世界一級(jí)方程式錦標(biāo)賽（Formula One racing，F(xiàn)1）已經(jīng)成為了全球第二大受歡迎體育賽事，僅次于足球。每一場(chǎng)F1的比賽吸引了廣大電視觀眾群體，而由賽事直接拉動(dòng)的地方經(jīng)濟(jì)同樣可觀。以今年3月舉行的上海站為例，賽事3天的現(xiàn)場(chǎng)觀眾達(dá)22萬人次，整體收益比去年進(jìn)一步增長(zhǎng)，拉動(dòng)“吃住行游購(gòu)?qiáng)?rdquo;消費(fèi)超過15億元人民幣。

 

在當(dāng)前的暑期檔，電影《F1：狂飆飛車》正在全國(guó)各大院線熱映，這部由布拉德·皮特領(lǐng)銜主演的電影講述的是一位老車手重拾冠軍夢(mèng)想的故事。作為全球最高級(jí)別的單座方程式賽車，世界一級(jí)方程式錦標(biāo)賽完美詮釋了“速度與科技”的融合。這項(xiàng)由國(guó)際汽聯(lián)（FIA）認(rèn)證的賽事不僅是車手技術(shù)的較量，更是各車隊(duì)尖端科技的競(jìng)技場(chǎng)。

 

 

30年前的遠(yuǎn)見
1995年，F(xiàn)1雷諾車隊(duì)（前身為貝納通，2021年更名為阿爾派）的工程師認(rèn)識(shí)到，激光快速成型技術(shù)能做的比他們從服務(wù)公司購(gòu)買的幾個(gè)零件要多得多。當(dāng)時(shí)，車隊(duì)購(gòu)買了一套3D Systems的立體光刻設(shè)備（SLA）。他們很快就發(fā)現(xiàn)，這個(gè)工具可以改進(jìn)風(fēng)洞測(cè)試。

 

立體光刻技術(shù)使阿爾派車隊(duì)能夠快速應(yīng)對(duì)工程挑戰(zhàn)

 

快速生產(chǎn)車身部件的空氣動(dòng)力學(xué)形狀，更重要的是縮短修改這些部件進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試的時(shí)間，使得購(gòu)買這套系統(tǒng)物有所值。SLA系統(tǒng)的引入節(jié)省了大量資金。盡管一級(jí)方程式車隊(duì)對(duì)保密幾乎到了偏執(zhí)的地步，但其他車隊(duì)很快就發(fā)現(xiàn)SLA系統(tǒng)在改進(jìn)賽車外形、適配性和完成度方面的優(yōu)勢(shì)。

 

以F1賽車方向盤為例，一個(gè)典型的方向盤上可能有多達(dá)25個(gè)功能，其中最重要的是離合器控制。由SLA制造的駕駛艙安裝信號(hào)裝置通過激活方向盤上的一個(gè)按鈕來告知車手何時(shí)換擋。這解放了一只腳，使車手只需用腳操作剎車和油門。

 

 

這些全球收入最高的運(yùn)動(dòng)員會(huì)測(cè)試多種方向盤配置，然后確定最適合自己的一種。（電影中，雖然海耶斯在30多年前開過F1，但現(xiàn)代F1賽車的方向盤發(fā)生了重大改變，需要重新熟悉方向盤上的各項(xiàng)功能按鍵。）這些測(cè)試方向盤在SLA系統(tǒng)上只需幾小時(shí)就能制作出原型，以便在進(jìn)行最終CAD/CAM編程前進(jìn)行細(xì)微修改和測(cè)試，然后在車隊(duì)的CNC機(jī)加工車間進(jìn)行常規(guī)制造。

 

另外，賽車的駕駛艙都會(huì)根據(jù)車手的個(gè)人體型和舒適度，進(jìn)行人體工程學(xué)設(shè)計(jì)并由SLA實(shí)現(xiàn)。更重要的是，車手的駕駛頭盔也通過SLA系統(tǒng)制作的模型設(shè)計(jì)。在開放式座艙的F1賽車中，車手戴著頭盔的頭部成為賽車空氣動(dòng)力學(xué)的一部分。因此車隊(duì)工程師會(huì)在風(fēng)洞中測(cè)試各種頭盔配置——添加翼片和導(dǎo)流板，使賽車完全符合空氣動(dòng)力學(xué)。

 

通過直接金屬打印技術(shù)的探索，實(shí)現(xiàn)了賽車部件的新突破

 

目前，阿爾派車隊(duì)使用的3D Systems設(shè)備集群包含六臺(tái)立體光刻（SLA）打印機(jī)和三臺(tái)選擇性激光燒結(jié)（SLS）設(shè)備。所用材料涵蓋Accura®系列（用于制造夾具治具、流體流動(dòng)裝置、熔模鑄造模型和風(fēng)洞部件）以及DuraForm® PA與DuraForm GF（用于制造賽車實(shí)裝部件如電氣箱體和冷卻管道）。

 

 

毫米級(jí)較量，激光測(cè)量“黑科技”

通常來說，各大車隊(duì)的賽車從不會(huì)在兩站比賽中使用完全相同的配置?；谫惖捞匦?、輪胎狀況及空氣動(dòng)力學(xué)效率等因素，車隊(duì)會(huì)持續(xù)優(yōu)化調(diào)校參數(shù)——包括離地間隙、傾角、外傾角等各項(xiàng)設(shè)定。在紅牛車隊(duì)位于米爾頓凱恩斯的總部，技術(shù)合作負(fù)責(zé)人Oliver Glimmerveen揭示了賽車研發(fā)的精密流程，這些細(xì)微調(diào)整將直接轉(zhuǎn)化為賽道上的性能優(yōu)勢(shì)。

 

備戰(zhàn)大獎(jiǎng)賽周末的準(zhǔn)備工作既系統(tǒng)又嚴(yán)苛。工廠內(nèi)制造的每個(gè)部件都會(huì)與比賽車庫(kù)完全相同的空間內(nèi)進(jìn)行組裝。“在比賽周末前，會(huì)完成賽車100%的組裝，然后核查裝配準(zhǔn)確性，”Glimmerveen解釋道，“采用?？怂箍档挠?jì)量方案，比如三腳架上的激光掃描儀，來確保離地間隙和外傾角等參數(shù)達(dá)到絕對(duì)精確。”（在電影中的風(fēng)洞測(cè)試場(chǎng)景，也出現(xiàn)了激光掃描儀鏡頭）

 

紅牛車隊(duì)技術(shù)工程師利用激光測(cè)量，幫助F1賽車實(shí)現(xiàn)更高的精度

 

驗(yàn)證完成后，賽車會(huì)被拆解運(yùn)輸至賽道，并在比賽車庫(kù)重新組裝。任何細(xì)微偏差——無論是懸掛高度一毫米的變化，還是空氣動(dòng)力學(xué)部件的輕微錯(cuò)位——都會(huì)影響操控表現(xiàn)。離地間隙哪怕只有一兩毫米的差異，也會(huì)徹底改變車手的駕駛感受。

 

“大規(guī)模制造正在加速，但專業(yè)制造商同樣注重質(zhì)量和速度，”?？怂箍抵圃熘悄苁聵I(yè)部歐洲、中東和非洲區(qū)總裁Stephen Chadwick表示，“這場(chǎng)變革的核心是計(jì)量學(xué)即測(cè)量科學(xué)。從激光掃描技術(shù)到自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析，公司使制造商能夠?qū)?shí)時(shí)質(zhì)量控制集成到生產(chǎn)中，減少浪費(fèi)并提高效率。”

 

紅牛車隊(duì)比賽車間

 

?？怂箍档馁|(zhì)量檢測(cè)和計(jì)量解決方案，對(duì)紅牛車隊(duì)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要，在確保工程精度的同時(shí)跟上F1極端快速的研發(fā)周期。公司的技術(shù)在零部件上賽道前的測(cè)量和驗(yàn)證中，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。一個(gè)顯著的例子是紅牛車隊(duì)提前6個(gè)月獲得了AbsoluteScanner AS1掃描系統(tǒng)的使用權(quán)。

 

紅牛動(dòng)力總成質(zhì)量控制主管Mark Foden表示：合作始于約18年前。?？怂箍翟谇‘?dāng)時(shí)機(jī)提供了合適的設(shè)備。最初的基礎(chǔ)設(shè)備AT901跟蹤儀如今已升級(jí)為成套高精度儀器，包括手持式3D掃描儀、激光跟蹤儀和CT掃描系統(tǒng)。

 

手持式激光掃描儀，可以更靈活地測(cè)量賽車結(jié)構(gòu)是否完美符合空氣動(dòng)力學(xué)

 

最顯著的進(jìn)步是從單點(diǎn)測(cè)量升級(jí)至完整的3D掃描。實(shí)現(xiàn)了從單點(diǎn)測(cè)量——只能獲取極其有限的數(shù)據(jù)——到現(xiàn)在每分鐘可采集數(shù)十萬數(shù)據(jù)點(diǎn)的手持3D掃描技術(shù)跨越。F1領(lǐng)域的計(jì)量絕非通用流程。根據(jù)部件尺寸和復(fù)雜度會(huì)采用不同設(shè)備，其中三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）始終是精密零件檢測(cè)的基礎(chǔ)設(shè)備。

 

激光跟蹤儀在賽車調(diào)校和比賽周末實(shí)時(shí)操作中，同樣發(fā)揮了關(guān)鍵作用。“我們配備兩臺(tái)移動(dòng)跟蹤儀，一臺(tái)固定式和一臺(tái)便攜式，用于賽道上的賽車合規(guī)性驗(yàn)證。”Foden介紹道。紅牛車隊(duì)率先在維修區(qū)車庫(kù)使用激光跟蹤儀的做法，直接推動(dòng)了國(guó)際汽聯(lián)在全圍場(chǎng)推廣類似規(guī)范。

 

 

從賽道到街道
新型制造技術(shù)特別是增材制造，帶來了額外的復(fù)雜性。設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以創(chuàng)造任何他們想要的形狀，他們確實(shí)也這樣做了。但是，這里的挑戰(zhàn)在于如何測(cè)量這些形狀。

 

雖然3D打印長(zhǎng)期以來一直是風(fēng)洞模型開發(fā)的關(guān)鍵工具，但它在F1中的應(yīng)用已擴(kuò)展到包括結(jié)構(gòu)和性能關(guān)鍵部件。在紅牛動(dòng)力總成，增材制造現(xiàn)已應(yīng)用于整車，從鈦合金直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）部件到功能性支架和基座。

 

Foden解釋道，我們確實(shí)在賽車的各個(gè)部位使用了鈦合金DMLS產(chǎn)品，有些需要后加工，有些則不需要。車上一些非常關(guān)鍵的部件也是通過DMLS制造的，包括結(jié)構(gòu)元件?？焖偕a(chǎn)復(fù)雜幾何形狀的能力使增材制造成為車隊(duì)的寶貴資產(chǎn)，但同時(shí)也帶來了新的計(jì)量挑戰(zhàn)。

 

包括數(shù)字孿生技術(shù)在內(nèi)的多種新興技術(shù)，正在加速F1賽車和汽車制造業(yè)變革

 

“F1始終是賽道技術(shù)向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)室，”?？怂箍抵圃熘悄苁聵I(yè)部汽車業(yè)務(wù)副總裁Ignazio Dentici表示，“電子系統(tǒng)、主動(dòng)懸架、自動(dòng)手動(dòng)變速箱，這些創(chuàng)新都率先出現(xiàn)在F1賽場(chǎng)，隨后才應(yīng)用于量產(chǎn)車。”

 

如今，主流汽車制造正效仿賽車行業(yè)的快速開發(fā)周期，制造商們面臨著縮短研發(fā)時(shí)間與成本的壓力。增材制造和生成式設(shè)計(jì)等先進(jìn)制造方法，正在壓縮生產(chǎn)周期。隨著企業(yè)集成自動(dòng)化質(zhì)量控制流程，檢測(cè)時(shí)間已縮短高達(dá)75%。海克斯康的解決方案實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)間的無縫銜接，優(yōu)化工作流程并提升效率。

 

在產(chǎn)業(yè)向電動(dòng)車轉(zhuǎn)型過程中，制造商必須在擴(kuò)大電池產(chǎn)能的同時(shí)保持成本效益。Dentici指出數(shù)字化、自動(dòng)化與供應(yīng)鏈本地化是重點(diǎn)投資領(lǐng)域。降本已成為行業(yè)執(zhí)念，整個(gè)汽車行業(yè)都在應(yīng)用源自F1的成本控制與性能優(yōu)化理念。

 

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，公司提供結(jié)構(gòu)、材料與聲學(xué)仿真工具；生產(chǎn)環(huán)節(jié)則通過軟件方案實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造，特別針對(duì)高精度加工與鈑金成型。計(jì)量技術(shù)已從傳統(tǒng)的制造終檢環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)變?yōu)樨灤┊a(chǎn)品全生命周期的核心要素。計(jì)量不僅是成品檢測(cè)，更是構(gòu)建通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化數(shù)字模型的閉環(huán)系統(tǒng)。將測(cè)試數(shù)據(jù)融入數(shù)字孿生，可提升仿真精度并減少物理樣機(jī)制作。

 

 

AI時(shí)代F1啟示錄
隨著制造商收集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)日益龐大，如何有效管理與解析，正成為核心挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)量越大，所需的計(jì)算力和處理能力就越強(qiáng)。自動(dòng)化與人工智能，幫助廠商從海量原始數(shù)據(jù)中篩選有價(jià)值洞見，確保應(yīng)用正確信息提升生產(chǎn)效率。

 

?？怂箍翟贏I驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域——特別是電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)——正取得顯著突破。其中一項(xiàng)采用計(jì)算機(jī)斷層掃描光譜層的創(chuàng)新應(yīng)用，使制造商能突破傳統(tǒng)電性能測(cè)試的局限，探查電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一塊電池可能通過常規(guī)測(cè)試，但內(nèi)部缺陷可能在數(shù)千小時(shí)使用后引發(fā)熱失控，借助AI，可以識(shí)別隱形風(fēng)險(xiǎn)，防患于未然。

 

 

“制造業(yè)的未來是自我學(xué)習(xí)，”Dentici斷言，“機(jī)器將基于實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自主決定零件檢測(cè)方案。”?？怂箍嫡跀U(kuò)展其AI制造解決方案組合，以應(yīng)對(duì)電動(dòng)車生產(chǎn)的特殊挑戰(zhàn)。從內(nèi)燃機(jī)向電池動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型，迫使行業(yè)重新思考設(shè)計(jì)與生產(chǎn)流程，需要新技術(shù)開發(fā)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。

 

生產(chǎn)電動(dòng)電池與制造四缸發(fā)動(dòng)機(jī)或八速自動(dòng)變速箱截然不同。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，制造商清楚知道要優(yōu)化什么。電動(dòng)車的挑戰(zhàn)在于：如何確定生產(chǎn)安全與效率的優(yōu)先事項(xiàng)？這正是新型AI工具的關(guān)鍵價(jià)值所在。

 

海克斯康正為電池系統(tǒng)和動(dòng)力總成開發(fā)定制化AI應(yīng)用，通過集成機(jī)器學(xué)習(xí)來改進(jìn)預(yù)測(cè)建模、缺陷檢測(cè)和工藝優(yōu)化。電池制造的復(fù)雜性——嚴(yán)格的熱管理和結(jié)構(gòu)完整性要求——需要實(shí)時(shí)監(jiān)控和自適應(yīng)質(zhì)量控制體系。

 

“雖然數(shù)據(jù)模型與先進(jìn)技術(shù)為決策提供框架，但車手的實(shí)時(shí)反饋仍至關(guān)重要。有時(shí)車手會(huì)完全否定模型建議，”比賽策略分析師Ducreux坦言，“模擬系統(tǒng)可能建議10圈后進(jìn)站，但如果車手通過無線電大喊輪胎衰竭，我們就必須折中處理。”

 

Ducreux表示，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與人類判斷的平衡定義了優(yōu)秀策略團(tuán)隊(duì)。有些情況下數(shù)據(jù)無法反映車手的真實(shí)感受，我們會(huì)選擇相信模型。但當(dāng)他們的反饋得到遙測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)時(shí)，我們就會(huì)相應(yīng)調(diào)整。這或許是個(gè)重要啟示：當(dāng)技術(shù)遇上F1這樣的極限運(yùn)動(dòng)時(shí)，人依然是決定成敗的關(guān)鍵要素。