3D雪花、定制头盔、火炬…北京冬奥会中的3D打印黑科技

导读：昨天南极熊发布了3D打印冬奥会火炬的报道，引发了大量的关注。其实，除了3D打印火炬之外，3D扫描/3D打印在冬奥会的其他方面也发挥了不小的作用，本文我们来汇总一下北京冬奥会中的3D打印黑科技。

△国家体育场冬奥会主火炬采用金属3D打印技术研发，图源：CCTV

01
冬奥花坛里的3D雪花，是用城市固废3D打印的

在长安街沿线的冬奥主题花坛里，就蕴含着一项3D打印黑科技，这是一座高9.1米的大花坛，主景是冬奥会和冬残奥会会徽。散落地上的蓝白两色“雪花”格外惹眼。

“这些‘雪花’的原料是城市固废，经过多道复杂工序后，通过3D打印技术制作出来。”雪花雕塑的出品方、中碳春田（北京）能源科技有限公司董事长贾长春说。

一朵朵“雪花”承载着现代科技与零碳环保理念。

为了助力“零碳”冬奥，中碳春田研发制作了园林小品，把无用的垃圾变成轻盈美丽的“雪花”。其使用的3D打印固废技术，具有省模板、省材料、省人工、省垃圾外运的优势。

最大的一片雪花直径达1.7米，在设计、打印中要考虑厚度、宽度、仿实和坚固性，还要考虑3D打印出来的产品能够承载暗藏管线和加强筋。

据悉，长安街沿线花坛的展示结束后，“雪花”将被回收，循环利用。

02
3D扫描-设计-3D打印，为国家雪车队运动员定制头盔

在国家体育总局的组织下，东莞理工学院3D打印与智能制造研究中心（李楠副教授团队）携手思看科技，综合3D扫描-设计-3D打印技术，参与国家雪车队运动员头盔装备定制研究项目。

△直击雪车赛事

雪车的平均时速在100公里左右，最高可达160公里，素来有冰上F1之称。其风驰电掣般的竞速过程，能给人带来无比刺激的感官享受，是雪车比赛的最大看点。在如此高速的状态下，运动员的安全保障工作是重中之重。头盔装备是保障雪车运动员安全的重要防护装备。

△3D扫描、打印专属头盔

此前，国家雪车队的头盔装备主要从国外进口，摆脱装备进口依赖，用国内自主研发设计的头盔参赛，是众望所归。

由于人体头部轮廓特征丰富，适合采用非接触式不贴点拼接技术，此次选用思看科技iReal 2E三维扫描仪来完成运动员头部三维数据的获取。

iReal三维扫描仪精度高（最高可达0.1mm），能够精准获取运动员头部的三维数据，做出来的头盔贴合度好；

人像扫描专属模式下，可自动去除人体晃动叠层；扫描时无需贴点，光源安全不可见，整个扫描过程舒适安全；

此外，其组合阵列结构光技术创造性地解决了头发和眼睛数据难以获取的问题，使得头部数据更为完整。

使用iReal 2E三维扫描仪获取运动员头部的精准3D数据后，设计团队可以根据运动员的头型，结合战术特点进行个性化定制设计，再利用3D打印技术产出最终头盔成品。

采用中国航天T800碳纤维和纯碳纤维材料，最终头盔重量比上一代的赛用头盔轻了500g，仅为1100g左右，为运动员有效地减少了负重。

同时，头盔的缓冲层采用点阵结构设计，由华曙高科Flight TPU工艺打印制成的topol蜂窝结构防护系统创造性地解决头部细节发生形变的问题，完成对运动员头型的完美自适应，并且能够带来极高的热量流通效率。

03
3D打印研制滑雪机器人

近日，一段滑雪机器人的视频引起了极大的关注，视频中一个四足机器人踩着滑雪板，左右两侧还装有两根雪仗。十分娴熟的左右摆动并向下滑行，动作看起来超过大部分初学者的水平。

△视频来源：上海交通大学

在另外一段视频中，滑雪机器人以非常快的速度滑行，依然保持稳定，中级雪道18度坡，速度：10米/秒。

据悉，这个滑雪机器人由上海交通大学和沈阳自动化研究所开发，南开大学数字创意和智慧设计研究中心主任薛义教授做视觉形态设计。

在历时近半年时间里，薛教授组织博士、硕士研究生和本科生团队，深入研究了不同原型机的功能与结构、形态与运动特点、视觉形态与时代品格，材料与色彩、工艺技术与安全稳定、图饰设计与文化内涵、与奥运精神的关系，以及冬奥标志符号应用等种种细节，为冬奥火炬传递和运动机器人形韵设计进行了充分研究和系统设计。

值得注意的是，滑雪机器人在设计制造的过程中应用了3D打印技术，从图中可以看出，滑雪机器人的外壳及四肢的覆盖件均采用SLA 3D打印技术制造，并经过后期喷涂上色之后安装在机器人上。如今，3D打印技术在制造这一类机器人产品外壳方面，具有非常大的效率和成本优势。

△形态结构设计·3D打印·制作安装

“我们一共应邀承担设计了九款冬奥机器人的样貌与神态，对它们不同的功能形态、视觉神态、应用场景进行了数十次的设计与修改完善，最终奥组委用于火炬传递是其中的两款。除了两栖机器人和水下机器人之外，还有飞行机器人、陆地六轮机器人、攀爬机器人、滑雪机器人、滑冰机器人、冰壶机器人和导盲机器人的“智形”设计，将陆续在冬奥会冰雪运动和冬残奥会展示服务中亮相，以及应用到未来生活。”薛教授表示，这些经过精心设计打扮的智能机器人每一款样貌个性都不一样，应用场景也不同。

04
3D打印中国结

北京市城市管理委副主任张岩介绍，迎接2022北京冬奥会，3处标志性景观、10个主题花坛、620处景观小品、28万笼灯饰、1.8万面宣传道旗、6万余处宣传画面、28处灯光秀都已经在北京全市精彩呈现。同时，在背街小巷、商业街区等布置了春节景观小品、红旗、彩旗、缠树灯等。

张岩介绍，在城市景观设计上，注重把冬奥元素比如会徽、吉祥物、冰雪图案和春节的民俗元素，像中国结、灯笼灯饰、生肖福字等相融合。“比如天安门广场巨大的中国结，高17米，就是中国结镶嵌奥运会会徽的完美呈现。”

石景山区晋元桥会徽雕塑、延庆区“海陀塔”和京礼高速护坡会徽标志等三处标志性景观，还将申请成为奥运遗产。

张岩特别介绍，冬奥景观的制作过程也坚持了“节俭、利废、环保”的原则，充分利用原有设施和废弃物。比如灯笼、中国结的制作材料均选择了环保材料，利用3D打印技术，既节约成本，又完美呈现细节。景观小品、灯饰均使用节能光源；那些为冬季的城市增添靓丽色彩的覆盖物，原本是彩枝植物的废弃枝干，经过城市设计师的创造性运用焕发出新的活力。

05
3D打印冬奥会定格动画

英国BBC近日发布了一条冬奥会短视频，短片命名为“Extreme by Nature”，拍摄过程中使用了3D打印技术来来制作定格动画单帧模型，再配合专用摄像机拍摄并进行后期制作而成。

短片中展示了滑冰、滑雪、冰壶、雪车等冬奥会项目，那么这个短片具体是如何拍摄制作的呢？又是在哪些环节使用了3D打印技术，我们来看下短片拍摄幕后的故事。

短片以混合媒体动画的形式出现，由BBC创意公司和Blinkink公司合作制作，结合了一系列镜头内的效果、3D打印框架和定格动画，将赛事的冰雪背景带回家。

06
3D打印冬奥会主火炬

哈尔滨工业大学材料学院苏彦庆教授团队利用金属3D打印技术，有效助力了北京冬奥会零碳排放火炬的研发和制造。

△北京冬奥会“飞扬”火炬

中国航天科技集团有限公司与哈尔滨工业大学及哈特三维科技有限公司联合攻关，发挥哈工大多年来在新材料、精密成形技术和装备研发方面的技术优势，最终选定用3D打印技术研制火炬，攻克了火炬在研制过程中精密成形的难题。

△SLM激光选区熔化3D打印火炬画面

苏彦庆教授团队对多种3D打印材料进行了测试和优化，对火炬内部结构进行了成形工艺优化，对燃烧器3D打印工艺进行了系统验证和改进，最后成功制备出完全满足要求的氢火炬及其燃烧系统，保障了冬奥会主火炬燃烧的可靠性。

以上是本届冬奥会上出现的一些3D打印黑科技，应该还有一些未统计到的应用。相信随着3D打印技术的发展，将会在未来的体育赛事等大型活动中发挥更大的作用。

07
3D打印异形背景墙和冬奥主题冰雪博物馆拱门

冰丝带场馆中的超级大脑“数字孪生操作系统”异形背景墙和冬奥主题冰雪博物馆拱门，就是通过科技的手段，将这些富有创意的场景高效、成功地搭建，呈现“一片雪的美丽故事”。
640.webp (20).jpg