陳盛貴，薛晨昊，李 楠,3，林財昌，張杰倫，烏日開西·艾依提※

（1.廣州番禺職業(yè)技術學院藝術設計學院，廣州 511483；2.新疆大學機械工程學院，烏魯木齊 830046；3.東莞理工學院教育學院（師范學院），廣東東莞 523808）

0 引言

頭盔廣泛應用于有頭部撞擊危險和傷害危險的運動。運動頭盔由殼體、緩沖層、舒適襯墊、佩戴裝置等組成，是用來吸收撞擊能量、減少佩戴者頭部意外傷害的防具[1-4]。在運動過程中佩戴頭盔已被證明是一種非常有效保護措施，可以預防特定的頭部損傷風險，特別是中度到嚴重的頭部損傷，因此頭盔在頭部損傷的預防和控制中具有重要的作用[5-8]。

傳統(tǒng)運動頭盔的殼體厚度較薄，剛性好，由丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）材料制成；緩沖層則由聚苯乙烯（EPS）泡沫制成。聚苯乙烯泡沫（EPS）緩沖層的壓縮是永久的，所以受到大力沖擊后的頭盔必須丟棄，因為它們不能再給頭部提供足夠的保護[9-10]。另一方面，適當的頭盔配戴也很重要（頭盔佩戴不當可能無法提供設計時的安全保障[11]）。在這種背景下基于多學科融合、多功能需求優(yōu)化設計的新一代運動頭盔的安全防護性能、舒適性及氣動性能提升巨大，并呈現(xiàn)個性化、輕量化的發(fā)展趨勢。

而基于多學科融合、多功能需求優(yōu)化設計的運動頭盔其結構方面呈現(xiàn)有腔、多孔等復雜結構，從而使其制造理論和技術成為研究熱點之一。運動頭盔制造技術包括澆注工藝、CNC 加工技術、3D 打印和混合加工等工藝。使用澆鑄工藝進行生產時，工程師會花費較多的時間在制造單個零件然后組裝部件上，這一過程消耗了大量的材料和時間。除此之外，在生產過程中，一旦部件模型稍有損壞，整個模型都需要重新制作。除了澆鑄工藝，也會使用CNC 技術來制作原型。然而，由于工藝上的限制，對于復雜原型的加工難度增加且效率低下。例如，由于受限于銑削工藝，頭盔的空心結構難以使用CNC 技術切割出來，因此，如果想使用CNC 技術制作一個完整的模型，不僅難度大，制作成本也較為昂貴。2014年，Burton Precision Co Inc.采用3D 打印工藝制造的運動頭盔被首次運用到賽場中[12]，一定程度上引起了國內外學者對運動頭盔3D 打印制造工藝的關注。

3D 打印是指利用打印頭、噴嘴或其他打印技術，通過材料堆積的方式來制造零件或實物的工藝。目前，可用于運動頭盔制造技術的3D 打印工藝包括熔融沉積成型（Fused deposition modelling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結（Selective laser sintering，SLS）和多射流熔融成型（Multijet Fusion，MJF）等技術。運動頭盔的3D 打印制造技術避免了材料的浪費、簡化了制造步驟，實現(xiàn)了個性化、輕量化運動頭盔的制造。未來，隨著3D 打印工藝的不斷發(fā)展，個性化、輕量化運動頭盔的一體化增材制造成為可能。

本文盡可能全面地綜述了國內外運動頭盔的的發(fā)展現(xiàn)狀，然后針對運動頭盔個性化、輕量化的發(fā)展趨勢，介紹了適用于運動頭盔的3D 打印技術。列舉了國內外較有代表性3D打印個性化、輕量化運動頭盔，并在此基礎上，分析了3D打印工藝在個性化、輕量化運動頭盔生產領域中的現(xiàn)存問題與未來發(fā)展趨勢。

1 運動頭盔的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)運動頭盔的結構與材料

傳統(tǒng)運動頭盔的結構及其材料相對固定。從外觀結構來講，如圖1（a）所示，運動頭盔主要分全盔、3∕4盔和半盔3 種。從安全性角度來講的話，全盔的防護效果最好，可以保護頭部所有位置，包括下巴，缺點是透氣性不好；3∕4 盔保護了頭部的3∕4，兼顧防護性和透氣性；半盔佩戴方便，但只能防護頭頂區(qū)域，防護性有欠缺。從功能結構上來講，如圖1（b）所示，一般包括殼體、緩沖層、內襯層、護顎、系帶、護目鏡等。材料方面，殼體是頭盔的最外層，在撞擊時承受和分散沖擊，所以外殼材料的選用非常重要；緩沖層在遇到大力沖擊時起到緩沖效果，通常選用能吸收碰撞能量、無毒、無害、吸汗、透氣的材料制成。表1所示為目前運動頭盔主要組成部件、材料及其特點。

圖1 傳統(tǒng)運動頭盔的主要結構

表1 傳統(tǒng)運動頭盔主要組成部件、材料及其特點

1.2 運動頭盔的結構優(yōu)化

從頭盔被運用于比賽中以保護運動員的安全開始，針對運動頭盔的性能進行結構優(yōu)化就成為研究熱點之一。運動頭盔的主要性能包括頭盔吸收碰撞能量性能、頭盔質量以及氣動性能。頭盔吸收碰撞能量性能是衡量頭盔安全性能的重要指標，一般以頭盔重心加速度或顱腦加速度、應力的峰值及其作用時間作為表征參數。頭盔的質量是影響舒適性的重要因素之一。頭盔氣動性能是描述運動員在高速行駛環(huán)境中因殼體造型而受到的風阻大小參數，氣動性越好說明高速行駛收到的風阻越小。以下內容將分別從運動頭盔的主要功能結構部件出發(fā)，介紹基于多學科融合、多功能需求優(yōu)化設計的新一代運動頭盔以安全防護性能、舒適性及氣動性能的特點和經典案列。

針對頭盔殼體的性能優(yōu)化主要是氣動性能以及吸收碰撞能量性能。關于殼體氣動性結構優(yōu)化方面，主要以基于風洞試驗對殼體的造型結構特征的優(yōu)化為主，同時針對個性化的運動姿態(tài)（如騎行過程中運動員的前傾程度）對殼體外觀的氣動性改善也是近年來的研究熱點之一。在殼體吸收碰撞能量性能的結構優(yōu)化方面，以通過研究自然界中的仿生結構引入殼體的設計來提高抗沖擊性能進而間接改善吸收碰撞能量性能。Underwood等[13]分析了頭盔孔的構型、分布及佩戴頭盔的前傾姿態(tài)等對空氣動力阻力的影響，如圖2（a）所示，這項研究的結果表明，前傾姿態(tài)的不同對頭盔氣動性存在影響，為了減小循環(huán)過程中的氣動阻力，相比于殼體表面大面積開孔，更重要的是要確保氣流呈流線型，減少了額部受力面積。華南農業(yè)大學的郭涵[14]基于計算機流體力學對頭盔殼體結構做了氣動性優(yōu)化，如圖2（b）所示，通過搭建數值風洞并驗證其準確性后，對常見的頭盔殼體模型氣動性能進行數值計算，分析造型特征與低風阻性能的關聯(lián)性，篩選出可能的有利特征并分別進行初次及二次改進設計，形成滿足低風阻性能要求的殼體優(yōu)化設計。南京航天航空大學的韓鋮[15]基于計算機圖像輪廓處理技術，對螳螂蝦附足幾何形態(tài)進行提取，如圖2（c）所示，設計出一種螳螂蝦附足形態(tài)仿生構型殼體，通過有限元和落錘沖擊測試發(fā)現(xiàn)該仿生結構具有受的臨界沖擊能量最大，且比沖擊能量最大，抗沖擊性能最優(yōu)等特點。盔緩沖層的結構優(yōu)化目前是以引入點陣結構填充來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的EPS泡沫多孔結構來減輕質量和提高吸收碰撞能量性能為主。點陣結構是通過互相連接的支架或平面組成的多孔結構，如圖2（d）所示，點陣結構能提高零件的強度和剛度等機械性能，同時降低密度，從而提高抗沖擊韌性的機械性能、減輕質量。同時，由于適當的頭盔配戴也很重要（頭盔佩戴不當可能無法提供設計時的安全保障[11]），因此基于逆向工程技術對個性化頭部數據進行緩沖層設計，在碰撞過程減少因不適當的頭盔配戴而對頭顱造成的二次傷害，也可以提高吸收碰撞能量性能。S Farajzadeh Khosroshahi 等[16]基于生物力學與有限元技術相結合驗證了點陣結構用于頭盔緩沖層的可行性，如圖2（e）所示，與帶有傳統(tǒng)EPS 襯里的頭盔相比，使用點陣結構緩沖層質量更輕且具有顯著降低頭部損傷的風險，并且有可能被視為頭盔吸收能量的新一代。Pengwen Wang 等[17]基于逆向工程技術設計出貼合個性化頭部數據的緩沖層內襯，如圖2（f）所示，通過3D 掃描儀收集頭部點云數據并導入逆向工程軟件對緩沖層內表面重建和頭部數據表面擬合的方式進行頭盔的正向設計，以提高緩沖層內表面貼合性、改善佩戴舒適性的方式間接改善了吸收碰撞能量性能。

圖2 運動頭盔的結構優(yōu)化

1.3 運動頭盔的發(fā)展趨勢

運動頭盔作為運動護具的核心裝備，經過安全防護性能的提升、舒適性的改善、氣動性能的不斷優(yōu)化的新一代運動頭盔具有個性化、輕量化的發(fā)展趨勢[18]。

個性化是運動頭盔未來發(fā)展的明顯趨勢之一，現(xiàn)有的個性化已經應用于頭盔的外觀結構個性化設計與功能結構個性化設計，如用戶個性化定制的頭盔外觀、顏色、基于個性化頭部數據設計的緩沖層內表面及其襯墊、基于個性化運動姿態(tài)所設計的氣動性外殼等。未來針對于特定運動特性的個性化設計防具將會成為該領域的研究熱點。

輕量化這一概念最先起源于賽車運動，后來應用于速度相關運動防具設計中。運動頭盔的輕量化設計目的是在確保穩(wěn)定提升性能的基礎上，結合生物力學分析、多孔結構緩沖層的設計、使用更輕的材料等減輕頭盔質量，提高頭盔的安全性能。未來基于多學科融合的拓撲優(yōu)化技術將會使運動頭盔在性能提升的同時獲得更輕的質量。

2 增材制造技術

2.1 熔融沉積成型

熔融沉積成形是一種較為經濟且應用廣泛的3D 打印技術。如圖3所示[19]，絲材通過擠壓機構被連續(xù)輸送至噴嘴內并加熱，然后熔融的材料從噴嘴擠出沉積，冷卻固化成型。按照設計好的三維模型，層層堆疊成型。

圖3 FDM 打印原理示意圖

便于可靠擠出、快速加熱熔化-冷卻固化成型的打印絲材是熔融沉積成形技術應用于運動頭盔制造領域的關鍵。目前，與運動頭盔相關，較為成熟的FDM 軟質打印絲材主要為聚乳酸（PLA）、碳纖維（Carbon Fiber）、聚氨酯（Polyurethane，TPU）材料等。Audenino 等[20]基于FDM 技術，采用PLA 絲材制備了仿生結構（甲蟲結構）的頭盔殼體和蜂窩點陣結構的緩沖層，具有輕質、抗沖擊性能好等特點。但是，在FDM 中，熔融細絲層層堆積，通常層間結合界面的纏結網絡和晶體密度均低于絲材本體，從而引入薄弱結構和空隙，進而影響了其拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、沖擊性能等與運動頭盔密切相關的性能。因此在現(xiàn)有的FDM 打印技術上，通過打印絲材的改性以提高其機械性能至關重要，從而使得FDM 技術在運動頭盔領域內更加適用。

2.2 選擇性激光燒結成型

如圖4所示，選擇性激光燒結技術采用紅外激光器作為發(fā)射能源，激光束在計算機控制下根據分層截面信息進行有選擇地燒結，將相鄰粉末熔融，照射停止后冷卻固化成預設成型面，層層燒結得到預設零件。

圖4 SLS 打印原理示意圖

與FDM 打印加熱融化-冷卻固化的成型模式類似，目前，適用于SLS 打印運動頭盔的材料主要為熱塑性聚氨酯粉末（TPU）、聚酰胺俗粉末（Nylon）。北京工業(yè)大學王阜超等[21]基于SLS 技術，采用PA2200 粉末材料打印了具有多層極小曲面點陣結構的緩沖層。SLS 技術打印工藝操作簡單，打印成功率高，材料利用率高。每一層未燒結粉末材料可以回收再利用，但對于運動頭盔中緩沖層這類多孔結構打印時存在致密度低，表面粗糙度較大，力學性能不足等缺點。因此避免燒結缺陷，提高相應的熱塑性材料粉末成形性能是推進SLS 技術在運動頭盔制造領域應用的關鍵點。

2.3 多射流熔融成型

如圖5所示，多射流熔融成型（MJF）技術其原理是是先鋪一層粉末，然后噴射熔劑，與此同時還會噴射一種精細劑，以保證打印對象邊緣的精細度，然后再在上面施加一次熱源，這一層就算完成了。以此類推，直到3D對象完成[22-23]。

圖5 多射流熔融成型（MJF）技術其原理

目前MJF 工藝采用的材料基本為尼龍（PA）系列材料。Kupol 公司[24]利用3D 打印技術進行了頭盔的設計革新。通過PA12 材料和惠普的MJF 3D 打印設備來制造具有上百個微孔，形成了透氣網絡的頭盔，這使頭盔具有良好的透氣性。多射流熔融成型技術成型精度高、打印速度較快，可以達到個性化運動頭盔快速成型的目的。但因設備較為昂貴，雖然節(jié)省了工作流程并提高了打印速度和精度，卻并未降低生產成本。因此對打印材料的擴展與改進以及成本的降低，是推進MJF 技術在運動頭盔領域內的應用的關健因素。

2.4 3D 打印技術對比分析

當前，3D 打印運動頭盔主要采用熱塑性材料制造，運動頭盔的設計結構、尺寸、力學特性等因素對打印技術和裝備提出了較高要求。就主流的運動頭盔3D打印技術的特點而言，F(xiàn)DM 技術雖然成本低、普及率高，但其分辨率與速度相互權衡，在精度和速度方面不如其他打印技術[25-26]?；跓崴苄苑勰┎牧系腟LS 打印是目前在運動頭盔領域中應用最為廣泛的打印技術。但是，SLS打印的粉末燒結缺陷與去除一直影響其成型精度。MJF技術作為新一代3D 打印技術具有成型精度高、打印速度較快，但設備成本昂貴。

3 3D 打印運動頭盔中的應用

3.1 3D打印個性化運動頭盔

個性化運動頭盔其佩戴舒適性、氣動性能等性能與用戶的功能需求高度一致。這就導致了使用模具注塑的傳統(tǒng)方式制造成本過高。隨著新一代信息技術和先進制造技術的發(fā)展，大規(guī)模個性化生產將逐漸取代大規(guī)模定制化生產。3D 打印技術對數字化模型的改變適應性極高，成為個性化運動頭盔主要的制造技術。

如圖6所示，Audenino 等[20]基于FDM 打印技術實現(xiàn)了基于用戶頭部數據的個性化運動頭盔制造，頭盔的材料為PLA，其緩沖層的設計是使用3D 掃描儀獲得頭部數據，在Grasshopper 軟件成功設計出貼合頭部數據的蜂窩點陣緩沖層。另一方面，個性化3D打印運動頭盔在商業(yè)領域也取得了成功。HEXR 是一家提供個性化3D 打印運動頭盔服務的公司，HEXR 的客戶只需在線上提供自己的頭部數據，隨后HEXR 工程師基于這些數據來設計個性化點陣結構緩沖層，并借助于SLS 技術完成對產品的制作，將產品送至客戶手中[27]。

圖6 個性化3D打印運動頭盔

當前，基于個性化運動頭盔的3D打印技術實現(xiàn)已經得到驗證。3D 打印技術雖然在個性化定制上具有明顯優(yōu)勢，但其制造精度、加工速度上還遠不能滿足運動裝備制造批量化的目標。為實現(xiàn)運動頭盔的大規(guī)模個性化生產，研制生產效率更高的3D打印機和更科學的生產模式將成為未來的研究重點。除此之外，基于深度用戶場景個性化的數據采集、處理、快速轉化為產品設計也是未來所研究的重點。對于逆向工程技術相關的軟硬件一體化設備開發(fā)能夠加快3D 打印技術在運動頭盔領域內的應用。

3.2 3D打印輕量化運動頭盔

緩沖層是運動頭盔吸收碰撞能量的主要功能部件。輕量化運動頭盔在確保穩(wěn)定提升緩沖碰撞能量性能的基礎上，呈現(xiàn)多級點陣結構填充、仿生外觀結構、規(guī)則∕不規(guī)則多孔結構設計等。在制造方面，得益于3D 打印技術在實現(xiàn)結構復雜方面的優(yōu)勢，3D 打印技術是輕量化運動頭盔現(xiàn)在和未來的理想制造方案之一。

Kupul 公司在輕量化運動頭盔的設計中創(chuàng)建了Kollide 安全系統(tǒng)，并通過SLS 技術成功打印成品。如圖7（a）所示，它有3 層夾心式結構。外殼層將與軟動力保險杠一起吸收，它將在到達3D 中間孔徑之前吸收沖擊力。孔有透氣通風口，它有一個控制可折疊結構在嚴重沖擊[28]。李楠等[29]基于SLS 打印，用TPU 材料打印出具有周期重復性的規(guī)則點陣結構緩沖層，裝備該緩沖層的雪車運動頭盔其質量減少了1∕3，并通過了通過GB 和ECE 認證，達到國際雪聯(lián)規(guī)定的賽事頭盔要求，如圖7（b）所示。周岳峰等[30]使用3D 打印技術制作出一種仿生結構頭盔，如圖7（c）所示，該頭盔殼體使用增強的碳纖維材料，殼體則有不規(guī)則的泰森多邊形（Voronnoi）結構構成，受碰撞時的沖擊力分布較好。Redell 是一家頭盔制造商，如圖7（d）所示，在為NFL 球員提供的SLS 打印的頭盔襯墊中，通過有限元模擬軟件進行優(yōu)化點陣優(yōu)化，使用了7 種不同的點陣結構，以實現(xiàn)最大的沖擊能量吸收[28]。

圖7 輕量化3D打印運動頭盔

當前，受益于3D 打印技術的發(fā)展，以多級點陣結構填充、仿生外觀結構、規(guī)則∕不規(guī)則多孔結構設計的運動頭盔殼體、緩沖層的輕量化運動頭盔制造得以實現(xiàn)。然而增材制造技術在制備這些高密度、多孔復雜結構時也有其不足與限制。從加工過程角度，制備過程中需要支撐物來散熱和避免懸垂表面坍塌、制備完成后未熔化的粉末的移除、后處理是采用增材制造所需考慮的限制。未來，對于3D打印制備多孔結構工藝的改進（支撐的擺放、去除、結構優(yōu)化至關重要）、打印精度與效率的兼顧提高是3D打印輕量化運動頭盔的研究熱點。

3.3 3D打印運動頭盔總結

隨著3D 打印工藝的不斷發(fā)展，運動頭盔殼體、緩沖層的3D 打印制造技術日趨成熟，在3D 打印個性化、輕量化頭盔領域內得到了廣泛應用。表2所示為目前3D打印技術在運動頭盔制造領域的可用材料、特點和應用實例。

表2 3D打印技術在個性化、輕量化運動頭盔制造領域的可用材料、特點和應用實例

4 技術發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

相較于傳統(tǒng)制造工藝，雖然增材制造技術對運動頭盔的個性化、輕量化發(fā)展趨勢具有良好的順應性。但在當前，對運動頭盔的個性化、輕量化研究主要集中在殼體和緩沖層的結構優(yōu)化。因此，國內外研究人員對個性化、輕量化設計的殼體和緩沖層3D 打印實現(xiàn)研究較多，且在打印方式上更趨向于殼體與緩沖層單獨打印成型，最后通過卡扣、粘接等方式固定殼體與緩沖層的相對位置，完成運動頭盔的3D打印。使用這種工藝的主要原因是殼體與緩沖層的功能需求不一導致同一種材料打印可能會降低頭盔的主要性能。此外緩沖層的結構呈現(xiàn)高密度多孔狀，若將殼體與緩沖層一體打印成型且滿足一定成型精度，則在打印過程中緩沖層的支撐或其中的燒結粉末將難以去除，加大了3D 打印運動頭盔的后處理難度。但這種處理方式也降低了殼體與緩沖層的連接強度，間接影響頭盔性能。未來，對于個性化、輕量化運動頭盔殼體、緩沖層一體化設計與制造將成為該領域的研究熱點之一，而3D打印技術是實現(xiàn)個性化、輕量化運動頭盔一體化制造的核心技術。

個性化、輕量化運動頭盔的一體化3D打印需要將殼體、緩沖層作為一個連續(xù)體打印。對于高密度多孔（點陣）結構的制備方法改進是實現(xiàn)殼體、緩沖層一體化3D打印的關健。如在FDM 工藝中，選擇可溶性材料作運動頭盔的支撐材料，可以實現(xiàn)較高精度的殼體、緩沖層一體化制造。

此外，多材料3D打印設備的開發(fā)也是實現(xiàn)運動頭盔一體化3D 打印的關健點之一。多材料3D 打印意味著可以針對殼體與緩沖層的功能需求不同選擇合適的材料。目前運動頭盔適用的增材材料主要為熱塑性材料，多種熱塑性材料的一體化打印對溫度環(huán)境變化提出了較高的要求。因此，對于多材料3D打印工藝改進也是該領域內的研究熱點之一。

5 結束語

本文綜述了運動頭盔的發(fā)展和近期的探索。具體來說，介紹了傳統(tǒng)運動頭盔的結構和材料，闡述了多學科多目標耦合優(yōu)化設計在個性化輕量化運動頭盔中的應用，包括基于空氣動力學運動頭盔外殼設計、點陣結構與生物力學協(xié)同優(yōu)化設計的緩沖層、逆向工程技術設計的緩沖層內襯等，并討論了未來運動頭盔的個性化輕量化發(fā)展趨勢。隨后總結了現(xiàn)有適用于運動頭盔生產制造的增材制造工藝，包括FDM、SLS 和MJF 及其適用材料并從打印精度、打印速度、打印質量、打印成本等方面對比其優(yōu)缺點。最后結合國內外3D打印技術在個性化輕量化運動頭盔設計與制造中的經典案列，總結了增材制造技術在3D打印技術個性化與輕量化運動頭盔領域內的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)。為個性化輕量化運動頭盔設計和制造的未來研究方向提供了見解。