雷尼紹 3D 打印助力英國自行車隊在 2024 年奧運會上奪冠

2024年8月23日，南極熊獲悉，全球工程公司Renishaw的金屬 3D 打印幫助英國隊在 2024 年巴黎奧運會上贏得了八枚場地自行車獎牌。

Renishaw與英國自行車協(xié)會合作，使用RenAM 500Q四激光金屬 3D 打印機為 32 輛奧運賽道自行車3D 打印了 1,000 多個零件。這些零件包括空氣動力學曲柄、后下叉、后上叉橋和座桿。據(jù)報道，后者是同類產(chǎn)品中第一個 3D 打印組件，采用新穎的設計，具有卓越的空氣動力學性能。

英國隊最初打算主要采用傳統(tǒng)方法制造自行車。然而，由于新冠疫情導致 2020 年奧運會推遲至 2021 年舉行，時間緊迫，因此必須采用增材制造來縮短交貨時間。

在2020年東京奧運會上，雷尼紹還利用其RenAM 500M 3D打印機幫助生產(chǎn)英國自行車隊的場地自行車。     

英國自行車協(xié)會首席項目工程師 Oliver Caddy 博士解釋說：“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間限制意味著這種方法對于一些定制零件來說不再可行。在了解了增材制造的優(yōu)勢以及它幫助我們在東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一步探索的制造方法�！�

△2024 年英國奧運代表隊自行車。圖片來自 Renishaw

英國隊采用增材制造技術(shù)

在 2024 年奧運會上，英國共獲得65 枚獎牌，包括自行車賽獎牌 11 枚，其中 8 枚來自場地賽。其中一大亮點是凱蒂·馬錢特 (Katy Marchant)、索菲·凱普韋爾 (Sophie Capewell) 和艾瑪·菲努凱恩 (Emma Finucane) 在女子團體短跑比賽中獲得金牌并創(chuàng)下新世界紀錄。  

英國自行車協(xié)會的設備和服裝開發(fā)團隊負責為英國隊開發(fā)和生產(chǎn)新自行車，并為運動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、平衡性和空氣動力學性能。設計和制造能力（包括金屬 3D 打印）對實現(xiàn)這一目標至關(guān)重要。

由于受新冠疫情影響，2020 年奧運會被推遲至 2021 年，英國自行車協(xié)會面臨著按時交付優(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械加工等傳統(tǒng)方法開發(fā)的。這要求制造商首先開發(fā)工具來制造最終部件——這是一個耗時的過程。

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快速開發(fā)不同尺寸的零件，同時使用一種方法來實現(xiàn)應用所需的性能提升�！�

為了實現(xiàn)這一目標，該團隊采用了雷尼紹的金屬 3D 打印技術(shù)，這項技術(shù)已經(jīng)為其在東京奧運會上的成功提供了支持。

△3D 打印座桿。照片來自 Renishaw。

3D 打印助力奧運會自行車運動成功舉辦

Renishaw 首先用 3D 打印技術(shù)打印出碳纖維部件的塑料原型。Renishaw 首席增材制造應用工程師 Ben Collins 評論道：“我們知道，我們必須與英國自行車隊一起進行試驗，以找到這些部件的最佳幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)�！�

經(jīng)過幾輪原型設計和測試后，他們就座桿、曲柄和座橋和后下叉等較小部件的外部設計達成了一致。接下來，他們用鈦金屬 3D 打印了這些部件。      

增材制造可以實現(xiàn)復雜的幾何形狀，從而減輕不必要的重量。例如，在開發(fā)空氣動力學座桿時，工程師開發(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計使空氣能夠流過自行車的中部，從而優(yōu)化了其空氣動力學性能。每個鈦合金座桿都是根據(jù)每個騎手的精確尺寸 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。   

柯林斯還強調(diào)了 3D 打印晶格結(jié)構(gòu)的價值，這使得團隊“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，整個部件的晶格厚度是一致的。然而，對于自行車曲柄來說，應力點是由施加在不同區(qū)域的力量和力引起的。這可能會導致部件失效。

為了解決這個問題，雷尼紹采用了拓撲優(yōu)化軟件來創(chuàng)建獨特的內(nèi)部格柵，在高應力點處具有較厚的截面。在低應力區(qū)域則放置較薄的格柵以減輕重量。

鈦合金曲柄經(jīng)過 ISO 測試，確保其能夠承受奧運會比賽的巨大壓力。雖然標準自行車通常以 1,000 牛頓的力進行測試，但奧運會自行車必須承受 3,000 牛頓的力。

“與雷尼紹的合作讓我們學到了很多東西，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用中能夠發(fā)揮最大價值的地方，以及設計如何影響最終零件的性能�！盋addy 補充道。

△3D 打印曲柄組件。圖片來自 Renishaw

3D打印自行車

除了英國自行車協(xié)會，許多公司也已經(jīng)認識到增材制造為自行車生產(chǎn)提供的價值。今年早些時候，3D打印材料開發(fā)商Elementum 3D和德國機床制造商TRUMPF合作增強了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)報道，RAM2合金材料的可焊性和一致的可加工性簡化了 3D 打印參數(shù)的開發(fā)。這最大限度地減少了達到所需相對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 進行 3D 打印，設計得輕巧而堅固。

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的威爾士山區(qū)測試他們的新自行車。