助力冬奥 | 看 CREAFORM 形创三维扫描技术如何赋能雪橇 (Luge) 项目装备研发

国际金属加工网 2022年01月13日

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图源北京冬奥会官网

Luge 源自法语,是竞技雪橇的意思。许多人认为(无舵)雪橇项目是一项极限运动,因为运动员需要仰卧在一个小雪橇上,双脚朝向他们的前行方向,然后在没有刹车的情况下,以每小时 140 公里的速度在冰面高坡赛道上竞速。雪橇手依靠反射动作来转向,由于没有保护措施,即便他们的失误非常轻微也是非常危险的。为了以最短的时间到达赛道的终点,每千分之一秒都至关重要,而且这往往决定了他们最终是否能够登上冬奥会领奖台。

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Chris Mazdzer 在 2018 年平昌冬奥会上摘得银牌

五届奥运会选手(长野奥运会铜牌得主、盐湖城奥运会双打银牌得主)、现任美国雪橇队体育项目总监 Mark Grimmette 和三届奥运会选手(长野奥运会双打银牌得主)、现任美国雪橇队营销和赞助总监 Gordy Sheer 技术精湛,熟知如何引导一个 22 公斤重的雪橇滑下冰道。运动员不仅要保持良好的身体状态以高速控制雪橇,而且还必须依靠先进的比赛设备,以在国际雪橇比赛中挑战其他领先的队伍。

他们与 1988 年奥运会选手、美国雪橇队技术项目经理 Jon Owen 一起踏上了寻找解答以下问题的旅程:

* 如何制造出更舒适的雪橇,以更好地适应每位运动员的身形,使他们能够更精准地驾驶雪橇,并最终获得更快的速度?

* 如何改进空气动力学,以便运动员在有陡坡和斜坡的赛道上滑行?

* 如何快速、简便地对在特定赛道和特定比赛中表现良好的设备部件进行编目和复制?

通过本文介绍,您将初步了解(无舵)雪橇这项稍显冷门的冬奥运动项目,并发现摘得金牌的奥秘。

当三维测量技术产品为冬奥会选手带来优势

当美国运动员 Chris Mazdzer 在平昌举行的 2018 年冬奥会上获得银牌时,这对美国雪橇队来说是一个历史性的时刻,因为之前从来没有哪位运动员在冬季奥运会的男子单人雪橇项目上获得过奖牌。在取得冬奥会胜利之前,Mazdzer 和美国雪橇队进行了许多测试,以寻求尽可能快的速度,并将风阻降到最低。

美国雪橇队所使用的雪橇是采用全新的设计技术,同时采用可与一级方程式赛车相媲美的特定制造工艺。总之,该竞技雪橇是由玻璃纤维、复合材料和钢材制成的空气动力学设备,其底部是两个高度抛光的滑架,通过急转弯、陡坡和急剧下降赛道,其最高时速速度可以达到 140 多公里。

在高度重视分析和运动技术的意义深远的研发项目中,雪橇的设计目的是实现最大的空气动力、最小的摩擦和最高的速度。

雪橇是根据每位运动员的身高、体重和比例为其量身定做的,主要由以下部分组成:

* 两块钢条,它们是雪橇上唯一与冰面接触的部分。它们由金属制成,需要足够锋利以便转向,但又能太过锋利而产生额外的摩擦。

* 两个桥结构,将滑架与吊舱连接起来,并支撑吊舱。

* 两个滑架,通常由玻璃纤维制成,是雪橇的主要转向装置。每个滑架的弧形部分(或)是软的。运动员使用他们的腿和脚踝,对一个或另一个角施加压力,以便在赛道上转向。(他们也可以通过肩部的小动作转移重心来转向。)

* 吊舱,是运动员躺在上面的平台,通常由玻璃纤维制成。

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在三维扫描、3D 建模

和逆向工程方面的建议和支持

美国雪橇队知道,如果没有高科技雪橇,奖牌是遥不可及的,因此,美国雪橇队与技术公司建立了强大的合作伙伴关系,以提高他们在科学、工程和技术方面的知识,从而制造出高水准的雪橇,并在国际舞台上大显身手。

Jon Owen、Mark Grimmette 和 Creaform 形创技术团队之间就将三维测量技术引入高水准雪橇的设计和开发过程中的讨论始于几年前的国际制造技术展(IMTS)。当时美国雪橇队想要从三维扫描市场领袖那里获得建议和支持,以通过改善运动员在吊舱上的位置和提高空气动力学性能来提高其雪橇的性能。“我们的目标一直都是为我们的运动员制造出更舒适、更符合空气动力学的设备,”Mark Grimmette 说,“这样他们就能更好、更容易、更快速地驾驶雪橇,达到他们想要的结果。”

三维扫描能否成为领先于其他奥运选手那宝贵的十分之一秒的解决方案,以带领美国选手在 2022 年中国冬奥会上取得更快的成绩?为了寻找这个问题的答案,Creaform 形创和美国雪橇队合作开展了以下项目。

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技术团队正在扫描练习赛道附近的一块钢条

项目一:运用三维扫描技术产品复制一组赢得过奖牌的钢条

Summer Britcher 在世界杯决赛的德国奥伯霍夫赛道上取得成功后,美国雪橇队希望复刻帮助该运动员成功赢得她梦寐以求的奖牌的一组钢条的特性。这样一来,团队可以更好地了解是哪些理想条件帮助她在这条特定赛道上获胜。他们可以对在比赛中表现出色的设备进行编目,并建立一个数据库来寻找获胜设备、运动员和赛道之间的相似之处。

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Summer Britcher 在奥伯霍夫

此外,凭借 HandySCAN 3D 扫描仪的蓝色激光技术以及它所提供的 0.1 mm 的网格分辨率,该团队能够以所需的分辨率采集获胜钢条的细微细节,并通过复制它们在未来的比赛中重现成功。

赛道附近进行三维扫描

钢条的 CAD 模型数据

项目二:运用三维扫描和增材制造改善每位运动员的吊舱的空气动力学形状

在将三维扫描引入到制造过程之前,根据运动员的身体定制吊舱的任务是手工完成的,这需要多次设计迭代,使竞技平台尽可能完美。然后,技术团队会根据这个定制的吊舱制造一个模具,以便比赛用吊舱准确再现其形状。尽管如此,如果在风洞中测试空气动力学特性后需要对吊舱做出调整,那么团队是无能为力的。

“我们会为空气动力学特性做大量的风洞测试,” Jon Owen 说。“每次我们在风洞实验室(一个受控的环境)获得数据时,我们就想,如果我们能在情绪高涨和声势浩大的比赛举行之前调整一下,哪怕只是那么一下,这就可以大大提高我们的表现。Creaform 形创的手持式蓝光三维扫描仪使这一切成为可能。”

现在,由于配备了 Creaform 形创三维扫描仪,制造过程变得更加高效。在手工设计完吊舱后,我们对模型进行三维扫描,然后使用 VXmodel 扫描到 CAD 后处理软件来验证所有的表面是否美观光滑、没有缺陷以及是否是左右对称的。如果需要根据新的空气动力学信息做出修改,我们可以轻松调整 CAD 模型。然后,技术团队能够 3D 打印模具并制造吊舱,现在的吊舱比用以前的制造工艺制造出来的吊舱更加精确。

项目三:制造和复制复杂的有机形状

角是独特的部件,每位运动员所用的角都不一样,并且由于其复杂的有机形状,通常很难复制。因为每位运动员的腿长和脚形都不一样,特别是在双打比赛中,这个特殊的部件必须完全贴合运动员的身形。“特别是在那个区域,” Jon Owen 强调说,“因为它是雪橇最前面的第一个迎风部件,一切都需要尽可能地干净利落。”

通过使用 HandySCAN 3D,美国队已经能够轻松地扫描这些复杂的有机形状,缩小它们的尺寸,将它们连接到滑架上,并用碳纤维包裹它们。“这是制造过程中的另一个步骤,在 Creaform 形创团队加入我们之前,这一切都是非常繁琐的,” Mark Grimmette 补充说,“三维扫描正在帮助我们以更简单、更容易、更快速的方式制造和复制如此复杂的部件。”

2022 年中国冬奥会愿景

在 Creaform 形创计量团队和工程服务部门的帮助下,美国雪橇队已经能够对他们的设备进行三维扫描,并使用熔融沉积成型(FDM)技术创建模具。该技术团队选择了三维扫描和 Stratasys 的 3D 打印技术,而不是更传统的成型方法,这提高了他们的能力和灵活性,使他们能够更快速、更高效地进行迭代,让团队在出发去参加比赛之前尝试各种不同版本的雪橇。

“Creaform 形创帮助我们对产品开发过程进行微调,没有他们的帮助,我们不可能做到这一点,” Jon Owen 补充说,“我们迫不及待地想要看到我们未来将会取得什么样的成绩以及我们将如何继续改善我们的流程和表现。”

还有不到 1 个月的时间,北京 2022 年冬奥会就要在开幕啦,Creaform 形创非常期待各位运动员驾驶新雪橇的表现,同时也希望通过本案例让更多本土用户进一步了解 Creaform 形创便携式三维扫描技术产品的多元应用场景和出众的技术优势。

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关于 CREAFORM

Creaform 形创开发、制造并销售 3D 便携式及自动化测量技术产品,专门从事工程服务。公司提供创新应用解决方案,如三维扫描、逆向工程、质量控制、无损检测、产品开发和数值模拟 (FEA/CFD)。公司的产品和服务面向各大行业,例如汽车航空航天、消费品、重工业、医疗保健、制造业、石油与天然气、发电业以及研究与教育。

Creaform 形创的总部和制造运营地位于加拿大魁北克省莱维斯 (Lévis),在莱维斯和法国的格勒诺布尔 (Grenoble) 都设有创新中心,在加拿大、美国、墨西哥、巴西、法国、德国、意大利、西班牙、中国、日本、韩国、泰国和新加坡都拥有直接业务运营团队。Creaform 形创是 AMETEK 阿美特克公司旗下部门 AMETEK Ultra Precision Technologies 的一员,AMETEK 系全球领先的电子仪器和机电设备制造商,年销售额达 50 亿美元。

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(CREAFORM形创 )

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