Scope 推出铝合金3D 打印自行车棘轮，拓扑优化设计释放轻量化优势

2024年4月8日，南极熊获悉，Scope——一支由荷兰工程师、设计师和热衷于骑行的自行车手组成的团队，他们开发和销售高性能手工打造的碳纤维车轮。该团队推出了一款新型拓扑优化的3D打印棘轮，用于其最先进的Artech产品。这款设备是又一款采用Scalmalloy材料打印的高端消费产品（最近我们看到了不少类似产品，从Pinarello最新的竞速自行车车架到Barrelhand的“太空手表”），使该公司能够将真正轻量级的车轮组与最佳的空气动力学相结合。

在自行车车轮中，棘轮机构是后轮毂的关键部件，特别是在多速自行车中。它通常由与一个或多个棘爪啮合的齿组成，允许轮子沿一个方向（向前）自由转动，同时防止其沿相反方向（向后）转动。

该机构对于自行车飞轮或飞轮系统的功能至关重要。当您向前踩踏板时，棘轮啮合，使车轮转动并推动自行车前进。然而，当您停止踩踏或向后踩踏时，棘轮会脱离，从而使车轮自由旋转，而无需转动踏板或链条。

△金属激光粉末床融合 (L-PBF) 打印平台上的串行 3D 打印棘轮。

棘轮系统可以将动力从踏板有效传输到后轮，同时无需不断踩踏板即可滑行。这是大多数现代自行车中都采用的简单而有效的设计。

在任何竞技自行车比赛中，轻量化车轮的重要性都不可低估。它在很多方面影响骑行体验。空气动力学和轻量级的结合使 Artech 在竞争中脱颖而出。借助 Artech，Scope 使得使用 Aero 轮组参加环法自行车赛爬坡赛段成为可能，从而为自行车行业带来一场革命。

△带有3D 打印棘轮的 Artech 车轮模型之一。

设计未来的自行车车轮

Artech 轮圈的形状由 Scope的算法增强空气动力学 (AEA) 技术定义。该算法优化了最具空气动力学性能的轮辋轮廓，保证了最佳的空气动力学性能。

最初的 AEA 算法于 2017 年与代尔夫特理工大学（航空航天工程）合作开发，是基于 2D 的，并在优化中考虑了轮辋和轮胎的相互作用效应。为了重新定义空气动力学的基准，Scope改进了其算法，使其基于 3D，将带有组件的完整自行车纳入优化。

为了研究 Aeroscales 的效果，Scope 创建了包含和不包括 Aeroscales 的 Artech 轮圈的 3D 打印原型。带有 Aeroscales 的轮圈在偏航角 10 度以上和以下时阻力显著降低，如下面的阻力曲线所示。Aeroscales 显著减少了 10度偏航角以上和以下的阻力。在英国 Silverstone Sport Engineering 风洞中测量（2023 年 6 月）。

打印未来的自行车车轮

拓扑优化是一种数学算法，它根据一组载荷工况和给定的设计空间来优化轮毂壳体的形状。该算法在保证所需强度的同时找到最轻量化的设计。有趣的是，拓扑优化产生的骨状结构再次展现了自然的力量。

增材制造/3D 打印技术释放了拓扑优化的潜力，从而实现了极其坚固且轻质的轮毂设计。 Artech 轮毂壳在德国使用 Scalmalloy 材料（一种高性能铝钪合金材料）进行 3D 打印。它是德国公司 APWorks专门为增材制造开发的第一批合金之一，如今主要用于航空航天和一级方程式赛车等行业。

钻石棘轮系统的优化设计可降低棘轮齿上的峰值张力。与类金刚石碳涂层相结合，使得Scope 能够应用更轻的钛材料，从而与 Scope Race 系列的钢制金刚石棘轮相比减轻了重量。 Artech 车轮的标价为 4,000 欧元，并不适合每个口袋。但许多自行车专业人士和爱好者会考虑（并渴望）它们。