3D雪花,、定制頭盔,、火炬…北京冬奧會中的3D打印黑科技

導讀：昨天南極熊發(fā)布了3D打印冬奧會火炬的報道,，引發(fā)了大量的關(guān)注,。其實，除了3D打印火炬之外,，3D掃描/3D打印在冬奧會的其他方面也發(fā)揮了不小的作用,，本文我們來匯總一下北京冬奧會中的3D打印黑科技。


△國家體育場冬奧會主火炬采用金屬3D打印技術(shù)研發(fā),，圖源：CCTV

01
冬奧花壇里的3D雪花,，是用城市固廢3D打印的

在長安街沿線的冬奧主題花壇里，就蘊含著一項3D打印黑科技,，這是一座高9.1米的大花壇,，主景是冬奧會和冬殘奧會會徽。散落地上的藍白兩色“雪花”格外惹眼,。


“這些‘雪花’的原料是城市固廢,，經(jīng)過多道復雜工序后，通過3D打印技術(shù)制作出來,�,！毖┗ǖ袼艿某銎贩健⒅刑即禾铮ū本�）能源科技有限公司董事長賈長春說,。

一朵朵“雪花”承載著現(xiàn)代科技與零碳環(huán)保理念,。

為了助力“零碳”冬奧，中碳春田研發(fā)制作了園林小品,，把無用的垃圾變成輕盈美麗的“雪花”,。其使用的3D打印固廢技術(shù)，具有省模板,、省材料,、省人工、省垃圾外運的優(yōu)勢,。

最大的一片雪花直徑達1.7米,，在設(shè)計、打印中要考慮厚度,、寬度,、仿實和堅固性，還要考慮3D打印出來的產(chǎn)品能夠承載暗藏管線和加強筋,。

據(jù)悉,，長安街沿線花壇的展示結(jié)束后,，“雪花”將被回收，循環(huán)利用,。

02
3D掃描-設(shè)計-3D打印,，為國家雪車隊運動員定制頭盔

在國家體育總局的組織下，東莞理工學院3D打印與智能制造研究中心（李楠副教授團隊）攜手思看科技,，綜合3D掃描-設(shè)計-3D打印技術(shù),，參與國家雪車隊運動員頭盔裝備定制研究項目。

△直擊雪車賽事

雪車的平均時速在100公里左右,，最高可達160公里,，素來有冰上F1之稱。其風馳電掣般的競速過程,，能給人帶來無比刺激的感官享受,，是雪車比賽的最大看點。在如此高速的狀態(tài)下,，運動員的安全保障工作是重中之重,。頭盔裝備是保障雪車運動員安全的重要防護裝備。

△3D掃描,、打印專屬頭盔

此前,，國家雪車隊的頭盔裝備主要從國外進口，擺脫裝備進口依賴,，用國內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計的頭盔參賽,，是眾望所歸。

由于人體頭部輪廓特征豐富,，適合采用非接觸式不貼點拼接技術(shù),，此次選用思看科技iReal 2E三維掃描儀來完成運動員頭部三維數(shù)據(jù)的獲取。

iReal三維掃描儀精度高（最高可達0.1mm）,，能夠精準獲取運動員頭部的三維數(shù)據(jù),，做出來的頭盔貼合度好；

人像掃描專屬模式下,，可自動去除人體晃動疊層,；掃描時無需貼點，光源安全不可見,，整個掃描過程舒適安全,；

此外，其組合陣列結(jié)構(gòu)光技術(shù)創(chuàng)造性地解決了頭發(fā)和眼睛數(shù)據(jù)難以獲取的問題,，使得頭部數(shù)據(jù)更為完整,。

使用iReal 2E三維掃描儀獲取運動員頭部的精準3D數(shù)據(jù)后，設(shè)計團隊可以根據(jù)運動員的頭型，結(jié)合戰(zhàn)術(shù)特點進行個性化定制設(shè)計,，再利用3D打印技術(shù)產(chǎn)出最終頭盔成品,。

采用中國航天T800碳纖維和純碳纖維材料，最終頭盔重量比上一代的賽用頭盔輕了500g,，僅為1100g左右，為運動員有效地減少了負重,。

同時,，頭盔的緩沖層采用點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計，由華曙高科Flight TPU工藝打印制成的topol蜂窩結(jié)構(gòu)防護系統(tǒng)創(chuàng)造性地解決頭部細節(jié)發(fā)生形變的問題,，完成對運動員頭型的完美自適應(yīng),，并且能夠帶來極高的熱量流通效率。


03
3D打印研制滑雪機器人

近日,，一段滑雪機器人的視頻引起了極大的關(guān)注,，視頻中一個四足機器人踩著滑雪板，左右兩側(cè)還裝有兩根雪仗,。十分嫻熟的左右擺動并向下滑行,，動作看起來超過大部分初學者的水平。

△視頻來源：上海交通大學

在另外一段視頻中,， 滑雪機器人以非�,？斓乃俣然�行，依然保持穩(wěn)定,，中級雪道18度坡,，速度：10米/秒。

據(jù)悉,，這個滑雪機器人由上海交通大學和沈陽自動化研究所開發(fā),，南開大學數(shù)字創(chuàng)意和智慧設(shè)計研究中心主任薛義教授做視覺形態(tài)設(shè)計。

在歷時近半年時間里,，薛教授組織博士,、碩士研究生和本科生團隊，深入研究了不同原型機的功能與結(jié)構(gòu),、形態(tài)與運動特點,、視覺形態(tài)與時代品格，材料與色彩,、工藝技術(shù)與安全穩(wěn)定,、圖飾設(shè)計與文化內(nèi)涵、與奧運精神的關(guān)系,，以及冬奧標志符號應(yīng)用等種種細節(jié),，為冬奧火炬?zhèn)鬟f和運動機器人形韻設(shè)計進行了充分研究和系統(tǒng)設(shè)計。

值得注意的是,，滑雪機器人在設(shè)計制造的過程中應(yīng)用了3D打印技術(shù),，從圖中可以看出,，滑雪機器人的外殼及四肢的覆蓋件均采用SLA 3D打印技術(shù)制造，并經(jīng)過后期噴涂上色之后安裝在機器人上,。如今,，3D打印技術(shù)在制造這一類機器人產(chǎn)品外殼方面，具有非常大的效率和成本優(yōu)勢,。

△形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計·3D打印·制作安裝

“我們一共應(yīng)邀承擔設(shè)計了九款冬奧機器人的樣貌與神態(tài),，對它們不同的功能形態(tài)、視覺神態(tài),、應(yīng)用場景進行了數(shù)十次的設(shè)計與修改完善,，最終奧組委用于火炬?zhèn)鬟f是其中的兩款。除了兩棲機器人和水下機器人之外,，還有飛行機器人,、陸地六輪機器人、攀爬機器人,、滑雪機器人,、滑冰機器人、冰壺機器人和導盲機器人的“智形”設(shè)計,，將陸續(xù)在冬奧會冰雪運動和冬殘奧會展示服務(wù)中亮相,，以及應(yīng)用到未來生活�,！毖�教授表��,，這些經(jīng)過精心設(shè)計打扮的智能機器人每一款樣貌個性都不一樣，應(yīng)用場景也不同,。


04
3D打印中國結(jié)

北京市城市管理委副主任張巖介紹,，迎接2022北京冬奧會，3處標志性景觀,、10個主題花壇,、620處景觀小品、28萬籠燈飾,、1.8萬面宣傳道旗,、6萬余處宣傳畫面、28處燈光秀都已經(jīng)在北京全市精彩呈現(xiàn),。同時,，在背街小巷、商業(yè)街區(qū)等布置了春節(jié)景觀小品,、紅旗,、彩旗、纏樹燈等。


張巖介紹,，在城市景觀設(shè)計上,，注重把冬奧元素比如會徽、吉祥物,、冰雪圖案和春節(jié)的民俗元素,，像中國結(jié)、燈籠燈飾,、生肖福字等相融合,。“比如天安門廣場巨大的中國結(jié),，高17米，就是中國結(jié)鑲嵌奧運會會徽的完美呈現(xiàn),�,！�


石景山區(qū)晉元橋會徽雕塑、延慶區(qū)“海陀塔”和京禮高速護坡會徽標志等三處標志性景觀,，還將申請成為奧運遺產(chǎn),。

張巖特別介紹，冬奧景觀的制作過程也堅持了“節(jié)儉,、利廢,、環(huán)保”的原則,，充分利用原有設(shè)施和廢棄物,。比如燈籠、中國結(jié)的制作材料均選擇了環(huán)保材料,，利用3D打印技術(shù),，既節(jié)約成本，又完美呈現(xiàn)細節(jié),。景觀小品,、燈飾均使用節(jié)能光源；那些為冬季的城市增添靚麗色彩的覆蓋物,，原本是彩枝植物的廢棄枝干,，經(jīng)過城市設(shè)計師的創(chuàng)造性運用煥發(fā)出新的活力。

05
3D打印冬奧會定格動畫

英國BBC近日發(fā)布了一條冬奧會短視頻,，短片命名為“Extreme by Nature”,，拍攝過程中使用了3D打印技術(shù)來來制作定格動畫單幀模型，再配合專用攝像機拍攝并進行后期制作而成,。


短片中展示了滑冰,、滑雪、冰壺、雪車等冬奧會項目,，那么這個短片具體是如何拍攝制作的呢,？又是在哪些環(huán)節(jié)使用了3D打印技術(shù)，我們來看下短片拍攝幕后的故事,。


短片以混合媒體動畫的形式出現(xiàn),，由BBC創(chuàng)意公司和Blinkink公司合作制作，結(jié)合了一系列鏡頭內(nèi)的效果,、3D打印框架和定格動畫,，將賽事的冰雪背景帶回家。


  06
3D打印冬奧會主火炬

哈爾濱工業(yè)大學材料學院蘇彥慶教授團隊利用金屬3D打印技術(shù),，有效助力了北京冬奧會零碳排放火炬的研發(fā)和制造,。


△北京冬奧會“飛揚”火炬

中國航天科技集團有限公司與哈爾濱工業(yè)大學及哈特三維科技有限公司聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)揮哈工大多年來在新材料,、精密成形技術(shù)和裝備研發(fā)方面的技術(shù)優(yōu)勢,，最終選定用3D打印技術(shù)研制火炬，攻克了火炬在研制過程中精密成形的難題,。

△SLM激光選區(qū)熔化3D打印火炬畫面

蘇彥慶教授團隊對多種3D打印材料進行了測試和優(yōu)化,，對火炬內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了成形工藝優(yōu)化，對燃燒器3D打印工藝進行了系統(tǒng)驗證和改進,，最后成功制備出完全滿足要求的氫火炬及其燃燒系統(tǒng),，保障了冬奧會主火炬燃燒的可靠性。

以上是本屆冬奧會上出現(xiàn)的一些3D打印黑科技,，應(yīng)該還有一些未統(tǒng)計到的應(yīng)用,。相信隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，將會在未來的體育賽事等大型活動中發(fā)揮更大的作用,。

07
3D打印異形背景墻和冬奧主題冰雪博物館拱門

冰絲帶場館中的超級大腦“數(shù)字孿生操作系統(tǒng)”異形背景墻和冬奧主題冰雪博物館拱門,，就是通過科技的手段，將這些富有創(chuàng)意的場景高效,、成功地搭建,，呈現(xiàn)“一片雪的美麗故事”。


該項目創(chuàng)意場景建筑裝飾的制作堅持以本屆冬奧“科技,、智慧,、綠色、節(jié)儉”的原則實行,，設(shè)計制作團隊選擇了環(huán)保型復合材料,，利用3D打印技術(shù)制作實體，既節(jié)約建造成本,，又完美呈現(xiàn)出設(shè)計的細節(jié),。




在組裝時,，為確保打印件與鋼架結(jié)構(gòu)的裝配位置尺寸相符合，設(shè)計團隊使用先臨三維激光手持掃描儀快速獲取了打印件的高質(zhì)量完整數(shù)據(jù),，并將其與原CAD圖紙進行比對,，測量形變公差，規(guī)避現(xiàn)場組裝出錯的機率,，大大地節(jié)省設(shè)計,、制造及組裝時間，縮減整體建造工期,。

注：因案例數(shù)據(jù)保密,，此圖僅為示意



來源：北京2022冬奧會、北京日報,、思看科技,、河北工業(yè)大學、哈爾濱工業(yè)大學,、BBC等