雷尼紹 3D 打印助力英國(guó)自行車隊(duì)在 2024 年奧運(yùn)會(huì)上奪冠

2024年8月23日，南極熊獲悉，全球工程公司Renishaw的金屬 3D 打印幫助英國(guó)隊(duì)在 2024 年巴黎奧運(yùn)會(huì)上贏得了八枚場(chǎng)地自行車獎(jiǎng)牌。

Renishaw與英國(guó)自行車協(xié)會(huì)合作，使用RenAM 500Q四激光金屬 3D 打印機(jī)為 32 輛奧運(yùn)賽道自行車3D 打印了 1,000 多個(gè)零件。這些零件包括空氣動(dòng)力學(xué)曲柄、后下叉、后上叉橋和座桿。據(jù)報(bào)道，后者是同類產(chǎn)品中第一個(gè) 3D 打印組件，采用新穎的設(shè)計(jì)，具有卓越的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

英國(guó)隊(duì)最初打算主要采用傳統(tǒng)方法制造自行車。然而，由于新冠疫情導(dǎo)致 2020 年奧運(yùn)會(huì)推遲至 2021 年舉行，時(shí)間緊迫，因此必須采用增材制造來(lái)縮短交貨時(shí)間。

在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)上，雷尼紹還利用其RenAM 500M 3D打印機(jī)幫助生產(chǎn)英國(guó)自行車隊(duì)的場(chǎng)地自行車。     

英國(guó)自行車協(xié)會(huì)首席項(xiàng)目工程師 Oliver Caddy 博士解釋說(shuō)：“東京自行車賽使用傳統(tǒng)加工方法生產(chǎn)的碳纖維零件滿足了我們的所有要求，但巴黎自行車賽的時(shí)間限制意味著這種方法對(duì)于一些定制零件來(lái)說(shuō)不再可行。在了解了增材制造的優(yōu)勢(shì)以及它幫助我們?cè)跂|京自行車賽上取得的成就后，我們知道它可以成為一種值得進(jìn)一步探索的制造方法�！�

△2024 年英國(guó)奧運(yùn)代表隊(duì)自行車。圖片來(lái)自 Renishaw

英國(guó)隊(duì)采用增材制造技術(shù)

在 2024 年奧運(yùn)會(huì)上，英國(guó)共獲得65 枚獎(jiǎng)牌，包括自行車賽獎(jiǎng)牌 11 枚，其中 8 枚來(lái)自場(chǎng)地賽。其中一大亮點(diǎn)是凱蒂·馬錢特 (Katy Marchant)、索菲·凱普韋爾 (Sophie Capewell) 和艾瑪·菲努凱恩 (Emma Finucane) 在女子團(tuán)體短跑比賽中獲得金牌并創(chuàng)下新世界紀(jì)錄。  

英國(guó)自行車協(xié)會(huì)的設(shè)備和服裝開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)為英國(guó)隊(duì)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)新自行車，并為運(yùn)動(dòng)員提供取得成功的最佳工具。在比賽中，該組織的自行車必須提供最高速度、平衡性和空氣動(dòng)力學(xué)性能。設(shè)計(jì)和制造能力（包括金屬 3D 打�。�對(duì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)至關(guān)重要。

由于受新冠疫情影響，2020 年奧運(yùn)會(huì)被推遲至 2021 年，英國(guó)自行車協(xié)會(huì)面臨著按時(shí)交付優(yōu)化自行車的巨大壓力。碳纖維曲柄和座桿等核心部件最初是使用注塑和機(jī)械加工等傳統(tǒng)方法開(kāi)發(fā)的。這要求制造商首先開(kāi)發(fā)工具來(lái)制造最終部件——這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。

Caddy 解釋道：“曲柄和座桿等部件都是根據(jù)騎手定制的，因此我們需要找到一種方法來(lái)快速開(kāi)發(fā)不同尺寸的零件，同時(shí)使用一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需的性能提升�！�

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)采用了雷尼紹的金屬 3D 打印技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)為其在東京奧運(yùn)會(huì)上的成功提供了支持。

△3D 打印座桿。照片來(lái)自 Renishaw。

3D 打印助力奧運(yùn)會(huì)自行車運(yùn)動(dòng)成功舉辦

Renishaw 首先用 3D 打印技術(shù)打印出碳纖維部件的塑料原型。Renishaw 首席增材制造應(yīng)用工程師 Ben Collins 評(píng)論道：“我們知道，我們必須與英國(guó)自行車隊(duì)一起進(jìn)行試驗(yàn)，以找到這些部件的最佳幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)�！�

經(jīng)過(guò)幾輪原型設(shè)計(jì)和測(cè)試后，他們就座桿、曲柄和座橋和后下叉等較小部件的外部設(shè)計(jì)達(dá)成了一致。接下來(lái)，他們用鈦金屬 3D 打印了這些部件。      

增材制造可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀，從而減輕不必要的重量。例如，在開(kāi)發(fā)空氣動(dòng)力學(xué)座桿時(shí)，工程師開(kāi)發(fā)了自由形狀的幾何形狀，從而盡可能地挖空零件。

中空中心和向后傾斜的設(shè)計(jì)使空氣能夠流過(guò)自行車的中部，從而優(yōu)化了其空氣動(dòng)力學(xué)性能。每個(gè)鈦合金座桿都是根據(jù)每個(gè)騎手的精確尺寸 3D 打印的。據(jù) Collins 稱，使用傳統(tǒng)制造方法不可能做到這一點(diǎn)。   

柯林斯還強(qiáng)調(diào)了 3D 打印晶格結(jié)構(gòu)的價(jià)值，這使得團(tuán)隊(duì)“能夠?qū)崿F(xiàn)與原始碳纖維部件相同的剛度，但重量卻減輕了”。

通常情況下，整個(gè)部件的晶格厚度是一致的。然而，對(duì)于自行車曲柄來(lái)說(shuō)，應(yīng)力點(diǎn)是由施加在不同區(qū)域的力量和力引起的。這可能會(huì)導(dǎo)致部件失效。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，雷尼紹采用了拓?fù)鋬?yōu)化軟件來(lái)創(chuàng)建獨(dú)特的內(nèi)部格柵，在高應(yīng)力點(diǎn)處具有較厚的截面。在低應(yīng)力區(qū)域則放置較薄的格柵以減輕重量。

鈦合金曲柄經(jīng)過(guò) ISO 測(cè)試，確保其能夠承受奧運(yùn)會(huì)比賽的巨大壓力。雖然標(biāo)準(zhǔn)自行車通常以 1,000 牛頓的力進(jìn)行測(cè)試，但奧運(yùn)會(huì)自行車必須承受 3,000 牛頓的力。

“與雷尼紹的合作讓我們學(xué)到了很多東西，不僅讓我們了解了為巴黎 2024 年生產(chǎn)的具體零件，還讓我們了解了增材制造在不同應(yīng)用中能夠發(fā)揮最大價(jià)值的地方，以及設(shè)計(jì)如何影響最終零件的性能�！盋addy 補(bǔ)充道。

△3D 打印曲柄組件。圖片來(lái)自 Renishaw

3D打印自行車

除了英國(guó)自行車協(xié)會(huì)，許多公司也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到增材制造為自行車生產(chǎn)提供的價(jià)值。今年早些時(shí)候，3D打印材料開(kāi)發(fā)商Elementum 3D和德國(guó)機(jī)床制造商TRUMPF合作增強(qiáng)了INTENSE Cycles的M1 速降賽車。

INTENSE 利用 TRUMPF 的金屬 3D 打印技術(shù)制造自行車主干的關(guān)鍵部件，這是提高懸架性能的關(guān)鍵要素。該項(xiàng)目利用了Elementum 3D 的 A6061-RAM2 合金。這種3D 可打印材料與 INTENSE 鋁制框架中使用的合金相似。據(jù)報(bào)道，RAM2合金材料的可焊性和一致的可加工性簡(jiǎn)化了 3D 打印參數(shù)的開(kāi)發(fā)。這最大限度地減少了達(dá)到所需相對(duì)密度值所需的迭代次數(shù)。

另一方面，威爾士定制自行車制造商Atherton Bikes與 Renishaw 合作，用3D 打印技術(shù)打印其贏得世界杯冠軍的自行車。兩家公司首先合作生產(chǎn)了自行車車架的 3D 打印鈦合金凸耳。這些凸耳采用 RenAM 500Q 進(jìn)行 3D 打印，設(shè)計(jì)得輕巧而堅(jiān)固。

隨后，Atherton 將這些 3D 打印技術(shù)引入公司內(nèi)部。這樣，客戶便可以在距離公司辦公室不遠(yuǎn)的威爾士山區(qū)測(cè)試他們的新自行車。