3D雪花、定制頭盔、火炬…北京冬奧會(huì)中的3D打印黑科技

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


△國(guó)家體育場(chǎng)冬奧會(huì)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(zhǎng)安街沿線的冬奧主題花壇里，就蘊(yùn)含著一項(xiàng)3D打印黑科技，這是一座高9.1米的大花壇，主景是冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)會(huì)徽。散落地上的藍(lán)白兩色“雪花”格外惹眼。


“這些‘雪花’的原料是城市固廢，經(jīng)過(guò)多道復(fù)雜工序后，通過(guò)3D打印技術(shù)制作出來(lái)�！毖┗ǖ袼艿某銎贩�、中碳春田（北京）能源科技有限公司董事長(zhǎng)賈長(zhǎng)春說(shuō)。

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(wú)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(yùn)的優(yōu)勢(shì)。

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

據(jù)悉，長(zhǎng)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(jì)-3D打印，為國(guó)家雪車隊(duì)運(yùn)動(dòng)員定制頭盔

在國(guó)家體育總局的組織下，東莞理工學(xué)院3D打印與智能制造研究中心（李楠副教授團(tuán)隊(duì)）攜手思看科技，綜合3D掃描-設(shè)計(jì)-3D打印技術(shù)，參與國(guó)家雪車隊(duì)運(yùn)動(dòng)員頭盔裝備定制研究項(xiàng)目。

△直擊雪車賽事

雪車的平均時(shí)速在100公里左右，最高可達(dá)160公里，素來(lái)有冰上F1之稱。其風(fēng)馳電掣般的競(jìng)速過(guò)程，能給人帶來(lái)無(wú)比刺激的感官享受，是雪車比賽的最大看點(diǎn)。在如此高速的狀態(tài)下，運(yùn)動(dòng)員的安全保障工作是重中之重。頭盔裝備是保障雪車運(yùn)動(dòng)員安全的重要防護(hù)裝備。

△3D掃描、打印專屬頭盔

此前，國(guó)家雪車隊(duì)的頭盔裝備主要從國(guó)外進(jìn)口，擺脫裝備進(jìn)口依賴，用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計(jì)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(diǎn)拼接技術(shù)，此次選用思看科技iReal 2E三維掃描儀來(lái)完成運(yùn)動(dòng)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(dá)0.1mm），能夠精準(zhǔn)獲取運(yùn)動(dòng)員頭部的三維數(shù)據(jù)，做出來(lái)的頭盔貼合度好；

人像掃描專屬模式下，可自動(dòng)去除人體晃動(dòng)疊層；掃描時(shí)無(wú)需貼點(diǎn)，光源安全不可見(jiàn)，整個(gè)掃描過(guò)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(wèn)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(yùn)動(dòng)員頭部的精準(zhǔn)3D數(shù)據(jù)后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的頭型，結(jié)合戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化定制設(shè)計(jì)，再利用3D打印技術(shù)產(chǎn)出最終頭盔成品。

采用中國(guó)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(yùn)動(dòng)員有效地減少了負(fù)重。

同時(shí)，頭盔的緩沖層采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由華曙高科Flight TPU工藝打印制成的topol蜂窩結(jié)構(gòu)防護(hù)系統(tǒng)創(chuàng)造性地解決頭部細(xì)節(jié)發(fā)生形變的問(wèn)題，完成對(duì)運(yùn)動(dòng)員頭型的完美自適應(yīng)，并且能夠帶來(lái)極高的熱量流通效率。


03
3D打印研制滑雪機(jī)器人

近日，一段滑雪機(jī)器人的視頻引起了極大的關(guān)注，視頻中一個(gè)四足機(jī)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(dòng)并向下滑行，動(dòng)作看起來(lái)超過(guò)大部分初學(xué)者的水平。

△視頻來(lái)源：上海交通大學(xué)

在另外一段視頻中， 滑雪機(jī)器人以非常快的速度滑行，依然保持穩(wěn)定，中級(jí)雪道18度坡，速度：10米/秒。

據(jù)悉，這個(gè)滑雪機(jī)器人由上海交通大學(xué)和沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)，南開(kāi)大學(xué)數(shù)字創(chuàng)意和智慧設(shè)計(jì)研究中心主任薛義教授做視覺(jué)形態(tài)設(shè)計(jì)。

在歷時(shí)近半年時(shí)間里，薛教授組織博士、碩士研究生和本科生團(tuán)隊(duì)，深入研究了不同原型機(jī)的功能與結(jié)構(gòu)、形態(tài)與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、視覺(jué)形態(tài)與時(shí)代品格，材料與色彩、工藝技術(shù)與安全穩(wěn)定、圖飾設(shè)計(jì)與文化內(nèi)涵、與奧運(yùn)精神的關(guān)系，以及冬奧標(biāo)志符號(hào)應(yīng)用等種種細(xì)節(jié)，為冬奧火炬?zhèn)鬟f和運(yùn)動(dòng)機(jī)器人形韻設(shè)計(jì)進(jìn)行了充分研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

值得注意的是，滑雪機(jī)器人在設(shè)計(jì)制造的過(guò)程中應(yīng)用了3D打印技術(shù)，從圖中可以看出，滑雪機(jī)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(guò)后期噴涂上色之后安裝在機(jī)器人上。如今，3D打印技術(shù)在制造這一類機(jī)器人產(chǎn)品外殼方面，具有非常大的效率和成本優(yōu)勢(shì)。

△形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)·3D打印·制作安裝

“我們一共應(yīng)邀承擔(dān)設(shè)計(jì)了九款冬奧機(jī)器人的樣貌與神態(tài)，對(duì)它們不同的功能形態(tài)、視覺(jué)神態(tài)、應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了數(shù)十次的設(shè)計(jì)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(jī)器人和水下機(jī)器人之外，還有飛行機(jī)器人、陸地六輪機(jī)器人、攀爬機(jī)器人、滑雪機(jī)器人、滑冰機(jī)器人、冰壺機(jī)器人和導(dǎo)盲機(jī)器人的“智形”設(shè)計(jì)，將陸續(xù)在冬奧會(huì)冰雪運(yùn)動(dòng)和冬殘奧會(huì)展示服務(wù)中亮相，以及應(yīng)用到未來(lái)生活�！毖�教授表示，這些經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)打扮的智能機(jī)器人每一款樣貌個(gè)性都不一樣，應(yīng)用場(chǎng)景也不同。


04
3D打印中國(guó)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(huì)，3處標(biāo)志性景觀、10個(gè)主題花壇、620處景觀小品、28萬(wàn)籠燈飾、1.8萬(wàn)面宣傳道旗、6萬(wàn)余處宣傳畫(huà)面、28處燈光秀都已經(jīng)在北京全市精彩呈現(xiàn)。同時(shí)，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(shù)燈等。


張巖介紹，在城市景觀設(shè)計(jì)上，注重把冬奧元素比如會(huì)徽、吉祥物、冰雪圖案和春節(jié)的民俗元素，像中國(guó)結(jié)、燈籠燈飾、生肖福字等相融合�！氨热缣彀查T廣場(chǎng)巨大的中國(guó)結(jié)，高17米，就是中國(guó)結(jié)鑲嵌奧運(yùn)會(huì)會(huì)徽的完美呈現(xiàn)�！�


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

張巖特別介紹，冬奧景觀的制作過(guò)程也堅(jiān)持了“節(jié)儉、利廢、環(huán)�！钡脑瓌t，充分利用原有設(shè)施和廢棄物。比如燈籠、中國(guó)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(xì)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(guò)城市設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性運(yùn)用煥發(fā)出新的活力。

05
3D打印冬奧會(huì)定格動(dòng)畫(huà)

英國(guó)BBC近日發(fā)布了一條冬奧會(huì)短視頻，短片命名為“Extreme by Nature”，拍攝過(guò)程中使用了3D打印技術(shù)來(lái)來(lái)制作定格動(dòng)畫(huà)單幀模型，再配合專用攝像機(jī)拍攝并進(jìn)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(huì)項(xiàng)目，那么這個(gè)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(lái)看下短片拍攝幕后的故事。


短片以混合媒體動(dòng)畫(huà)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(dòng)畫(huà)，將賽事的冰雪背景帶回家。


  06
3D打印冬奧會(huì)主火炬

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


△北京冬奧會(huì)“飛揚(yáng)”火炬

中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司與哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(lái)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(shì)，最終選定用3D打印技術(shù)研制火炬，攻克了火炬在研制過(guò)程中精密成形的難題。

△SLM激光選區(qū)熔化3D打印火炬畫(huà)面

蘇彥慶教授團(tuán)隊(duì)對(duì)多種3D打印材料進(jìn)行了測(cè)試和優(yōu)化，對(duì)火炬內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成形工藝優(yōu)化，對(duì)燃燒器3D打印工藝進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證和改進(jìn)，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(huì)主火炬燃燒的可靠性。

以上是本屆冬奧會(huì)上出現(xiàn)的一些3D打印黑科技，應(yīng)該還有一些未統(tǒng)計(jì)到的應(yīng)用。相信隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)在未來(lái)的體育賽事等大型活動(dòng)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(chǎng)館中的超級(jí)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(guò)科技的手段，將這些富有創(chuàng)意的場(chǎng)景高效、成功地搭建，呈現(xiàn)“一片雪的美麗故事”。


該項(xiàng)目創(chuàng)意場(chǎng)景建筑裝飾的制作堅(jiān)持以本屆冬奧“科技、智慧、綠色、節(jié)儉”的原則實(shí)行，設(shè)計(jì)制作團(tuán)隊(duì)選擇了環(huán)保型復(fù)合材料，利用3D打印技術(shù)制作實(shí)體，既節(jié)約建造成本，又完美呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。




在組裝時(shí)，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(jì)團(tuán)隊(duì)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(jìn)行比對(duì)，測(cè)量形變公差，規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)組裝出錯(cuò)的機(jī)率，大大地節(jié)省設(shè)計(jì)、制造及組裝時(shí)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(lái)源：北京2022冬奧會(huì)、北京日?qǐng)?bào)、思看科技、河北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、BBC等