3D打印技術(shù)在足球領(lǐng)域是如何應(yīng)用的？

魔猴君  科技前沿   6天前

3D打印技術(shù)正日益受到各界人士的關(guān)注，無(wú)論是個(gè)人項(xiàng)目還是建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域的工業(yè)制造，都離不開它。3D打印在體育領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，涵蓋了個(gè)人和專業(yè)用途。我們之前已經(jīng)討論過創(chuàng)新的自行車背包、F1賽車的復(fù)雜技術(shù)，甚至還有耐克和阿迪達(dá)斯推出的3D打印運(yùn)動(dòng)鞋。今天，我們將深入探討可以說是世界上最受歡迎的運(yùn)動(dòng)：足球，更具體地說，是增材制造技術(shù)在足球裝備制造中的應(yīng)用。

體育場(chǎng)館、商品銷售等等

在探討服裝和口罩等更顯而易見的應(yīng)用之前，我們想先重點(diǎn)介紹一些來(lái)自足球領(lǐng)域的實(shí)例。例如，您是否知道，備受爭(zhēng)議的卡塔爾世界杯的體育場(chǎng)館曾使用3D打印模型進(jìn)行測(cè)試？卡塔爾的沙漠環(huán)境給工程師和建筑師帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)樯衬L(fēng)和熱浪頻繁出現(xiàn)，對(duì)觀眾和職業(yè)運(yùn)動(dòng)員都造成了影響。據(jù)國(guó)際足聯(lián)稱，卡塔爾專門建造了一個(gè)風(fēng)洞，用于測(cè)試1:300比例模型的空氣動(dòng)力學(xué)性能?？ㄋ柎髮W(xué)的薩烏德·阿卜杜勒·阿齊茲·阿卜杜·加尼教授這樣描述這些測(cè)試：“我們可以顯示每個(gè)樓層的溫度，添加諸如汗液產(chǎn)生量和觀眾人數(shù)等變量，然后運(yùn)行模擬并觀察其對(duì)體育場(chǎng)溫度的影響?！?/span>

2022年卡塔爾世界杯體育場(chǎng)（圖片來(lái)源：卡塔爾國(guó)家體育委員會(huì)）

除了涉及極其復(fù)雜的技術(shù)測(cè)試之外，3D打印在足球領(lǐng)域尤其受到手工愛好者的歡迎。這項(xiàng)制造技術(shù)使得周邊產(chǎn)品的制作變得輕松便捷且成本低廉。想送給朋友一個(gè)他們最喜歡的球員的精細(xì)模型嗎？沒問題。在Cults或Thingiverse等社區(qū)平臺(tái)上，你可以找到大量可供打印的模型。

3D玩家模型示例（圖片來(lái)源：Evgeniy Borisenko）

從頭到腳的3D打印足球裝備

提到3D打印技術(shù)在足球領(lǐng)域的應(yīng)用，你首先想到的是什么？對(duì)我們來(lái)說，是那些讓這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)如此精彩的裝備。所以今天，我們將探討增材制造技術(shù)是如何應(yīng)用于足球裝備生產(chǎn)的。以下是一些公司和產(chǎn)品，它們目前正在為職業(yè)和業(yè)余球員生產(chǎn)3D打印裝備，涵蓋了從足球鞋、鞋釘保護(hù)套到守門員手套和防護(hù)面罩等各種產(chǎn)品。

足球鞋

3D打印足球鞋是一個(gè)高度復(fù)雜的過程，由于足球鞋獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及耐用材料和鞋釘鞋底的組合（旨在提供卓越的球場(chǎng)抓地力），打印失敗的幾率很高。職業(yè)足球?qū)π旈L(zhǎng)度甚至鞋底材料都有嚴(yán)格的規(guī)定，以防裁判認(rèn)為存在安全隱患。3D打印足球鞋的主要優(yōu)勢(shì)之一是高度定制化，這也是德國(guó)公司IMOTANA的關(guān)鍵賣點(diǎn)。這家年輕的初創(chuàng)公司生產(chǎn)定制足球鞋，通過足部掃描確保完美貼合。據(jù)制造商稱，只有使用完全根據(jù)個(gè)人腳型量身定制的裝備，才能在任何運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮出最佳水平。

IMOTANA的商業(yè)理念源于首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人本杰明·多爾施（Benjamin Dorsch），他曾在一家鞋業(yè)制造商擔(dān)任多年的研發(fā)經(jīng)理。在那里，他為知名品牌開發(fā)高端足球鞋，其中包括德國(guó)國(guó)家隊(duì)在2024年世界杯預(yù)選賽期間所穿的球鞋。他始終追求創(chuàng)新，而IMOTANA的創(chuàng)立讓他得以真正實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。3D打印足球鞋的想法最初是在Kickstarter眾籌平臺(tái)上提出的。在約1200名支持者的共同努力下，本杰明·多爾施、馬蒂亞斯·萊比茨（Matthias Leibitz）、曼努埃爾·邁爾（Manuel Meier）和馬蒂亞斯·朗（Matthias Lang）組成的團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了兩年多的時(shí)間完善這些球鞋。

鞋子的首個(gè)3D模型（圖片來(lái)源：IMOTANA）

這些足球鞋與其他3D打印產(chǎn)品一樣，擁有諸多優(yōu)勢(shì)，包括顯著減輕的重量、豐富的款式選擇以及通過3D掃描實(shí)現(xiàn)的個(gè)性化貼合。鞋底可根據(jù)不同的場(chǎng)地進(jìn)行調(diào)整，其旋入式金屬鞋釘確保“零能量損耗和卓越性能”。這些極具吸引力的設(shè)計(jì)經(jīng)過多次迭代，并參考了用戶的反饋意見。

該項(xiàng)目主要面向業(yè)余球員，旨在讓他們有機(jī)會(huì)以實(shí)惠的價(jià)格購(gòu)買定制足球鞋。這在職業(yè)足球之外的傳統(tǒng)制造工藝中往往難以實(shí)現(xiàn)。3D打印技術(shù)使團(tuán)隊(duì)能夠以顯著更低的成本提供個(gè)性化球鞋，這對(duì)腳型較寬或其他足部問題的顧客來(lái)說無(wú)疑是一大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于業(yè)余和休閑足球愛好者而言，這無(wú)疑是傳統(tǒng)鞋類品牌之外一個(gè)極具吸引力的選擇。然而，根據(jù)我們的研究，3D打印技術(shù)目前尚不成熟，尚不足以應(yīng)用于專業(yè)足球鞋的生產(chǎn)。

圖片來(lái)源：IMOTANA

鞋釘保護(hù)器

專業(yè)足球鞋，無(wú)論是否采用3D打印技術(shù)，都需要妥善保養(yǎng)。保護(hù)鞋釘是每位球員都應(yīng)該認(rèn)真對(duì)待的事情。在這方面，也有3D打印的解決方案，例如Hypsole的鞋釘保護(hù)套。

Hypsole團(tuán)隊(duì)耗時(shí)多年研發(fā)，打造出一款能夠完美適配各種鞋釘和鞋款的保護(hù)性鞋套。這個(gè)想法源于Jes Christian（現(xiàn)任Hypsole首席執(zhí)行官，當(dāng)時(shí)她還是一名運(yùn)動(dòng)員）的思考：什么樣的鞋套才能最好地保護(hù)她的鞋子？找到功能性和美觀性之間的完美平衡固然重要，但解決材料和制造工藝方面的問題也同樣關(guān)鍵?！霸谧罱K確定目前的版本之前，我們經(jīng)歷了數(shù)百次設(shè)計(jì)修改和原型制作，嘗試了不同的材料和生產(chǎn)工藝，最終才完成了現(xiàn)在的版本?！?/span>

圖片來(lái)源：Hypsole

最初，鞋釘保護(hù)套的設(shè)計(jì)初衷是采用傳統(tǒng)的模具制造工藝。然而，由于設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，模具工藝難以勝任，這一方案不得不改變。杰斯·克里斯蒂安并沒有放棄這個(gè)想法，而是發(fā)現(xiàn)了Carbon公司的數(shù)字光合成（DLS）技術(shù)?！爱?dāng)我發(fā)現(xiàn)Carbon及其技術(shù)時(shí)，這是我第一次聽說有公司能夠成功地使用運(yùn)動(dòng)級(jí)材料大規(guī)模生產(chǎn)3D打印產(chǎn)品?！睌[脫了模具的物理限制，鞋釘保護(hù)套現(xiàn)在可以使用DLS技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

進(jìn)入3D打印行業(yè)并非一帆風(fēng)順。盡管模具成本得以消除，但團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在面臨著更高的單位成本。他們不再需要應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的物理限制，而是必須確定最佳的打印支撐方案，以高效地生產(chǎn)產(chǎn)品。杰斯·克里斯蒂安解釋說：“我們通過適應(yīng)實(shí)際情況并修改設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，從而降低成本、保持質(zhì)量并提高可打印性。”

此外，Hypsole冰爪保護(hù)套是前所未有的產(chǎn)品。這賦予了團(tuán)隊(duì)極大的設(shè)計(jì)自由，但也需要進(jìn)行大量的測(cè)試。開發(fā)人員還發(fā)現(xiàn)了使用3D打印技術(shù)的其他優(yōu)勢(shì)?！霸跍y(cè)試和迭代階段，3D打印工藝已經(jīng)并將繼續(xù)發(fā)揮極其重要的作用，這是傳統(tǒng)模具成型工藝無(wú)法比擬的?！?/span>

除了足球之外，這些防護(hù)裝備還可以用于長(zhǎng)曲棍球、棒球、壘球和橄欖球（圖片來(lái)源：Hypsole）。

這些鞋套兼具美觀與實(shí)用性，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了運(yùn)動(dòng)員的需求。據(jù)制造商稱，它們不僅適用于足球，也適用于其他多種運(yùn)動(dòng)。其目標(biāo)是讓運(yùn)動(dòng)員能夠盡可能輕松地移動(dòng)，保護(hù)他們最重要的裝備，并節(jié)省時(shí)間。

守門員手套

每位守門員都知道，擁有一副合適的手套對(duì)于發(fā)揮最佳水平和預(yù)防傷病至關(guān)重要。守門員手套最重要的組成部分之一是所謂的“沖擊區(qū)”，它能提供穩(wěn)定性和靈活性。傳統(tǒng)的沖擊區(qū)由TPU或乳膠制成，但今年，手套專家Reusch推出了Attrakt Fusion Carbon 3D，這款守門員手套的沖擊區(qū)完全由復(fù)雜的3D打印結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

Attrakt Fusion Carbon 3D是這家擁有近百年歷史的公司推出的首個(gè)采用3D打印組件的項(xiàng)目。Reusch團(tuán)隊(duì)始終樂于接受新的設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)方案，此次與Carbon合作開發(fā)了一款獨(dú)特的守門員手套。“3D打印技術(shù)為我們提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，讓我們能夠打造出能量回彈精準(zhǔn)、沖擊響應(yīng)更佳、重量更輕的擊球區(qū)域，”Reusch守門員手套生產(chǎn)負(fù)責(zé)人解釋道。

圖片來(lái)源：Reusch/Carbon

Carbon DLS技術(shù)使團(tuán)隊(duì)能夠打造出表面光滑、性能卓越且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的柔性結(jié)構(gòu)——這在傳統(tǒng)材料和工藝下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。然而，將3D打印結(jié)構(gòu)集成到手套的柔軟面料中卻極具挑戰(zhàn)性。正如Reusch所說：“我們必須重新定義粘合方法，重新思考元件在柔軟紡織品上的行為，并清晰地傳達(dá)其性能優(yōu)勢(shì)?！迸cCarbon和其他制造合作伙伴的緊密合作最終實(shí)現(xiàn)了材料和結(jié)構(gòu)的理想組合。材料的柔軟性和柔韌性得以保留，這為團(tuán)隊(duì)提供了比預(yù)期更大的設(shè)計(jì)自由度。

此外，守門員手套還必須符合現(xiàn)行的安全和材料合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)手套來(lái)說并不算特別嚴(yán)格，但仍然需要滿足職業(yè)運(yùn)動(dòng)員和研發(fā)人員的高期望。因此，團(tuán)隊(duì)在新款手套的靈活性、耐用性和舒適性方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。手套獨(dú)特的材質(zhì)和沖擊區(qū)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)本身就足以說明一切。Attrakt Fusion Carbon 3D手套展現(xiàn)了3D打印技術(shù)在足球裝備生產(chǎn)方面的巨大潛力。

沖擊區(qū)的3D打印結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：Reusch/Carbon）

防護(hù)口罩

在卡塔爾世界杯期間，韓國(guó)國(guó)家隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)孫興慜出場(chǎng)時(shí)，令人驚訝的是他戴著面罩。原因何在？孫興慜當(dāng)時(shí)面部受傷尚未痊愈，這款碳纖維面罩是為了保護(hù)他仍然敏感的眼睛。他并非唯一一位戴著面罩的球員，克羅地亞球員約斯科·格瓦迪奧爾在對(duì)陣日本的比賽中也佩戴了面罩。類似的案例啟發(fā)了意大利足球愛好者、馬爾凱理工大學(xué)研究員西蒙·加洛齊，促使他撰寫了關(guān)于增材制造在體育領(lǐng)域應(yīng)用潛力的論文，尤其關(guān)注足球運(yùn)動(dòng)中的防護(hù)面罩。

左圖為西蒙·加洛齊的防護(hù)面罩（圖片來(lái)源：西蒙·加洛齊）；右圖為孫興慜在2022年卡塔爾世界杯期間的照片（圖片來(lái)源：Maddy Meyer/FIFA）。

2021年，那不勒斯球員奧斯梅恩在與另一名球員相撞后接受了面部手術(shù)，之后開始佩戴防護(hù)面罩。作為一名狂熱的足球迷和3D打印愛好者，西蒙·加洛齊開始探索利用3D打印技術(shù)制作定制面罩的方法。上述面罩很可能是根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的三維模型，一層一層地粘貼碳纖維制成的。然而，西蒙·加洛齊認(rèn)為，直接從3D掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行3D打印可以顯著縮短這一過程。通過省去中間步驟，還可以減少浪費(fèi)。正如他所指出的：“利用3D打印技術(shù)，只需掃描運(yùn)動(dòng)員的面部并直接生產(chǎn)面罩，無(wú)需制作實(shí)體模型，就能顯著加快生產(chǎn)速度?！?/span>

以李旻為例，人們一直懷疑他能否參加卡塔爾世界杯。奧斯梅恩也因頭部受傷長(zhǎng)期缺陣。防護(hù)面罩名副其實(shí)，能夠讓運(yùn)動(dòng)員在受傷后更快地重返賽場(chǎng)，比沒有這類防護(hù)裝備時(shí)快得多。西蒙·加洛齊強(qiáng)調(diào)說：“事實(shí)上，面罩可以保護(hù)受傷部位免受進(jìn)一步?jīng)_擊，并有助于預(yù)防新的傷病。”在他的研究中，他設(shè)計(jì)了一種防護(hù)面罩，并使用碳基復(fù)合材料PA603CF將其打印出來(lái)。

左圖為面具的首個(gè)原型，右圖為基于面部掃描的3D模型。（圖片來(lái)源：Simone Gallozzi）

3D打印技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向是什么？

在看到這么多3D打印技術(shù)應(yīng)用于足球裝備的例子之后，一個(gè)關(guān)鍵問題仍然存在：未來(lái)3D打印技術(shù)是否會(huì)繼續(xù)應(yīng)用于這一領(lǐng)域？專家們普遍持積極態(tài)度。杰斯·克里斯蒂安指出，3D打印技術(shù)尤其適合體育運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗軌驗(yàn)檫\(yùn)動(dòng)員量身定制裝備?！懊總€(gè)人的身體都是獨(dú)一無(wú)二的，而精英運(yùn)動(dòng)員的使命就是深入了解自己的身體。這種了解讓他們能夠明白，例如，一個(gè)人的左腳可能需要比右腳略寬的鞋頭空間，”她在被問及3D打印技術(shù)在其領(lǐng)域可能產(chǎn)生的影響時(shí)說道。羅伊施也強(qiáng)調(diào)，3D打印技術(shù)在“個(gè)性化性能、合身度和保護(hù)性”方面具有巨大的潛力。

值得注意的是，西蒙·加洛齊指出，職業(yè)運(yùn)動(dòng)隊(duì)，尤其是足球隊(duì)，可以從3D打印技術(shù)中受益。他表示，預(yù)算對(duì)職業(yè)球隊(duì)來(lái)說通常不是問題，這使他們能夠“充分利用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，例如極致的產(chǎn)品定制”。目前，3D打印成本較高。正如羅伊施解釋的那樣，制造Attrakt Fusion Carbon 3D手套的成本高于生產(chǎn)該公司傳統(tǒng)的乳膠或TPU手套。

職業(yè)運(yùn)動(dòng)員尤其能從這項(xiàng)技術(shù)的多功能性中受益（圖片來(lái)源：Brad Smith）

顯然，增材制造目前尚不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。然而，正如一些具體產(chǎn)品案例所示，制造商通過定制化選項(xiàng)和可修改性彌補(bǔ)了在經(jīng)濟(jì)效益方面的不足。受訪者也強(qiáng)調(diào)，3D打印在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段。加洛齊先生指出，粉末基打印技術(shù)可能尤其具有發(fā)展前景：“隨著先進(jìn)粉末材料的開發(fā)，例如添加碳纖維或兼具強(qiáng)度、輕量化和柔韌性的材料，我相信3D打印將在未來(lái)的體育用品領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。”

杰斯·克里斯蒂安也強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)對(duì)各級(jí)別運(yùn)動(dòng)員的巨大潛力。“我認(rèn)為它會(huì)變得越來(lái)越快、越來(lái)越高效、越來(lái)越便宜，在不久的將來(lái)，這種定制化服務(wù)將惠及所有級(jí)別的運(yùn)動(dòng)員?！北M管初期面臨諸多挑戰(zhàn)和持續(xù)的技術(shù)難題，但3D打印技術(shù)也能提升產(chǎn)品性能，打造出性能更卓越的裝備，正如本文中展示的鞋套、球鞋、面罩和手套所體現(xiàn)的那樣。羅伊施向我們保證，目前為止，3D打印技術(shù)在運(yùn)動(dòng)裝備領(lǐng)域的潛力還只是冰山一角?！拔覀儾艅倓傞_始探索它如何與守門員裝備中使用的傳統(tǒng)材料相輔相成?！?/span>

編譯整理：3dnatives