一种点阵结构头盔缓冲层制造技术

本发明专利技术公开了一种点阵结构头盔缓冲层，由外至内为外层、中层、内层，所述的外层、中层、内层通过增材制造技术制作而成，缓冲层的整体外形为半球面状结构；外层、中层、内层均由点阵晶格单元相互连接构成，点阵晶格单元为三维的内凹箭头结构，由顶点a、依次相邻的四个端点c、d、e、f以及内凹点b相互连接构成，其中，内凹点b位于顶点a以及四个端点c、d、e、f之间，四个端点c、d、e、f分别连接内凹点b以及顶点a，从而构成点阵晶格单元。本发明专利技术的点阵晶格单元结构具有负泊松比效应和具有与刺猬的刺般保护效果，能够在头盔受到撞击时发挥更有效的能量耗散性和抗冲击性，保护佩戴者的头部免受伤害，有效地提升了头盔的防护能力。提升了头盔的防护能力。提升了头盔的防护能力。

【技术实现步骤摘要】
一种点阵结构头盔缓冲层


[0001]本专利技术涉及缓冲减振结构领域，具体涉及一种点阵结构头盔缓冲层。

技术介绍

[0002]两轮车是人们短途出行的重要交通工具，在两轮交通工具的道路事故中，人的头部是最容易受到伤害的，两轮车骑车人的道路交通安全已经成为重大社会问题。在碰撞事故中头部损伤是导致骑车人重伤和死亡的主要原因，两轮车乘员头部受伤是大多数事故死亡的主要原因。目前，头盔是降低头部受伤风险的有效工具，头盔主要作用是耗散冲击过程中的碰撞能量，吸收碰撞过程中头部动能，缓冲碰撞过程。现代头盔通常包括硬质外壳、内衬(吸能缓冲层)、舒适衬垫、系带等基本结构。内衬层为头盔碰撞吸能的主要结构，目前主流材料为聚苯乙烯泡沫(EPS)泡沫，依靠泡沫的破裂吸收大部分碰撞能量。传统的EPS泡沫在低速冲击时虽然可以吸收大部分的能量，但在高速复杂工况下，其所形成的缓冲效果不能满足对头部防护的需要。
[0003]CN103251162A公开了一种具有新型微孔缓冲层结构的安全头盔的结构，包括头盔外壳、缓冲层、内衬和织物的四个部分。利用了仿生学的原理，该专利技术的缓冲层采用与核桃中层类似的多孔结构，并在各个孔壁上分布有连通孔。这样的设计使得缓冲层可以有效的分散冲击力，吸收冲击能量，减小冲击损伤。同时也可以减轻头盔的重量，提高了使用舒适度。内衬由一定厚度的密度较低且质地柔软的泡沫材料或者海绵构成，可以作为头盔外壳和缓冲层减震功能的补充。
[0004]CN112716089A公开了一种自适应晶格型3D打印头盔缓冲层及其制作方法，涉及缓冲减震结构
，包括内层桁架及外层桁架，所述外层桁架设置在所述内层桁架的外侧，并通过支撑单元进行连接，所述支撑单元的刚度小于所述外层桁架及其所述内层桁架的刚度，且所述内层桁架与所述外层桁架之间具有允许二者相对产生切向滑移的间隙；当缓冲层受到外界冲击时，外层桁架与内层桁架产生相对滑移，能够对切向力产生缓冲作用，从而降低切向力对人体颈部、脊椎造成损伤的风险；并且桁架结构的杆件产生拉伸变形，还能够对法向冲击力进行缓冲作用。
[0005]CN107635424A公开了一种种吸震结构，包括形成为拉伸主导中空单元结构的整体材料，和一种头盔，包括以这种结构作为内部抗冲击衬垫。
[0006]内衬层是头盔最主要的吸能缓冲结构，具有高度可设计性，其对头盔的冲击防护性能起到了至关重要的作用。在起初的研究中，采用力学性能更强的新型聚合物泡沫结构替代传统的EPS泡沫结构作为内衬层的材料结构，以增强头盔在多次撞击下的防护能力。然而，上述研究提出的新型聚合物泡沫头盔难以有效改善头盔的防护吸能能力，同时增大了头盔的质量，降低了头盔舒适性。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种点阵结构头盔缓冲层，兼顾防护性能以及轻量化的设计
要求，进一步提升头盔的防护能力。
[0008]为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种点阵结构头盔缓冲层，由外至内为外层、中层、内层，所述的外层、中层、内层通过增材制造技术整体制作连接而成，缓冲层的整体外形为半球面状结构；
[0010]外层、中层、内层均由点阵晶格单元相互连接构成，点阵晶格单元为三维的内凹箭头结构，其结构由顶点a、依次相邻的四个端点c、d、e、f以及内凹点b相互连接构成，其中，内凹点b位于顶点a以及四个端点c、d、e、f之间，四个端点c、d、e、f分别连接内凹点b以及顶点a，从而构成点阵晶格单元；
[0011]对于内层、中层、外层中同一层的点阵晶格单元，一个点阵晶格单元通过端点c与相邻点阵晶格单元的端点e相连接，通过端点d与相邻点阵晶格单元端点f相连接；
[0012]对于内层、中层、外层中相邻层的点阵晶格单元，在点阵结构头盔缓冲层半径方向，内层的点阵晶格单元通过顶点a与中层的点阵晶格单元的内凹点b连接，中层的点阵晶格单元通过顶点a与外层的点阵晶格单元的内凹点b连接。
[0013]进一步地，所述四个端点c、d、e、f与内凹点b以及顶点a之间的连接部分可采用半径为0.4mm的圆杆。
[0014]进一步地，所述缓冲层的材质为尼龙，打印原料选用尼龙12材料粉末。
[0015]一种点阵结构头盔缓冲层的制作方法，包括：
[0016]步骤1，构建球极坐标系和笛卡尔直角坐标系
[0017]设定一个原点O作为笛卡尔直角坐标系和球极坐标系的共同原点，该原点O将作为最终设计的半球面状点阵结构头盔缓冲层底部中心；其中，笛卡尔直角坐标系的X轴和Y轴均位于点阵结构头盔缓冲层底部所在平面且方向为沿点阵结构头盔缓冲层半径方向；笛卡尔直角坐标系的Z轴指向点阵结构头盔缓冲层顶部；
[0018]对于笛卡尔直角坐标系中的一点P(x,y,z)，球极坐标系的θ、分别为原点O与点P连线与正Z轴夹角、原点O与P点连线在XY平面上的投影与正X轴之间的夹角；r为原点O与P点连线的长度值；
[0019]点阵晶格单元的顶点a、四个端点c、d、e、f以及内凹点b将作为笛卡尔直角坐标系中的一点P(x,y,z)进行下面步骤的参数设计后，通过3D打印技术制备：
[0020]步骤2，设定点阵结构头盔缓冲层的最小内径r
min
和最大外径r
max
，其中，最小内径即为点阵结构头盔缓冲层的内层的内径，最大外径为外层的外径；
[0021]步骤3，设定内层、中层、外层中点阵晶格单元4的顶点a和内凹点b的半径差值、端点c和端点e的值差、端点d与端点f的θ值差；
[0022]步骤4，对于内层、中层、外层中同一层的点阵晶格单元，在θ为0
‑
90
°
的方向上，一个点阵晶格单元通过端点d与相邻点阵晶格单元的端点f相连接的方式连接；在为0
‑
360
°
的方向上，一个点阵晶格单元通过端点c与相邻点阵晶格单元端点e相连接的方式连接；
[0023]步骤5，对于内层、中层、外层中相邻层的点阵晶格单元，在点阵结构头盔缓冲层半径方向，内层的点阵晶格单元通过顶点a与中层的点阵晶格单元的内凹点b连接，中层的点阵晶格单元通过顶点a与外层的点阵晶格单元的内凹点b连接；
[0024]步骤6，将步骤2至步骤5的设定作为选择性激光烧结打印技术的打印参数，依次打印制备内层、中层、外层，从而形成点阵结构头盔缓冲层。
[0025]进一步地，点阵结构头盔缓冲层的最小内径r
min
和最大外径r
max
为116mm、158mm。
[0026]进一步地，所有单个晶格单元的端点a和端点b的半径差值为10.25mm，端点c与端点e的值之差为9
°
，端点d与端点f的θ值之差为4.5
°
。
[0027]一种头盔，包括点阵结构头盔缓冲层、系带、封环、内壳以及外壳；内壳的与外壳通过封环密封连接，点阵结构头盔缓冲层作为头盔内衬填充在内壳、外壳和封环的密闭空间中，系带与内壳连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种点阵结构头盔缓冲层，其特征在于，由外至内为外层、中层、内层，所述的外层、中层、内层通过增材制造技术整体制作连接而成，缓冲层的整体外形为半球面状结构；外层、中层、内层均由点阵晶格单元相互连接构成，点阵晶格单元为三维的内凹箭头结构，其结构由顶点a、依次相邻的四个端点c、d、e、f以及内凹点b相互连接构成，其中，内凹点b位于顶点a以及四个端点c、d、e、f之间，四个端点c、d、e、f分别连接内凹点b以及顶点a，从而构成点阵晶格单元；对于内层、中层、外层中同一层的点阵晶格单元，一个点阵晶格单元通过端点c与相邻点阵晶格单元的端点e相连接，通过端点d与相邻点阵晶格单元端点f相连接；对于内层、中层、外层中相邻层的点阵晶格单元，在点阵结构头盔缓冲层半径方向，内层的点阵晶格单元通过顶点a与中层的点阵晶格单元的内凹点b连接，中层的点阵晶格单元通过顶点a与外层的点阵晶格单元的内凹点b连接。2.根据权利要求1所述的点阵结构头盔缓冲层，其特征在于，所述四个端点c、d、e、f与内凹点b以及顶点a之间的连接部分可采用半径为0.4mm的圆杆。3.根据权利要求1所述的点阵结构头盔缓冲层，其特征在于，所述缓冲层的材质为尼龙，打印原料选用尼龙12材料粉末。4.一种点阵结构头盔缓冲层的制作方法，其特征在于，包括：步骤1，构建球极坐标系和笛卡尔直角坐标系设定一个原点O作为笛卡尔直角坐标系和球极坐标系的共同原点，该原点O将作为最终设计的半球面状点阵结构头盔缓冲层底部中心；其中，笛卡尔直角坐标系的X轴和Y轴均位于点阵结构头盔缓冲层底部所在平面且方向为沿点阵结构头盔缓冲层半径方向；笛卡尔直角坐标系的Z轴指向点阵结构头盔缓冲层顶部；对于笛卡尔直角坐标系中的一点P(x,y,z)，球极坐标系的θ、分别为原点O与点P连线与正Z轴夹角、原点O与P点连线在XY平面上的投影与正X轴之间的夹角；r为原点O与P点连线的长度值；点阵晶格单元的顶点a、四个端点c、d、e、f以及内凹点b将作为笛卡尔直角坐标系中的一点P(x,y,z)进行下面步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈则尧，李俊豪，吴柏生，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：