殘奧會(huì)如何使用3D打印？

魔猴君  知識(shí)堂   23天前

體育運(yùn)動(dòng)適合所有人，因此無論個(gè)人條件和限制如何，都應(yīng)該讓每個(gè)人都可以參與。然而，運(yùn)動(dòng)通常與表現(xiàn)聯(lián)系在一起，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，身體健康被錯(cuò)誤地視為基本要求。事實(shí)并非如此，正如所有殘奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員所證明的那樣，盡管他們個(gè)人有限，但在某些情況下，在包括3D打印在內(nèi)的技術(shù)手段的幫助下，他們?cè)跉垔W會(huì)期間向公眾展示了非凡的體育表現(xiàn)。游戲。

殘疾運(yùn)動(dòng)員的體育運(yùn)動(dòng)和協(xié)會(huì)已經(jīng)存在了100多年。路德維?！す盘芈?Ludwig Guttmann)博士在斯托克曼德維爾醫(yī)院建立了脊髓損傷治療中心，并利用體育比賽來幫助受傷士兵康復(fù)，為我們今天所知的殘奧會(huì)做出了重大貢獻(xiàn)。斯托克曼德維爾運(yùn)動(dòng)會(huì)是殘奧會(huì)的起源，殘奧會(huì)于1984年得到國(guó)際奧委會(huì)的正式認(rèn)可?！癙ara”一詞源自希臘語“旁邊”，暗示奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)同時(shí)存在并同時(shí)舉行。邊

圖1 殘奧會(huì)的歷史可以追溯到20世紀(jì)斯托克曼德維爾運(yùn)動(dòng)會(huì)期間（照片來源：Simon Bruty，OIS-CIO）

殘奧會(huì)期間，患有不同身體和認(rèn)知障礙的運(yùn)動(dòng)員參加比賽，并根據(jù)殘疾類型分為不同的組。每個(gè)學(xué)科還有分級(jí)制度，保證公平競(jìng)爭(zhēng)。參加同一類別比賽的運(yùn)動(dòng)員必須在運(yùn)動(dòng)、協(xié)調(diào)和平衡方面具有相似的功能能力。

在剛剛結(jié)束的巴黎2024年夏季殘奧會(huì)上，4,400名運(yùn)動(dòng)員在22個(gè)不同的體育項(xiàng)目中角逐獎(jiǎng)牌。運(yùn)動(dòng)員及其成就一直備受關(guān)注，但他們的同伴，即技術(shù)輔助工具，也發(fā)揮了作用。得益于現(xiàn)代技術(shù)，殘疾人運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出越來越多的創(chuàng)新和技術(shù)新穎性，使運(yùn)動(dòng)員能夠超越自己的極限。

圖2：2024年巴黎殘奧會(huì)（圖片來源：Olympics.com）

殘奧會(huì)3D打印

殘奧會(huì)運(yùn)動(dòng)不同程度地依賴技術(shù)輔助。無論是輪椅、假肢還是運(yùn)動(dòng)器材，技術(shù)進(jìn)步正在幫助運(yùn)動(dòng)員超越極限，發(fā)展殘奧運(yùn)動(dòng)。

“運(yùn)動(dòng)是最好的良藥，”前德國(guó)田徑運(yùn)動(dòng)員、多屆殘奧會(huì)獎(jiǎng)牌獲得者海因里?！げú?Heinrich Popow)說道。同時(shí)，他強(qiáng)調(diào)了技術(shù)在殘奧運(yùn)動(dòng)中的重要性?！笆褂幂o助設(shè)備本身就是一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，”波波先生說。因此，他主張將奧林匹克運(yùn)動(dòng)與殘奧運(yùn)動(dòng)分開，后者依賴技術(shù)輔助，因此追求自己的極限和目標(biāo)表現(xiàn)?！斑@就是殘奧會(huì)運(yùn)動(dòng)的美妙之處。我們注意到，表演的密度越來越大，因?yàn)轶w育運(yùn)動(dòng)是以表演為導(dǎo)向的，”Popow先生強(qiáng)調(diào)道。

不同技術(shù)的結(jié)合經(jīng)常被用來超越性能極限，這使得殘奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員能夠練習(xí)新的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，同時(shí)也能夠在當(dāng)前的學(xué)科中獲得新的可能性。例如，3D打印與3D掃描和設(shè)計(jì)優(yōu)化等其他技術(shù)相結(jié)合，可以幫助改善人體工程學(xué)、移動(dòng)性和舒適度，從而促進(jìn)比賽和訓(xùn)練中的最佳表現(xiàn)。這就是為什么越來越多的運(yùn)動(dòng)員開始接受3D打印的好處，在過去的幾年里，我們?cè)跉垔W會(huì)上看到了越來越多的3D打印輔助器材，當(dāng)然包括尖端的假肢和矯形器，但也自行車比賽中的設(shè)備，例如符合人體工學(xué)的握把和手套。

圖3:瑞士選手Flurina Rigling穿著3D打印鞋參加巴黎殘奧會(huì)（照片來源：Tobias Lackner）。

穿著3D打印鞋參加2024年巴黎夏季殘奧會(huì)自行車比賽的瑞士運(yùn)動(dòng)員Flurina Rigling（已于8月29日獲得銅牌）總結(jié)了3D打印為運(yùn)動(dòng)員帶來的好處：“這項(xiàng)創(chuàng)新幫助我很多，”里格林說。“你要想象一下：以前，我只有一只皮鞋。一旦濕了，我必須先讓它干燥。如今，3D打印鞋子的生產(chǎn)速度相對(duì)較快，而且比舊鞋子輕得多。這對(duì)我來說有很大的不同。?

事實(shí)上，越來越多的高性能材料可以使用3D打印工藝進(jìn)行加工，這也提高了運(yùn)動(dòng)員的舒適度。例如，多材料打印可用于生產(chǎn)具有軟質(zhì)和硬質(zhì)部件的組件。3D打印的其他好處包括個(gè)性化和高度定制。打印的物品可以進(jìn)行測(cè)量，然后完美地適應(yīng)相關(guān)人員；另一方面，如果人的需求在受傷后發(fā)生變化，它們也可以很快適應(yīng)。

鑒于運(yùn)動(dòng)員的輔助工具和零件種類繁多，可以使用各種3D打印工藝和材料也是理所當(dāng)然的。這就是為什么維修服務(wù)中心擁有大量的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)資源來進(jìn)行維修。特別是在工藝方面，我們發(fā)現(xiàn)了FDM、SLS和MJF。

FDM 3D打印主要用于零件原型設(shè)計(jì)和測(cè)試，以確保插座能夠完美貼合運(yùn)動(dòng)員（因?yàn)樘o或太松都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響）。相比之下，對(duì)于許多運(yùn)動(dòng)員直接使用的假肢來說，MJF 3D打印和SLS是為殘疾人運(yùn)動(dòng)制造高性能部件的熱門選擇。

圖4：假肢現(xiàn)在通常由3D打印機(jī)制成（照片來源：Autodesk）

這讓我們想到了材料。正如您所料，所使用的材料根據(jù)制造的零件而有很大差異。可以使用3D打印的標(biāo)準(zhǔn)材料，例如尼龍和ABS，特別是對(duì)于原型而言，但碳纖維增強(qiáng)材料更常用于最終零件。事實(shí)上，在復(fù)合材料部件中，增強(qiáng)纖維（包括CF和GF）可以專門或連續(xù)地集成到熱塑性基體中。在3D打印中，增強(qiáng)纖維可以精確放置，這意味著可以專門定制零件的剛度，同時(shí)可以打印輕質(zhì)零件。此外，還采用了金屬3D打印。例如，鈦用于打印個(gè)性化假肢，這些假肢比標(biāo)準(zhǔn)假肢堅(jiān)固得多。

新西蘭殘奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員安娜·格里馬爾迪(Anna Grimaldi)使用3D打印的鈦假肢安全舉起了50公斤的重物。方法和材料的選擇通常取決于具體情況，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員優(yōu)先考慮性能和舒適度。有時(shí)，不同技術(shù)（數(shù)控、注塑成型、3D打?。┑慕M合被用來為運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造最佳解決方案。然而，近年來的大量例子表明，3D打印在殘奧會(huì)上正在取得進(jìn)展。

用于現(xiàn)場(chǎng)維修的3D打印

在這方面還應(yīng)該提到維修。強(qiáng)力、外部沖擊、跌落可能會(huì)導(dǎo)致所有運(yùn)動(dòng)器材的磨損、損壞和零件斷裂。3D打印可以根據(jù)損壞的程度進(jìn)行快速修復(fù)，甚至可以直接在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修復(fù)。

這就是為什么殘奧會(huì)設(shè)有專門的維修車間——奧托博克技術(shù)維修服務(wù)中心。奧托博克是國(guó)際殘奧委員會(huì)(IOC)的長(zhǎng)期合作伙伴，自1988年首爾奧運(yùn)會(huì)以來一直為巴黎的運(yùn)動(dòng)員提供支持，其國(guó)際團(tuán)隊(duì)由164人組成。除了位于奧運(yùn)村內(nèi)的720平方米的主車間外，體育設(shè)施內(nèi)還有14個(gè)較小的車間。主車間包括焊接車間、縫紉車間、制鞋車間、特種熱塑性塑料部門，以及3D打印機(jī)和3D掃描儀。

圖5：奧托博克維修中心開展各種維修工作，包括使用3D打印機(jī)進(jìn)行維修（照片來源：3Dnatives）

就像一級(jí)方程式賽車中的進(jìn)站一樣，運(yùn)動(dòng)員帶著損壞的部件和疑慮來到車間，并可以依靠現(xiàn)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)使用修復(fù)后的設(shè)備準(zhǔn)時(shí)開始比賽。巴黎工作室的技術(shù)總監(jiān)兼奧托博克骨科技術(shù)大師Julian Napp強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)代技術(shù)的重要性：“新的數(shù)字化可能性使我們能夠更快地幫助運(yùn)動(dòng)員。在殘奧會(huì)期間，時(shí)間對(duì)于運(yùn)動(dòng)員和我們技術(shù)人員來說都是一個(gè)關(guān)鍵因素。然而，研討會(huì)的成功因素仍然是團(tuán)隊(duì)的專業(yè)知識(shí)。創(chuàng)造力、解決方案導(dǎo)向和經(jīng)驗(yàn)與最新技術(shù)相結(jié)合，是我們?yōu)檫\(yùn)動(dòng)員提供的支持。?

正如奧托博克全球活動(dòng)、展覽和體育主管Peter Franzel在新聞發(fā)布會(huì)上解釋的那樣，自2021年東京奧運(yùn)會(huì)以來，奧托博克也一直在現(xiàn)場(chǎng)使用3D打印機(jī)。在巴黎，該團(tuán)隊(duì)擁有Cosmyx和Markforged的3D打印機(jī)，可以直接在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)模型和最終零件。此外，自東京會(huì)議以來，3D打印的使用不斷增長(zhǎng)，從單一的測(cè)試機(jī)器發(fā)展到目前的運(yùn)行。

“我們可以在現(xiàn)場(chǎng)打印、掃描并安裝試用插座（用于假肢）。例如，如果存在生長(zhǎng)、疤痕等，仍然可以修改試驗(yàn)插座。必須考慮在內(nèi)。然后再次掃描建模的插座以獲得最終形狀。然后將掃描結(jié)果發(fā)送到格勒諾布爾（奧托博克的法國(guó)同事）并使用粉末打印工藝進(jìn)行打印?！碑?dāng)被問及3D打印的具體應(yīng)用示例時(shí)，F(xiàn)ranzel評(píng)論道。

圖6：奧托博克維修中心現(xiàn)場(chǎng)配有3D打印機(jī)和手持掃描儀。（照片來源：3Dnatives）

奧托博克迄今為止收到的維修訂單中，56%主要涉及輪椅，其余為假肢和矯形器。在東京，奧托博克總共完成了2,200次維修；巴黎殘奧會(huì)上，維修中心超過了這個(gè)數(shù)字。奧托博克維修中心的速度和技術(shù)范圍對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來說至關(guān)重要，以便他們?cè)谳o助設(shè)備突然損壞時(shí)得到最好的護(hù)理，并能夠完全專注于自己的表現(xiàn)。

我們無法通過3D打印直接參與運(yùn)動(dòng)員的表演。但事實(shí)上，我們可以快速掃描、建模和制造，這意味著我們也可以快速為運(yùn)動(dòng)員供貨。當(dāng)然，這使他們能夠更好地專注于他們的運(yùn)動(dòng)并完成他們的訓(xùn)練課程。與傳統(tǒng)方法不同，運(yùn)動(dòng)員試衣需要先打石膏，然后再試衣，因此需要很長(zhǎng)時(shí)間。這是我看到3D打印最大影響的地方。–Leon Fiolka，奧托博克首席產(chǎn)品官

3D技術(shù)提供了許多可能性，現(xiàn)場(chǎng)3D打印對(duì)許多運(yùn)動(dòng)員來說非常有用?！胺评怂埂に固乩蕘淼轿覀兊男迯?fù)中心，想要對(duì)他的殘肢進(jìn)行掃描，”目前在殘奧運(yùn)動(dòng)員村修復(fù)中心工作的萊昂·菲奧爾卡(Leon Fiolka)說道：“他很高興我們現(xiàn)在有機(jī)會(huì)掃描他的殘肢就在現(xiàn)場(chǎng)，因?yàn)檫@使他免于飛往德國(guó)。另一個(gè)成功案例是我們?cè)O(shè)計(jì)的輪椅的小型3D打印替換部件，因此剎車再次起作用，運(yùn)動(dòng)員能夠在街道上安全地駕駛?cè)粘］喴巍?

Heinrich Popow還強(qiáng)調(diào)了維修中心及其技術(shù)可能性對(duì)運(yùn)動(dòng)員的價(jià)值，并講述了一個(gè)關(guān)于比賽前發(fā)生的損壞的軼事：“我在倫敦獲得的金牌也歸功于奧托博克的維修服務(wù)，沒有他們我就不可能獲得金牌?！睆膩頉]有獲得過金牌！“

圖7：輪椅是修復(fù)工作的重要組成部分（照片來源：奧托博克）

殘奧會(huì)的應(yīng)用

現(xiàn)在是時(shí)候更具體地了解3D打印在殘奧會(huì)上的應(yīng)用了。總體來說，3D打印在殘奧運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用可以分為兩類：假肢矯形器和工具。這兩個(gè)類別的區(qū)別在于，一個(gè)類別集成到運(yùn)動(dòng)員的身體中，而另一個(gè)類別可以被視為運(yùn)動(dòng)員裝備的一部分。

第一個(gè)例子是參加2016年里約殘奧會(huì)的德國(guó)自行車運(yùn)動(dòng)員丹尼斯·辛德勒(Denise Schindler)，她使用了3D打印假肢，該假肢是在Autodesk的幫助下使用數(shù)字化和3D打印技術(shù)制造的，因?yàn)樗绕渌僦p14%。碳纖維部件同時(shí)保持相同的強(qiáng)度。此外，生產(chǎn)時(shí)間也顯著縮短。使用傳統(tǒng)方法制造假肢大約需要12周時(shí)間，而增材制造制造的假肢只需48小時(shí)即可打印出來。結(jié)果，她獲得了銅牌和銀牌，并因殘奧會(huì)使用的第一個(gè)3D打印假肢而進(jìn)入吉尼斯世界紀(jì)錄。

圖8：憑借3D打印假肢，丹尼斯·辛德勒(Denise Schindler)在2016年榮獲銅牌和銀牌（照片來源：Autodesk）。

這并不是唯一的例子。美國(guó)運(yùn)動(dòng)員邁克·舒爾茨在失去一條腿后無法再參加極限摩托車和雪地摩托比賽，因此轉(zhuǎn)向了殘疾人滑雪板。但他需要一種獨(dú)特的假肢，能夠承受劇烈運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的壓力。這就是3D打印發(fā)揮作用的地方。

Stratasys能夠使用TPU 92A幫助制造具有兩個(gè)不同關(guān)節(jié)的假肢（舒爾茨的腿已在膝蓋以上截肢）。這種材料不僅用于最終零件，而且還有助于設(shè)計(jì)過程，因?yàn)樵霾闹圃炜梢詫?shí)現(xiàn)更快的迭代，有助于滿足Mike Schultz的不同要求。最終，他憑借假肢在殘奧會(huì)上奪得了金牌和銀牌。

矯形器也可以發(fā)揮作用。拉脫維亞輪椅擊劍運(yùn)動(dòng)員波琳娜·羅茲科娃在里約殘奧會(huì)之旅中面臨著設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。然而，Stratasys能夠創(chuàng)建一個(gè)定制的3D打印背托，她可以在訓(xùn)練和比賽期間使用。3D打印可以為他的下背部制作定制的背部矯形器，以限制身體活動(dòng)期間的任何不適或緊張。該矯形器由尼龍12制成，保證其輕便性和靈活性。

工具呢？這些部件經(jīng)常用于殘奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員的裝備，但不一定集成到他們的身體中。這是增材制造真正開始大放異彩的領(lǐng)域之一。

例如，2014年，德國(guó)冬季兩項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員Martin Fleig憑借3D打印的“雪橇”參加索契冬季殘奧會(huì)而成為頭條新聞。他與弗勞恩霍夫研究所合作開發(fā)了這款坐式滑雪雪橇，作為“暴風(fēng)雪”項(xiàng)目的一部分。該賽車機(jī)器通過3D設(shè)計(jì)和打印完美適應(yīng)馬丁的身體。他使用他的最后一臺(tái)賽車獲得了第九名，該賽車由3D打印、由PA12和粘合鋼絲制成。

圖9：Martin Fleig在他的3D打印“雪橇”上（照片來源：Fraunhofer IWM）

其他示例包括由建模與仿真中心(CFMS)為英國(guó)退伍軍人、殘奧會(huì)滑雪運(yùn)動(dòng)員達(dá)倫·斯威夫特(Darren Swift)開發(fā)的3D打印滑雪板固定裝置。它們由玻璃增強(qiáng)尼龍制成，使他在2022年中國(guó)奧運(yùn)會(huì)上比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更具優(yōu)勢(shì)。英國(guó)殘奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員喬·湯森(Joe Townsend)也使用3D打印在他的賽車上制作定制零件，而殘奧會(huì)殘奧會(huì)冠軍艾瑪·威格斯(Emma Wiggs MBE)則使用3D打印。2020年，她設(shè)計(jì)了一款完美貼合她雙手的球拍，幫助她再奪一枚殘奧會(huì)金牌，并在2020年東京奧運(yùn)會(huì)上創(chuàng)下了57.028秒的紀(jì)錄。

觀察到的另一個(gè)趨勢(shì)是3D打印手套。Joe Townsend、Tatyana McFadden和Arielle Rausin都使用3D打印來制造更耐用的手套，這些手套可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的手部進(jìn)行塑形，并根據(jù)他們的個(gè)人需求進(jìn)行定制。這些手套特別適合輪椅比賽，麥克法登女士在2024年巴黎殘奧會(huì)期間使用了她的手套。

圖10：塔蒂亞娜·麥克法登(Tatyana McFadden)將佩戴3D打印手套參加2024年殘奧會(huì)（照片來源：Olympics.com）

現(xiàn)在你就擁有了！3D打印正在逐漸幫助改變殘奧會(huì)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，成為運(yùn)動(dòng)員利用身體超越人類極限的工具。2024年奧運(yùn)會(huì)于昨天結(jié)束，這是慶祝增材制造在體育運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用的一次盛會(huì)。

來源：3dnatives