的打印过程中,大家才发现,打印出的头盔总是呈现不出理想的状态,无论是点阵结构和吸能能力,都跟预测的有不少差距。在多次确定实验步骤无误后,团队遇到了最大瓶颈:步骤与实验数据都是实打实的,然而结果却无法匹配。正当大家一筹莫展之时,指导老师一眼便看出了问题所在——工艺参数没有优化好,导致成品过程有误差。于是在导师的指导下,团队重新配置了工艺参数,果然,打印出来的头盔与预想的一模一样,完美无缺。

最终经测试,这个头盔大致可以拥有比传统头盔强约20多倍的保护效果。

一段艰难又顺利的历程

整个项目从最开始的开题设项,到中间的瓶颈期,再到最后的结题参赛,总共耗费了8个多月的时间,在此期间,出于对头盔体验与功能性的严格要求,团队在建模环节、测试环节以及材料抉择环节都面临过不少的困难,最困难的便是头盔结构设计这一环节,选取什么样的结构组合能使头盔的抗撞能力达到最强,选取什么样的结构组合能够兼顾舒适性和功能性,团队在这方面做了无数的摸索,做了无数的模拟分析,最终才选取了体心立方和极小曲面的复合结构。

诸如此类的困难还有很多,例如材料选择中传统材料的成品打印问题,工艺参数的优化问题,而解决困难的方法在这群认真的小伙子眼里就只有一个,那就是不断地模拟分析,不断地测试,不断地比对数据,让数据选择最好的方案。

尽管整个过程艰辛无比,困难重重,但遇见困难和瓶颈的时候,整个团队并没有因为分歧而耽误项目的进展,而是把问题提出来,每个人各抒己见,之后一致协商,选出最好的解决方案,而且两位导师在出现问题的时候,也能及时给予启发和鼓励,使整个项目的进行展现出了极高的效率,作品的完成过程虽有不少的波折,却意外的顺利。

一场痛苦又快乐的比赛

虽然团队的每个人在大学期间都有过参加比赛的经历,但这次参加如此专业性的大赛,四个人在出发前还是有些紧张。意外的是,一投入比赛,大家的心忽地就定了下来,不仅是对自己作品的自信,更多的是想全心全意地展示自己的成果。

团队严谨认真的态度在大赛中淋漓尽致地体现出来,无论是大赛展示的排练还是作品的演示,四个人都不厌其烦地一遍遍规划、排演、实施,没有丝毫的松懈。甚至到了决赛的前一天,四个人觉得演示PPT效果不是很好,便毅然决然地熬夜重做了一份PPT,这一版的PPT完全颠覆了之前的版本,最终也达到了大家的预期效果。

谈起参加比赛的目的,四个人坦言一开始都是抱着重在参与,锻炼一下的想法,但真正到了赛场上,面对300多个知名大学的专业教授,面对来自全国各地同样优秀的团队以及他们的作品,四个人在感到异常兴奋的同时,也开始心无旁骛地投入到比赛当中。大赛过后,这种兴奋也没有泄下,四个人都感到本次大赛带给了他们非常大的收获。

想起初次展示作品时紧张和激动的模样,施承坤感慨到“不论做什么事,都要勇敢迈出第一步,只有这样,才有可能成功。”回想起与他们一同参赛的那么多优秀作品,刘宇飞也深受启发,说道:“作品的结构还有进一步的上升空间,可以更加的轻。”聊到那天熬夜制作PPT的事,本该是一段不愉快的回忆,四个人却不约而同的相视而笑,施承坤笑着说:“那件事让我明白了,出现问题永远不是该考虑的,因为没有什么事是一帆风顺的,该考虑的永远是如何解决问题。”

比赛归来,四个人又立马投入到了紧张的科研工作,溃缩式吸能头盔的优化也还在继续,整个团队接下来的目的也十分明确,首先头盔这件作品还有继续轻量化的可能,所以他们下一步的目标便是结合自己所学激光技术和3D打印技术,继续在结构和材料两方面深入,在做到足够轻量化之后,将头盔的保护性能进一步提升,之后也有投入市场的打算。

经历过这么一次收获颇丰的比赛之后,四个人都表示打算参加更多有意义的比赛,与更加优秀的团队同台竞技,提升自己的专业技能,拓宽自己的专业视野,争取开发出更加优秀的作品。




编辑:冯浩
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