3D打印技术在足球领域是如何应用的？
3D打印技术正日益受到各界人士的关注，无论是个人项目还是建筑、汽车、航空航天、医疗等众多领域的工业制造，都离不开它。3D打印在体育领域的应用前景广阔，涵盖了个人和专业用途。我们之前已经讨论过创新的自行车背包、F1赛车的复杂技术，甚至还有耐克和阿迪达斯推出的3D打印运动鞋。今天，我们将深入探讨可以说是世界上最受欢迎的运动：足球，更具体地说，是增材制造技术在足球装备制造中的应用。
体育场馆、商品销售等等
在探讨服装和口罩等更显而易见的应用之前，我们想先重点介绍一些来自足球领域的实例。例如，您是否知道，备受争议的卡塔尔世界杯的体育场馆曾使用3D打印模型进行测试？卡塔尔的沙漠环境给工程师和建筑师带来了巨大挑战，因为沙漠风和热浪频繁出现，对观众和职业运动员都造成了影响。据国际足联称，卡塔尔专门建造了一个风洞，用于测试1:300比例模型的空气动力学性能。卡塔尔大学的萨乌德·阿卜杜勒·阿齐兹·阿卜杜·加尼教授这样描述这些测试：“我们可以显示每个楼层的温度，添加诸如汗液产生量和观众人数等变量，然后运行模拟并观察其对体育场温度的影响。”
2022年卡塔尔世界杯体育场（图片来源：卡塔尔国家体育委员会）
除了涉及极其复杂的技术测试之外，3D打印在足球领域尤其受到手工爱好者的欢迎。这项制造技术使得周边产品的制作变得轻松便捷且成本低廉。想送给朋友一个他们最喜欢的球员的精细模型吗？没问题。在Cults或Thingiverse等社区平台上，你可以找到大量可供打印的模型。
3D玩家模型示例（图片来源：Evgeniy Borisenko）
从头到脚的3D打印足球装备
提到3D打印技术在足球领域的应用，你首先想到的是什么？对我们来说，是那些让这项运动如此精彩的装备。所以今天，我们将探讨增材制造技术是如何应用于足球装备生产的。以下是一些公司和产品，它们目前正在为职业和业余球员生产3D打印装备，涵盖了从足球鞋、鞋钉保护套到守门员手套和防护面罩等各种产品。
足球鞋
3D打印足球鞋是一个高度复杂的过程，由于足球鞋独特的结构以及耐用材料和鞋钉鞋底的组合（旨在提供卓越的球场抓地力），打印失败的几率很高。职业足球对鞋钉长度甚至鞋底材料都有严格的规定，以防裁判认为存在安全隐患。3D打印足球鞋的主要优势之一是高度定制化，这也是德国公司IMOTANA的关键卖点。这家年轻的初创公司生产定制足球鞋，通过足部扫描确保完美贴合。据制造商称，只有使用完全根据个人脚型量身定制的装备，才能在任何运动中发挥出最佳水平。
IMOTANA的商业理念源于首席执行官兼联合创始人本杰明·多尔施（Benjamin Dorsch），他曾在一家鞋业制造商担任多年的研发经理。在那里，他为知名品牌开发高端足球鞋，其中包括德国国家队在2024年世界杯预选赛期间所穿的球鞋。他始终追求创新，而IMOTANA的创立让他得以真正实现这一目标。3D打印足球鞋的想法最初是在Kickstarter众筹平台上提出的。在约1200名支持者的共同努力下，本杰明·多尔施、马蒂亚斯·莱比茨（Matthias Leibitz）、曼努埃尔·迈尔（Manuel Meier）和马蒂亚斯·朗（Matthias Lang）组成的团队花费了两年多的时间完善这些球鞋。
鞋子的首个3D模型（图片来源：IMOTANA）
这些足球鞋与其他3D打印产品一样，拥有诸多优势，包括显著减轻的重量、丰富的款式选择以及通过3D扫描实现的个性化贴合。鞋底可根据不同的场地进行调整，其旋入式金属鞋钉确保“零能量损耗和卓越性能”。这些极具吸引力的设计经过多次迭代，并参考了用户的反馈意见。
该项目主要面向业余球员，旨在让他们有机会以实惠的价格购买定制足球鞋。这在职业足球之外的传统制造工艺中往往难以实现。3D打印技术使团队能够以显著更低的成本提供个性化球鞋，这对脚型较宽或其他足部问题的顾客来说无疑是一大优势。对于业余和休闲足球爱好者而言，这无疑是传统鞋类品牌之外一个极具吸引力的选择。然而，根据我们的研究，3D打印技术目前尚不成熟，尚不足以应用于专业足球鞋的生产。
图片来源：IMOTANA
鞋钉保护器
专业足球鞋，无论是否采用3D打印技术，都需要妥善保养。保护鞋钉是每位球员都应该认真对待的事情。在这方面，也有3D打印的解决方案，例如Hypsole的鞋钉保护套。
Hypsole团队耗时多年研发，打造出一款能够完美适配各种鞋钉和鞋款的保护性鞋套。这个想法源于Jes Christian（现任Hypsole首席执行官，当时她还是一名运动员）的思考：什么样的鞋套才能最好地保护她的鞋子？找到功能性和美观性之间的完美平衡固然重要，但解决材料和制造工艺方面的问题也同样关键。“在最终确定目前的版本之前，我们经历了数百次设计修改和原型制作，尝试了不同的材料和生产工艺，最终才完成了现在的版本。”
图片来源：Hypsole
最初，鞋钉保护套的设计初衷是采用传统的模具制造工艺。然而，由于设计过于复杂，模具工艺难以胜任，这一方案不得不改变。杰斯·克里斯蒂安并没有放弃这个想法，而是发现了Carbon公司的数字光合成（DLS）技术。“当我发现Carbon及其技术时，这是我第一次听说有公司能够成功地使用运动级材料大规模生产3D打印产品。”摆脱了模具的物理限制，鞋钉保护套现在可以使用DLS技术进行生产。
进入3D打印行业并非一帆风顺。尽管模具成本得以消除，但团队现在面临着更高的单位成本。他们不再需要应对结构的物理限制，而是必须确定最佳的打印支撑方案，以高效地生产产品。杰斯·克里斯蒂安解释说：“我们通过适应实际情况并修改设计来应对这些挑战，从而降低成本、保持质量并提高可打印性。”
此外，Hypsole冰爪保护套是前所未有的产品。这赋予了团队极大的设计自由，但也需要进行大量的测试。开发人员还发现了使用3D打印技术的其他优势。“在测试和迭代阶段，3D打印工艺已经并将继续发挥极其重要的作用，这是传统模具成型工艺无法比拟的。”
除了足球之外，这些防护装备还可以用于长曲棍球、棒球、垒球和橄榄球（图片来源：Hypsole）。
这些鞋套兼具美观与实用性，设计时充分考虑了运动员的需求。据制造商称，它们不仅适用于足球，也适用于其他多种运动。其目标是让运动员能够尽可能轻松地移动，保护他们最重要的装备，并节省时间。
守门员手套
每位守门员都知道，拥有一副合适的手套对于发挥最佳水平和预防伤病至关重要。守门员手套最重要的组成部分之一是所谓的“冲击区”，它能提供稳定性和灵活性。传统的冲击区由TPU或乳胶制成，但今年，手套专家Reusch推出了Attrakt Fusion Carbon 3D，这款守门员手套的冲击区完全由复杂的3D打印结构构成。
Attrakt Fusion Carbon 3D是这家拥有近百年历史的公司推出的首个采用3D打印组件的项目。Reusch团队始终乐于接受新的设计和性能改进方案，此次与Carbon合作开发了一款独特的守门员手套。“3D打印技术为我们提供了一个独特的机会，让我们能够打造出能量回弹精准、冲击响应更佳、重量更轻的击球区域，”Reusch守门员手套生产负责人解释道。
图片来源：Reusch/Carbon
Carbon DLS技术使团队能够打造出表面光滑、性能卓越且结构复杂的柔性结构——这在传统材料和工艺下是无法实现的。然而，将3D打印结构集成到手套的柔软面料中却极具挑战性。正如Reusch所说：“我们必须重新定义粘合方法，重新思考元件在柔软纺织品上的行为，并清晰地传达其性能优势。”与Carbon和其他制造合作伙伴的紧密合作最终实现了材料和结构的理想组合。材料的柔软性和柔韧性得以保留，这为团队提供了比预期更大的设计自由度。
此外，守门员手套还必须符合现行的安全和材料合规标准。虽然这些标准对手套来说并不算特别严格，但仍然需要满足职业运动员和研发人员的高期望。因此，团队在新款手套的灵活性、耐用性和舒适性方面面临着巨大的挑战。手套独特的材质和冲击区域的复杂结构本身就足以说明一切。Attrakt Fusion Carbon 3D手套展现了3D打印技术在足球装备生产方面的巨大潜力。
冲击区的3D打印结构（图片来源：Reusch/Carbon）
防护口罩
在卡塔尔世界杯期间，韩国国家队队长孙兴慜出场时，令人惊讶的是他戴着面罩。原因何在？孙兴慜当时面部受伤尚未痊愈，这款碳纤维面罩是为了保护他仍然敏感的眼睛。他并非唯一一位戴着面罩的球员，克罗地亚球员约斯科·格瓦迪奥尔在对阵日本的比赛中也佩戴了面罩。类似的案例启发了意大利足球爱好者、马尔凯理工大学研究员西蒙·加洛齐，促使他撰写了关于增材制造在体育领域应用潜力的论文，尤其关注足球运动中的防护面罩。
左图为西蒙·加洛齐的防护面罩（图片来源：西蒙·加洛齐）；右图为孙兴慜在2022年卡塔尔世界杯期间的照片（图片来源：Maddy Meyer/FIFA）。
2021年，那不勒斯球员奥斯梅恩在与另一名球员相撞后接受了面部手术，之后开始佩戴防护面罩。作为一名狂热的足球迷和3D打印爱好者，西蒙·加洛齐开始探索利用3D打印技术制作定制面罩的方法。上述面罩很可能是根据运动员的三维模型，一层一层地粘贴碳纤维制成的。然而，西蒙·加洛齐认为，直接从3D扫描数据进行3D打印可以显著缩短这一过程。通过省去中间步骤，还可以减少浪费。正如他所指出的：“利用3D打印技术，只需扫描运动员的面部并直接生产面罩，无需制作实体模型，就能显著加快生产速度。”
以李旻为例，人们一直怀疑他能否参加卡塔尔世界杯。奥斯梅恩也因头部受伤长期缺阵。防护面罩名副其实，能够让运动员在受伤后更快地重返赛场，比没有这类防护装备时快得多。西蒙·加洛齐强调说：“事实上，面罩可以保护受伤部位免受进一步冲击，并有助于预防新的伤病。”在他的研究中，他设计了一种防护面罩，并使用碳基复合材料PA603CF将其打印出来。
左图为面具的首个原型，右图为基于面部扫描的3D模型。（图片来源：Simone Gallozzi）
3D打印技术在这个领域的未来发展方向是什么？
在看到这么多3D打印技术应用于足球装备的例子之后，一个关键问题仍然存在：未来3D打印技术是否会继续应用于这一领域？专家们普遍持积极态度。杰斯·克里斯蒂安指出，3D打印技术尤其适合体育运动，因为它能够为运动员量身定制装备。“每个人的身体都是独一无二的，而精英运动员的使命就是深入了解自己的身体。这种了解让他们能够明白，例如，一个人的左脚可能需要比右脚略宽的鞋头空间，”她在被问及3D打印技术在其领域可能产生的影响时说道。罗伊施也强调，3D打印技术在“个性化性能、合身度和保护性”方面具有巨大的潜力。
值得注意的是，西蒙·加洛齐指出，职业运动队，尤其是足球队，可以从3D打印技术中受益。他表示，预算对职业球队来说通常不是问题，这使他们能够“充分利用这项技术的优势，例如极致的产品定制”。目前，3D打印成本较高。正如罗伊施解释的那样，制造Attrakt Fusion Carbon 3D手套的成本高于生产该公司传统的乳胶或TPU手套。
职业运动员尤其能从这项技术的多功能性中受益（图片来源：Brad Smith）
显然，增材制造目前尚不适用于大规模生产。然而，正如一些具体产品案例所示，制造商通过定制化选项和可修改性弥补了在经济效益方面的不足。受访者也强调，3D打印在体育用品领域的应用仍处于起步阶段。加洛齐先生指出，粉末基打印技术可能尤其具有发展前景：“随着先进粉末材料的开发，例如添加碳纤维或兼具强度、轻量化和柔韧性的材料，我相信3D打印将在未来的体育用品领域发挥越来越重要的作用。”
杰斯·克里斯蒂安也强调了3D打印技术对各级别运动员的巨大潜力。“我认为它会变得越来越快、越来越高效、越来越便宜，在不久的将来，这种定制化服务将惠及所有级别的运动员。”尽管初期面临诸多挑战和持续的技术难题，但3D打印技术也能提升产品性能，打造出性能更卓越的装备，正如本文中展示的鞋套、球鞋、面罩和手套所体现的那样。罗伊施向我们保证，目前为止，3D打印技术在运动装备领域的潜力还只是冰山一角。“我们才刚刚开始探索它如何与守门员装备中使用的传统材料相辅相成。”
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