Scope 推出鋁合金3D 打印自行車棘輪，拓撲優(yōu)化設計釋放輕量化優(yōu)勢

2024年4月8日，南極熊獲悉，Scope——一支由荷蘭工程師、設計師和熱衷于騎行的自行車手組成的團隊，他們開發(fā)和銷售高性能手工打造的碳纖維車輪。該團隊推出了一款新型拓撲優(yōu)化的3D打印棘輪，用于其最先進的Artech產(chǎn)品。這款設備是又一款采用Scalmalloy材料打印的高端消費產(chǎn)品（最近我們看到了不少類似產(chǎn)品，從Pinarello最新的競速自行車車架到Barrelhand的“太空手表”），使該公司能夠將真正輕量級的車輪組與最佳的空氣動力學相結合。

在自行車車輪中，棘輪機構是后輪轂的關鍵部件，特別是在多速自行車中。它通常由與一個或多個棘爪嚙合的齒組成，允許輪子沿一個方向（向前）自由轉(zhuǎn)動，同時防止其沿相反方向（向后）轉(zhuǎn)動。

該機構對于自行車飛輪或飛輪系統(tǒng)的功能至關重要。當您向前踩踏板時，棘輪嚙合，使車輪轉(zhuǎn)動并推動自行車前進。然而，當您停止踩踏或向后踩踏時，棘輪會脫離，從而使車輪自由旋轉(zhuǎn)，而無需轉(zhuǎn)動踏板或鏈條。

△金屬激光粉末床融合 (L-PBF) 打印平臺上的串行 3D 打印棘輪。

棘輪系統(tǒng)可以將動力從踏板有效傳輸?shù)胶筝啠�同時無需不斷踩踏板即可滑行。這是大多數(shù)現(xiàn)代自行車中都采用的簡單而有效的設計。

在任何競技自行車比賽中，輕量化車輪的重要性都不可低估。它在很多方面影響騎行體驗。空氣動力學和輕量級的結合使 Artech 在競爭中脫穎而出。借助 Artech，Scope 使得使用 Aero 輪組參加環(huán)法自行車賽爬坡賽段成為可能，從而為自行車行業(yè)帶來一場革命。

△帶有3D 打印棘輪的 Artech 車輪模型之一。

設計未來的自行車車輪

Artech 輪圈的形狀由 Scope的算法增強空氣動力學 (AEA) 技術定義。該算法優(yōu)化了最具空氣動力學性能的輪輞輪廓，保證了最佳的空氣動力學性能。

最初的 AEA 算法于 2017 年與代爾夫特理工大學（航空航天工程）合作開發(fā)，是基于 2D 的，并在優(yōu)化中考慮了輪輞和輪胎的相互作用效應。為了重新定義空氣動力學的基準，Scope改進了其算法，使其基于 3D，將帶有組件的完整自行車納入優(yōu)化。

為了研究 Aeroscales 的效果，Scope 創(chuàng)建了包含和不包括 Aeroscales 的 Artech 輪圈的 3D 打印原型。帶有 Aeroscales 的輪圈在偏航角 10 度以上和以下時阻力顯著降低，如下面的阻力曲線所示。Aeroscales 顯著減少了 10度偏航角以上和以下的阻力。在英國 Silverstone Sport Engineering 風洞中測量（2023 年 6 月）。

打印未來的自行車車輪

拓撲優(yōu)化是一種數(shù)學算法，它根據(jù)一組載荷工況和給定的設計空間來優(yōu)化輪轂殼體的形狀。該算法在保證所需強度的同時找到最輕量化的設計。有趣的是，拓撲優(yōu)化產(chǎn)生的骨狀結構再次展現(xiàn)了自然的力量。

增材制造/3D 打印技術釋放了拓撲優(yōu)化的潛力，從而實現(xiàn)了極其堅固且輕質(zhì)的輪轂設計。 Artech 輪轂殼在德國使用 Scalmalloy 材料（一種高性能鋁鈧合金材料）進行 3D 打印。它是德國公司 APWorks專門為增材制造開發(fā)的第一批合金之一，如今主要用于航空航天和一級方程式賽車等行業(yè)。

鉆石棘輪系統(tǒng)的優(yōu)化設計可降低棘輪齒上的峰值張力。與類金剛石碳涂層相結合，使得Scope 能夠應用更輕的鈦材料，從而與 Scope Race 系列的鋼制金剛石棘輪相比減輕了重量。 Artech 車輪的標價為 4,000 歐元，并不適合每個口袋。但許多自行車專業(yè)人士和愛好者會考慮（并渴望）它們。