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2024-02-29 【3D掃描案例】體育研發(fā)公司利用「3D掃描技術(shù)和模型分析」打造世界頂尖的競(jìng)賽單車(chē)
【3D掃描案例】體育研發(fā)公司利用「3D掃描技術(shù)和模型分析」打造世界頂尖的競(jìng)賽單車(chē)
之前我們分享過(guò)許多海外3D掃描相關(guān)成功案例，包含 : 幫助優(yōu)化食品生產(chǎn)線、3D掃描後列印義肢、工業(yè)鍛造模修復(fù)...，這次又有一家自行車(chē)製造業(yè)運(yùn)用掃描技術(shù)成功將他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)晶推向世界級(jí)場(chǎng)地自行車(chē)錦標(biāo)賽中，它們特別為「2021年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)」項(xiàng)目而設(shè)計(jì)，並已獲得「國(guó)際自行車(chē)聯(lián)盟（UCI）」的全面認(rèn)可。
證明了若能駕馭好3D掃描技術(shù)結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)洞察，帶來(lái)的商機(jī)遠(yuǎn)超乎想像，一起來(lái)看看他們是如何將超高速WX-R單車(chē)設(shè)計(jì)成真實(shí)存在的產(chǎn)品!
挑戰(zhàn)
一家體育研發(fā)公司Vorteq需要以高分辨率3D形式將一系列專(zhuān)業(yè)賽車(chē)數(shù)字化捕捉，以用於創(chuàng)建極具空氣動(dòng)力學(xué)的競(jìng)賽單車(chē)。
解決方案
Artec Leo、Artec Space Spider、Artec Studio、Geomagic Wrap
結(jié)果
使用專(zhuān)業(yè)手持式3D掃描儀，捕捉了多輛賽車(chē)的3D模型。這些精確的3D模型具有自行車(chē)幀和組件的精確幾何形狀，運(yùn)用3D數(shù)據(jù)相結(jié)合設(shè)計(jì)出一款非凡的單車(chē)。
在職業(yè)和奧運(yùn)自行車(chē)的世界中，空氣阻力確實(shí)是一種阻力。但現(xiàn)在，通過(guò)使用最新的手持式3D掃描技術(shù)結(jié)合尖端的CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）分析、CAD專(zhuān)業(yè)知識(shí)和設(shè)計(jì)思想，總部位於英國(guó)的Vorteq公司，與WX-R的工程師合作，創(chuàng)造了一輛能夠穿梭於空氣中的自行車(chē)，已經(jīng)在自行車(chē)行業(yè)中掀起了風(fēng)潮。
Vorteq WX-R 競(jìng)賽單車(chē) (Source: Courtesy of Vorteq)
數(shù)十年來(lái)，競(jìng)賽自行車(chē)製造商一直致力於使他們的機(jī)械設(shè)計(jì)成為路面上首選的競(jìng)賽單車(chē)，但在很大程度上，他們的設(shè)計(jì)都是基於競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的設(shè)計(jì)。偶爾會(huì)使用風(fēng)洞測(cè)試和CFD測(cè)試。然而，一個(gè)關(guān)鍵性的方面大多被忽略 : 速度方程式、騎手們自己、他們的自行車(chē)以及生物力學(xué)，有考量到到比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更多點(diǎn)面向便是贏過(guò)對(duì)手的極佳策略。
“ 什麼是CFD ? ”
一種計(jì)算流體力學(xué)，透過(guò)電腦模擬和分析流體（如氣體或液體）在不同條件下的行為。
“ 什麼是風(fēng)向測(cè)試 ? ”
通過(guò)這種技術(shù)，我們可以測(cè)試自行車(chē)在不同風(fēng)速和風(fēng)向下的性能表現(xiàn)。進(jìn)而幫助我們?cè)O(shè)計(jì)更加流線型和節(jié)能的自行車(chē)，從而提高騎行速度和效率。
通過(guò)多年在F1和賽車(chē)界工作中獲得的CFD專(zhuān)業(yè)知識(shí)，解決最棘手的工程挑戰(zhàn)，為客戶(hù)提供超級(jí)加速的解決方案，位於Vorteq的設(shè)計(jì)工程師，一家TotalSim公司，它將目光投向了創(chuàng)造世界上最快的自行車(chē)的目標(biāo)。
該項(xiàng)目的第一階段需要以高分辨率3D形式數(shù)字化捕捉一系列專(zhuān)業(yè)賽車(chē)。在掃描之後，將使用這些自行車(chē)的3D模型進(jìn)行尖端的CFD分析，結(jié)合最新的風(fēng)洞測(cè)試和研究，包括分析自行車(chē)手（自行車(chē)所有者）自身的騎行習(xí)慣，之後，將一切整合在一起，以創(chuàng)建最終的空氣動(dòng)力學(xué)賽車(chē)Vorteq WX-R。
Vorteq測(cè)量工程師解釋了他們是如何進(jìn)行掃描的：
1.「我們掃描了一系列自行車(chē)，以獲得精確的數(shù)字模型，然後在我們的CFD系統(tǒng)中比較它們，看看阻力的差異是什麼，然後對(duì)3D模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整和修改以提高性能。通過(guò)這種方式，我們能夠從多輛自行車(chē)中提取最佳並將它們合併到一個(gè)設(shè)計(jì)中?！?br />
2. 「與此同時(shí)，在我們進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，我們與SSEH 體育研發(fā)同業(yè)合夥，分析了這些自行車(chē)的騎手以了解他們積極產(chǎn)生動(dòng)力的方式以及這如何影響整輛自行車(chē)。這裡獲得了大量非常寶貴的數(shù)據(jù)，這是進(jìn)行自行車(chē)設(shè)計(jì)的一個(gè)砍倒競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的秘密因素?！?/span>
中期開(kāi)發(fā)過(guò)程中3D掃描是如何幫助的?
工程師將每個(gè)騎手的自行車(chē)放入固定夾具中，然後對(duì)曲柄區(qū)域施加不同程度的負(fù)荷，在曲柄上添加一些彎曲，以查看框架彎曲的程度。這一點(diǎn)一直到峰值動(dòng)力產(chǎn)生，以再現(xiàn)扭矩通過(guò)踏板、曲柄、並穿過(guò)輪軸輪。然後，使用3D掃描儀在這個(gè)過(guò)程中精確捕捉自行車(chē)的框架，並從這些掃描中生成偏差圖，顯示框架的彎曲方式和位置。
3D掃描極簡(jiǎn)化了工程師的工作流程
“將掃描檔導(dǎo)入後處理軟件Artec Studio，自行車(chē)掃描是很快速的，頭先簡(jiǎn)單粗略檢查雛型確保一切看起來(lái)完善。隨後使用橡皮擦工具刪除掃描中存在的任何不需要的數(shù)據(jù)。然後使用默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行全局配準(zhǔn)，3D模型就已經(jīng)非常完美。”
接下來(lái)重點(diǎn)將進(jìn)行『銳化融合』以處理組件和剛性結(jié)構(gòu)，銳化融合保留了我們需要的自行車(chē)模型的所有複雜幾何細(xì)節(jié)。再來(lái)將其導(dǎo)出為OBJ文件到Geomagic Wrap把3D數(shù)據(jù)文件為精美的3D模型，進(jìn)行一些額外的設(shè)計(jì)步驟，然後將生成的3D模型發(fā)送到CFD系統(tǒng)。”
“ 什麼是銳化融合? ”
使用一種特殊的技術(shù)來(lái)把不同的3D掃描影像或模型合併在一起，然後讓它們看起來(lái)更加清晰和細(xì)節(jié)豐富。就像是把幾張相片合成一張更好的合照一樣，這樣可以讓我們更清楚地看到物體的形狀和紋理，從而更好地了解它們的樣子。
在研發(fā)階段之後，為了將他們的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，Vorteq與英國(guó)自行車(chē)製造商Worx合作，該公司過(guò)去曾製造過(guò)自己的賽車(chē)，但沒(méi)有像Vorteq WX-R這樣的賽車(chē)。
Vorteq WX-R已經(jīng)在比賽中進(jìn)行比賽，並計(jì)劃參加?xùn)|京奧運(yùn)會(huì)。在UCI世界場(chǎng)地自行車(chē)錦標(biāo)賽上，它的全套裝備貢獻(xiàn)了兩枚獎(jiǎng)牌、3個(gè)終身最佳、2個(gè)國(guó)家記錄和一個(gè)新的亞洲記錄。
“ 在尋找一款專(zhuān)業(yè)手持式3D掃描儀時(shí)，必須滿(mǎn)足所有要求的精確度、捕獲速度且滿(mǎn)足設(shè)計(jì)用於以令人驚嘆的色彩捕捉中等大小物體。在我們的經(jīng)驗(yàn)裡一臺(tái)強(qiáng)大的掃描器可以在15~30分鐘的時(shí)間內(nèi)完全捕捉一輛專(zhuān)業(yè)的賽車(chē)。”