基于3D打印的全景可視頭盔設計

摘要：探索提高減少自行車交通事故的方法路徑，提出設計一款全景可視頭盔。分析自行車交通事故中頭盔暴露出的相關問題，結合現有技術及發展趨勢，對頭盔的功能、結構、材料等方面進行優化，添加圖像可視、光線跟蹤等。從3D打印技術出發，快速對可視頭盔進行設計制作，縮短開發周期，提高效率，在打印出實物模型的基礎上對產品加以改進，為自行車可視頭盔的研發提供一定的可行性和參考性。

關鍵詞：全景可視；頭盔設計；3D打印

0引言

3D打印技術又被稱為增材制造，是一種基于材料堆積法的高新制造技術。利用三維CAD數據，通過3D打印設備，將一層層的材料堆積成實體模型[1]。3D打印能夠將計算機設計出的物體直接打印出實物，大大降低了設計與制造的復雜度，減少成本，提高效率。本文采用3D打印技術快速將頭盔進行實體轉換，用于產品檢驗與論證[2]。

騎行過程中的摔倒會對頭部造成很大的損害，即使騎行者是以較低的車速沿著坡度平穩的自行車道騎行，也同樣不可忽視安全問題。佩戴騎行頭盔的原因很簡單也很重要——保護頭部，減少傷害。相關數據表明，在每年超過500例的騎車死亡事故中，有75%的死亡原因是頭部受到致命傷害造成的，多數情況是由于后方突發的意外事故[3]。

1、頭盔研究現狀

自行車被發明以來，就逐漸成為人們較好的代步、休閑工具，特別是自行車運動成為一項競技體育項目之后，人們對它更是喜愛有加。但是作為一項以速度決勝的運動項目，安全便成了一個重要的問題。自行車頭盔的出現不僅保障了騎車人的安全，而且也提高了賽車運動員的成績。

自行車頭盔的抗撞擊標準和扣帶的牢固力都是上世紀70年代中期由美國消費用品安全委員會（CPSC）提出的。這樣或那樣的項目參數是根據不同的機構而提出的，如SNELL基金會，美國國家標準局和美國檢測材料學會。那時，僅有一種輕型摩托車頭盔符合這一標準。但是，自行車運動員卻拒絕戴這種頭盔，因為這種頭盔又重且不透氣。

BeLL Biker公司首先研制出了符合CPSC標準的自行車頭盔，它是用ABS塑料做外殼，內裹聚苯乙烯泡沫制成的。后來更新的外殼材料PVC及價位較高的材料聚碳酸酯大大減少了頭盔的重量。

SPORTSCOPE頭盔推出了用6塊強度大、有柔韌性的尼龍網眼材料拼湊而成，各成一體的材料塊可依使用者的要求而變化。這種頭盔排除了對墊襯的需求，并可減少頭盔與頭顱之間的距離。

據美國公路安全保險研究的報告表明：美國1999年騎自行車死亡的人數有98%未戴頭盔，而在撞擊事故中戴頭盔的人使他們頭部受重傷的危險系數減少了85%?？梢?，設計一款減少安全事故的頭盔刻不容緩。

2、全景可視頭盔設計

2.1照明設計

照明采用充電式，內嵌在頭盔的兩側不會隨意掉落，燈光采用柔和式LED燈光更加亮更加節能環保。

2.2全景頭盔可視設計

鏡頭設計：欲采用汽車倒車攝像頭，具有廣角度的效果可以更加廣闊的看清后方的情況，車后的狀況更加直觀可視，對安全來說是非常實用的配置之一。采用紅外線廣角攝像裝置，可防水等優勢[4]。

曲片設計：曲面設計更貼近身體面部結構特征，擴大了余光的帶給前方視角的廣闊感，而且更加符合空氣動力學，減少因為速度太快而對實力上的障礙。

線路設計：線路自后方的攝像頭連接到前面的顯示屏上，采用內走線的方式，從模型內部穿過，不會因為頭部而造成的線路損壞等問題。更加安全結實可用。

2.3抵抗設計

采用全頭式覆蓋的方法，讓使用者的頭部不像原來的頭盔2/3的頭部暴露在外面，會有極大的危險，從而大大減少了外界對于頭部所構成的危險，更加能夠抵抗住外界對頭部的沖擊力度[5]。

2.4頭盔打印

將設計好的頭盔模型通過3D打印設備進行打印，完成從計算機CAD模型到實物的轉變，用來對頭盔開發的價值進行調查研究。本次打印采用桌面級3D打印機，導入STL數字模型文件，調整模型在打印框里的位置，實現產品打印。如圖1所示。

圖1 頭盔打印模型

3、結論

該頭盔設計主要針對自行車而進行的，將照明功能與后景前顯功能融于一體，更加增強了產品的安全性和創新性。燈光增加，燈光是一般頭盔所不具有的，大多數人會選擇佩戴頭燈，但有了帶有燈光的頭盔可以減少多余的佩戴，而且還提高了安全性。視角廣闊，騎行期間最重要的就是視角問題，在視角障礙的情況下不利于長距離的騎行，但視角一旦開廣，便無須擔憂。

參考文獻：

[1]張學軍，唐思熠，肇恒躍，郭紹慶，李能，孫兵兵，陳冰清. 3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J]. 材料工程，2016，44（02）：122-128.

[2]柳建，雷爭軍，顧海清，李林岐. 3D打印行業國內發展現狀[J]. 制造技術與機床，2015（03）：17-21+25.

[3]高源，劉越，程德文，王涌天. 頭盔顯示器發展綜述[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報，2016，28（06）：896-904.

[4]李華，張新，王超，史廣維，付強. 自由曲面機載頭盔顯示器光學系統設計[J]. 光學學報，2014，34（03）：222-227.

[5]唐良富，唐卡毅，張旻旻，王郡，唐榆凱. 摩托車防護頭盔發展現狀和展望分析[J]. 中國個體防護裝備，2011（01）：21-27.

作者簡介：

王鵬文，男，山西省晉中市，西京學院，助教，碩士，研究方向：產品設計、快速成型。