雷尼绍 3D 打印助力英国自行车队在 2024 年奥运会上夺冠

2024年8月23日，南极熊获悉，全球工程公司Renishaw的金属 3D 打印帮助英国队在 2024 年巴黎奥运会上赢得了八枚场地自行车奖牌。

Renishaw与英国自行车协会合作，使用RenAM 500Q四激光金属 3D 打印机为 32 辆奥运赛道自行车3D 打印了 1,000 多个零件。这些零件包括空气动力学曲柄、后下叉、后上叉桥和座杆。据报道，后者是同类产品中第一个 3D 打印组件，采用新颖的设计，具有卓越的空气动力学性能。

英国队最初打算主要采用传统方法制造自行车。然而，由于新冠疫情导致 2020 年奥运会推迟至 2021 年举行，时间紧迫，因此必须采用增材制造来缩短交货时间。

在2020年东京奥运会上，雷尼绍还利用其RenAM 500M 3D打印机帮助生产英国自行车队的场地自行车。     

英国自行车协会首席项目工程师 Oliver Caddy 博士解释说：“东京自行车赛使用传统加工方法生产的碳纤维零件满足了我们的所有要求，但巴黎自行车赛的时间限制意味着这种方法对于一些定制零件来说不再可行。在了解了增材制造的优势以及它帮助我们在东京自行车赛上取得的成就后，我们知道它可以成为一种值得进一步探索的制造方法。”

△2024 年英国奥运代表队自行车。图片来自 Renishaw

英国队采用增材制造技术

在 2024 年奥运会上，英国共获得65 枚奖牌，包括自行车赛奖牌 11 枚，其中 8 枚来自场地赛。其中一大亮点是凯蒂·马钱特 (Katy Marchant)、索菲·凯普韦尔 (Sophie Capewell) 和艾玛·菲努凯恩 (Emma Finucane) 在女子团体短跑比赛中获得金牌并创下新世界纪录。  

英国自行车协会的设备和服装开发团队负责为英国队开发和生产新自行车，并为运动员提供取得成功的最佳工具。在比赛中，该组织的自行车必须提供最高速度、平衡性和空气动力学性能。设计和制造能力（包括金属 3D 打印）对实现这一目标至关重要。

由于受新冠疫情影响，2020 年奥运会被推迟至 2021 年，英国自行车协会面临着按时交付优化自行车的巨大压力。碳纤维曲柄和座杆等核心部件最初是使用注塑和机械加工等传统方法开发的。这要求制造商首先开发工具来制造最终部件——这是一个耗时的过程。

Caddy 解释道：“曲柄和座杆等部件都是根据骑手定制的，因此我们需要找到一种方法来快速开发不同尺寸的零件，同时使用一种方法来实现应用所需的性能提升。”

为了实现这一目标，该团队采用了雷尼绍的金属 3D 打印技术，这项技术已经为其在东京奥运会上的成功提供了支持。

△3D 打印座杆。照片来自 Renishaw。

3D 打印助力奥运会自行车运动成功举办

Renishaw 首先用 3D 打印技术打印出碳纤维部件的塑料原型。Renishaw 首席增材制造应用工程师 Ben Collins 评论道：“我们知道，我们必须与英国自行车队一起进行试验，以找到这些部件的最佳几何形状和内部结构。”

经过几轮原型设计和测试后，他们就座杆、曲柄和座桥和后下叉等较小部件的外部设计达成了一致。接下来，他们用钛金属 3D 打印了这些部件。      

增材制造可以实现复杂的几何形状，从而减轻不必要的重量。例如，在开发空气动力学座杆时，工程师开发了自由形状的几何形状，从而尽可能地挖空零件。

中空中心和向后倾斜的设计使空气能够流过自行车的中部，从而优化了其空气动力学性能。每个钛合金座杆都是根据每个骑手的精确尺寸 3D 打印的。据 Collins 称，使用传统制造方法不可能做到这一点。   

柯林斯还强调了 3D 打印晶格结构的价值，这使得团队“能够实现与原始碳纤维部件相同的刚度，但重量却减轻了”。

通常情况下，整个部件的晶格厚度是一致的。然而，对于自行车曲柄来说，应力点是由施加在不同区域的力量和力引起的。这可能会导致部件失效。

为了解决这个问题，雷尼绍采用了拓扑优化软件来创建独特的内部格栅，在高应力点处具有较厚的截面。在低应力区域则放置较薄的格栅以减轻重量。

钛合金曲柄经过 ISO 测试，确保其能够承受奥运会比赛的巨大压力。虽然标准自行车通常以 1,000 牛顿的力进行测试，但奥运会自行车必须承受 3,000 牛顿的力。

“与雷尼绍的合作让我们学到了很多东西，不仅让我们了解了为巴黎 2024 年生产的具体零件，还让我们了解了增材制造在不同应用中能够发挥最大价值的地方，以及设计如何影响最终零件的性能。”Caddy 补充道。

△3D 打印曲柄组件。图片来自 Renishaw

3D打印自行车

除了英国自行车协会，许多公司也已经认识到增材制造为自行车生产提供的价值。今年早些时候，3D打印材料开发商Elementum 3D和德国机床制造商TRUMPF合作增强了INTENSE Cycles的M1 速降赛车。

INTENSE 利用 TRUMPF 的金属 3D 打印技术制造自行车主干的关键部件，这是提高悬架性能的关键要素。该项目利用了Elementum 3D 的 A6061-RAM2 合金。这种3D 可打印材料与 INTENSE 铝制框架中使用的合金相似。据报道，RAM2合金材料的可焊性和一致的可加工性简化了 3D 打印参数的开发。这最大限度地减少了达到所需相对密度值所需的迭代次数。

另一方面，威尔士定制自行车制造商Atherton Bikes与 Renishaw 合作，用3D 打印技术打印其赢得世界杯冠军的自行车。两家公司首先合作生产了自行车车架的 3D 打印钛合金凸耳。这些凸耳采用 RenAM 500Q 进行 3D 打印，设计得轻巧而坚固。

随后，Atherton 将这些 3D 打印技术引入公司内部。这样，客户便可以在距离公司办公室不远的威尔士山区测试他们的新自行车。