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打印技術制作出來。”雪花雕塑的出品方、中碳春田（北京）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，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-設計-3D打印技術，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，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，設計團隊可以根據(jù)運動員的頭型，結(jié)合戰(zhàn)術特點進行個性化定制設計，再利用3D打印技術產(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，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)意和智慧設計研究中心主任薛義教授做視覺形態(tài)設計。

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、工藝技術與安全穩(wěn)定、圖飾設計與文化內(nèi)涵、與奧運精神的關系，以及冬奧標志符號應用等種種細節(jié)，為冬奧火炬?zhèn)鬟f和運動機器人形韻設計進行了充分研究和系統(tǒng)設計。

值得注意的是，滑雪機器人在設計制造的過程中應用了3D打印技術，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)設計·3D打印·制作安裝

“我們一共應邀承擔設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)、應用場景進行了數(shù)十次的設計與修改完善，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”設計，將陸續(xù)在冬奧會冰雪運動和冬殘奧會展示服務中亮相，以及應用到未來生活�！毖�教授表示，這些經(jīng)過精心設計打扮的智能機器人每一款樣貌個性都不一樣，應用場景也不同。


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�！氨热缣彀查T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)�！钡脑瓌t，充分利用原有設施和廢棄物。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，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，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，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，發(fā)揮哈工大多年來在新材料、精密成形技術和裝備研發(fā)方面的技術優(yōu)勢，最終選定用3D打印技術研制火炬，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，應該還有一些未統(tǒng)計到的應用。相信隨著3D打印技術的發(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，設計制作團隊選擇了環(huán)保型復合材料，利用3D打印技術制作實體，既節(jié)約建造成本，又完美呈現(xiàn)出設計的細節(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