3D打印能否改善体育行业的表现

3D打印能否改善体育行业的表现

2021-01-09 4

我不是一个大的体育迷,但即使我知道的许多可能的3D打印应用,从头盔和护口器以冲浪板和鞋子和这么多。但是,这真的像我们想象的那样普遍吗?还是仅仅是炒作而已?迪肯大学和悉尼科技大学的一对澳大利亚研究人员好奇地知道答案,并于最近发表了一篇论文,“增材制造是否能改善体育运动的表现?“系统评价”,“体育工程与技术杂志”上的主题。


“体育是一个可以从增材制造(AM)提供的机遇中受益的行业,媒体已经描绘出该技术在体育产品中的日益普及。这项系统综述旨在根据2015年系统评价和荟萃分析协议(PRISMA-P)的首选报告项目,巩固和解释有关AM在体育中的应用的现有经验证据,”两人摘要写道。


3D打印所带来的好处(例如减轻重量,定制化和低容量的实验能力)使该技术对体育产业的吸引力与对航空航天和医学应用的吸引力一样,仅举几例。正如研究人员所写的那样,大多数时候,体育产品都是为了批量生产,以便“适应规范的人口物理特征,例如运动员的身高,体重,脚的大小和肢体的长度”。通常,任何定制产品(例如矫形鞋垫)都只能以有限的尺寸制作,但是3D打印可以改变这种尺寸,从而有助于提高性能,增强舒适度并减少伤害。

3D打印机

S-Works镜座(图片由Specialized提供)


这一切听起来都很好,但不管有什么主要的3D打印体育故事,例如阿迪达斯Futurecraft的鞋子,残奥会使用的多种假肢以及专用自行车零部件的S-Works动力鞍座,研究人员都解释说,关于在体育中使用该技术的学术研究很多,因此“很难确定这些理论收益是否可以在实践中实现。” 更重要的是,大多数3D打印运动产品均不受数据或案例研究的支持,而一项2019年的研究 报告指出:“体育行业普遍缺乏对增材制造技术的了解”,并且3D打印“并未以任何重要方式实施,以推动新型产品和市场的生产。”


“鉴于运动中AM的这些截然不同的描述,这项研究提出了一个问题,即有哪些科学证据证明AM提供了改进的运动产品?主要目标是记录利用增材制造的体育和产品的类型,确定所采用的增材制造技术,材料,软件和相关数字技术的不同,记录研究规模,并从文献中总结出增材制造的机遇和挑战,”对写道。


两位研究人员进行了系统的审查方法,使用荟萃分析研究了与3D打印体育应用程序相关的趋势,并审查了有关所用软件和硬件的现有技术知识。


他们说:“无论AM得到研究人员的支持还是仅仅是夸大消费者期望的媒体炒作,这项研究都为体育应用的学术研究提供了客观的分析,因为技术已经从快速原型制作过渡到越来越多的最终用途应用。”


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表1.在每个数据库中进行的搜索,其中灰度用于将相似的运动/搜索分组。


分析和审查在四个不同的数据库中进行,并且“根据系统审查和元分析协议(PRISMA-P)2015的首选报告项目”进行。结果仅限于1984年1月至2019年5月之间发表的研究,该研究经过同行评审并用英语撰写,研究人员使用了28个特定而广泛的搜索词组,例如3D打印,运动,快速原型制作以及各种不同的体育,包括足球,远足,高尔夫,棒球,排球和瑜伽,被确定为“全球六个地区的十大成人体育项目”。


他们解释说:“收集初始搜索结果后,使用Endnote中的自动工具删除了重复项。” “在不同的数据库对同一文章进行不同分类(例如,会议论文或会议记录)或信息略有不同(例如,作者的姓氏和姓氏以不同顺序排列)的情况下,从数据库中手动删除了更多副本。”


每位作者都独立筛选了完整的资料库,以确保结果符合一组纳入标准,例如3D打印被用于制造功能性运动器材并包括定量数据。符合所有条件的文章放在一个库中,“完整阅读以评估最终纳入的有效性”,然后在证据表的帮助下分析最后审查后留下的所有内容,以便“报告相关的研究特征和结果。”


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图1.在过程的每个阶段进行系统审查以识别相关文献的策略和结果。


最初的搜索确定了11,185篇文章,到整个过程结束时,由18个独特的作者组制作的26篇文章被删减。其中的前十个是从2010年开始的,距增材制造重要专利申请已经26年了。因此,从2010年1月到2019年5月,发表了18篇期刊文章,七篇会议论文和一本书的章节,这些内容都符合该评价的标准。


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图2.按年份发布的类型。


研究人员发现了这26种运动中总共有12种,其中跑步和步行是迄今为止最受欢迎的运动,如下图所示,共有10篇文章。骑自行车的文章有四篇,羽毛球的文章有三篇,其余的,例如攀岩,板球,棒球和划船,都只发表在一篇文章中。


“重要的是要从这些数据中注意到,在数据库中搜索的24种离散运动(考虑表1中的分组,但不包括通用术语“运动*”),这些运动中只有八种出现在文献中(33%) ”,研究人员说。


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图3.体育研究文献。


然后,研究人员使用统计分析来比较这26篇文章中的3D打印产品,与使用常规方法制造的产品相比,它们是否提供了重大改进,相似的性能或更低的性能。


该团队解释说:“重要的是要注意,用于评估每项研究表现的标准是不同的,并且很难在不同研究之间进行比较。” “例如,根据产品或功能的不同,“改善”质量(如空气动力学性能)可能被认为是负面的,如羽毛球研究所证明的那样,降低羽毛球的阻力系数会改变运动员理解的飞行行为,因此会对比赛产生负面影响。”


他们确定有10篇文章表明3D打印产品具有更好的性能,而8篇文章具有相似的性能,有5篇性能较低,有3篇被标记为N / A,因为文献“没有提供所生产产品以外的比较信息” 。”


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图4. AM和常规产品之间的总体优势(38%),相似性(31%)和劣势(19%)。不适用(12%)表示未与现有产品进行比较的商品。


研究人员还将文章中的特定产品分为三大类:基本设备,如自行车;鞋垫等可改善穿着舒适度或降低受伤风险的产品;以及防护装备,包括护胫和头盔。


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图5.文献中的产品类别。


该团队还研究了每种研究使用的各种材料,CAD软件和增材制造技术。


“从技术角度来看,粉末床熔合技术使用率最高,其中50%的产品使用选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM),尽管52%的产品未提及所用的3D打印机和36%的产品他们没有透露用于设计或优化产品的任何软件的名称。”


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图6.用于制造产品的增材制造技术。(Polymer)组代表的论文没有描述使用的技术,很明显这是聚合物AM技术。


继SLS 3D打印之后,材料喷射是第二受欢迎的方式,其次是FFF技术,SLM打印和粘合剂喷射。在材料方面,所有SLM研究均使用钛,所有SLS研究均使用聚酰胺。Fullcure 720在三篇文章中使用,ABS在两篇文章中使用,下面提到的其余材料仅使用一次;16%的文章未指定使用哪种材料。Solidworks和Geomagic是流行的CAD软件程序,然后是Materialize Magics,以及设计工程师使用的其他软件包,如Rhinoceros。但是,有35%的文章没有指出他们使用的软件。


“这种监督为外部研究人员的后续调查带来了困难。将来,期刊编辑和审稿人应鼓励作者提供完整的方法,以帮助进行研究比较。”


研究人员还了解到,在设计和优化运动产品(包括护腿板和个性化鞋垫)时,经常将3D扫描用作补充技术。


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表3.文章中使用的软件,3D打印机,材料等的摘要。


他们在每项研究中确定了几个积极的增材制造机会,包括定制产品的成本效益,由于零件合并而降低的成本以及几乎无限的设计迭代的可能性。但是,他们还发现了一些挑战,包括:


AM通常比其他制造过程慢

许多3D打印零件仍需要与常规零件结合以形成完整的产品,这限制了几何形状

使用优化软件需要人工干预和AM设计技能

这些材料在体育产业中的长期耐久性尚不清楚,因为许多研究仅使用了有限的样本量

3D打印产品可能不符合体育法规

研究人员写道:“在本评价中包括的所有文献中,很明显,作者对AM与体育应用有关,尽管结果可能与传统产品相当或不及,但他们对此持乐观态度。”


然而,尽管如此,他们还是认为在3D打印体育应用方面还没有足够的同行评审研究。例如,他们在所审查的研究中没有发现3D打印定制产品的证据,从而导致了新的商业产品,而3D打印体育产品的商业开发与学术发展是分开进行的,这不是理想的选择,并且会引发非IP知识产权问题。披露协议。此外,这对被确定符合其入选标准的运动通常都在一项研究或同一组作者的几项研究中进行介绍,因此并未对结果进行验证。


“更成熟的医学AM领域提供了有用的背景比较,以解决本研究的研究问题。研究记录了个性化产品改善运动和康复的机会,类似于运动,以及利用其他数字技术(例如3D扫描,计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI))的机会。”


“与医学应用的这些评论相比,平均审阅的论文为131篇,这项针对运动应用的增材制造的广泛系统的综述只有26种出版物,大大少于医学应用,并加强了Mawale等人的评论。与更成熟的医疗行业相比,对体育应用的研究仅处于“初始阶段”。


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Riddell Speedflex精密钻石头盔


研究人员确实注意到,由于数据库数量较少和搜索的“极端特定”关键字,他们可能错过了一些相关文献。但是,他们还指出,任何缺失的文章都可能不会“显着改变这项研究的发现和建议。”


“这项研究的结果是可以得出结论,增材制造尚未成为学术界体育应用的主流。尽管样例经常访问3D打印和增材制造新闻网站,制造贸易展览和会议,但几乎没有科学证据支持AM用于生产体育产品,直到2019年5月,只有26篇同行评审文章被确定。”总结。


“通过迄今为止对证据的客观整理,这项研究消除了围绕使用AM制造运动产品的宣传,并强调了需要进行严格,持续和持续的研究,以支持所有经验的制造商,产品设计师和运动员水平。”


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