3D-geprinte windtunneltest Tom Dumoulin voor tijdwinst Tour

Delft - Netherlands - wielrennen - cycling - radsport - cyclisme - illustration - sfeer - illustratie a 3 D printed body of cyclist Tom Dumoulin (Netherlands / Team Giant - Alpecin) pictured during aerotest in the department Aerospace of the Technical University of Delft - photo Wessel van Keuk/Cor Vos © 2016

Hij mag dan door een slechte eerste week kansloos zijn voor de eindzege, ooit gaat Tom Dumoulin meedoen om de eindzege. En ondertussen valt er nog genoeg te winnen, door mooie etappezeges te pakken in de huidige editie van de Tour. Om meer kans te maken om te winnen, is het echter wel zaak dat een wielrenner als Dumoulin zijn talent optimaal benut door zo veel mogelijk aan zijn techniek en kracht te verbeteren. Daarnaast valt er nog steeds winst te boeken op materiaalgebied.

De Limburgse klasbak gaat de grote tijdrit in de Tour de France vandaag vrijdag 15 juli rijden in een nieuw pak, ontwikkeld door Team Giant-Alpecin en de TU Delft. De universiteit gebruikte bij het onderzoek naar de aerodynamica van het tijdritpak een bijzondere methode: het lichaam van Dumoulin werd eerst gescand en op basis daarvan werd er een 3D-mannequin van hem geprint. De luchtweerstand van deze mannequin, met steeds verschillende pakken aan, werd vervolgens in de Delftse windtunnel doorgemeten en geoptimaliseerd.

Een (nog) betere aerodynamica is een van de punten waar nog winst is te boeken voor professionele wielrenners. Dat zit hem deels in de houding van de renner op de fiets maar ook een nóg beter gestroomlijnde outfit kan hierbij helpen. Reden voor Team Giant-Alpecin om zich samen met wetenschappers van de TU Delft te richten op een verbeterd wielrenpak. “Bij wielrennen – en met name in de tijdrit – draait het om seconden, zelfs wanneer een sneller pak maar een kleine tijdwinst kan opleveren kan het een groot verschil maken”, zegt Tom Dumoulin. Het verschil tussen Tom Dumoulin en de nummer twee in de proloog van de Giro d”Italia betrof immers slechts 22-duizendste van een seconde.

Wetenschappelijk gezien zou je een renner het liefst onbeperkt beschikbaar hebben om hem uitgebreide windtunneltesten te laten doen en specifiek voor hem het ideale pak te maken. Maar je kunt een professionele renner niet wekenlang in een windtunnel zetten. Het idee dat vervolgens aan de TU Delft werd geboren, was om niet de renner zelf, in dit geval Tom Dumoulin, maar een mannequin met de precieze fysieke maten van Dumoulin te gebruiken in de windtunnel.

Een nog belangrijker voordeel van het gebruik van een mannequin in de windtunnel: deze zit perfect stil, waardoor de metingen van de luchtstromingen rond het lichaam veel nauwkeuriger en sneller kunnen worden uitgevoerd.

Het project is gericht op het tijdritoutfit voor Tom Dumoulin, een van de beste tijdrijders ter wereld. De nieuwe, verbeterde, outfit wordt gebruikt in de grote tijdrit van vandaag in de Tour de France. “Om het pak meer aerodynamisch te maken zijn verschillende stappen doorlopen. Eerst is het lichaam van Dumoulin nauwkeurig gescand. Daarna is op basis van die gegevens een precieze mannequin op ware grootte 3D geprint. Met deze mannequin zijn vervolgens de metingen met verschillende pakken en materialen gedaan in de windtunnel van de TU Delft”, legt dr. Daan Bregman van het Sports Engineering Institute van de TU Delft uit.

Dr. Jouke Verlinden van de Delftse faculteit Industrieel Ontwerpen hield zich vooral bezig met het vervaardigen van een goede mannequin. “Stap 1 is daarbij het nauwkeurig scannen van de renner. Het scannen hebben we uitbesteed aan een gespecialiseerd bedrijf. Ze werken met een fotogrammetrische methode. Kort gezegd maak je hierbij met 150 spiegelreflexcamera”s op één moment uit allerlei hoeken foto”s van het te scannen lichaam. Voor Tom Dumoulin was dat een kwestie van een half uurtje, maar voor ons begon het toen pas.”

“Door al die digitale beelden heb je namelijk te maken met een enorme hoeveelheid data. En daar moet je handig mee omgaan, door het slim opdelen van de bestanden bijvoorbeeld, de zogenoemde 3D-segmentering. Op die plekken kun je de hoeveelheid benodigde data immers sterk beperken. Als je alles overal tot op de micrometer precies wilt doen, ben je later veel te veel tijd kwijt met het printen.”

De volgende stap in het proces is het maken van de mannequin. Hierbij is gekozen voor 3D-printen. “3D-printen wordt steeds beter, goedkoper en dus bereikbaarder. We gebruiken eigenlijk een hele gewone 3D-printer, die wel relatief snel kan printen. Door een relatief simpele aanpassing kan de printer tot wel 2 meter hoog gaan. We hebben de mannequin in ongeveer 50 uur geprint, en met een nauwkeurigheid van 20 micrometer. De gebruikte techniek is Fused Depositon Modelling, waarbij laagje voor laagje (plastic) een model wordt opgebouwd.”

“We hebben de mannequin overigens in acht onderdelen geproduceerd, op verschillende printers tegelijkertijd. Je moet namelijk niet vergeten dat de onderdelen ook nog moesten kunnen bewegen ten opzichte van elkaar om hem in een realistische houding op de fiets te krijgen. En het moest uiteraard mogelijk zijn om de mannequin een pak aan te trekken. Je kunt de acht onderdelen via eenvoudige pen-gat-verbindingen aan elkaar bevestigen.”

Vervolgens ging de mannequin van Dumoulin naar Wouter Terra, promovendus bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft. Hij voerde met verschillende pakken en materialen diverse metingen uit in de windtunnel van de TU Delft. “Je zou verwachten dat hoe gladder een stof is hoe lager de weerstand”, aldus Terra. “Maar dat is niet altijd zo. Zeker niet als we de luchtstroming rond een stompe, niet gestroomlijnde vorm, bekijken, zoals het lichaam van een wielrenner.” Waarom een ribbelpatroon op bepaalde plekken beter presteert? “In het kort komt het hier op neer: de luchtweerstand bestaat uit twee delen; één: wrijvingsweerstand en twee: drukweerstand”, legt Terra uit. “Door de ruwheid van het ribbelpatroon zal de wrijvingsweerstand hoger worden, maar de drukweerstand kan drastisch omlaag gaan. Netto gaat de luchtweerstand dan omlaag. Een uitgekiende combinatie van ruwe en gladde plekken op een pak zal op het totaal aan luchtweerstand wellicht maar een half procent schelen, maar dit kan precies die paar seconden opleveren die het verschil betekenen tussen winst en een top-10 plaats”, zo schat de promovendus in.

“Omdat onderzoek laat zien dat de compositie en structuur van de stof van een wielrenpak van significante invloed is op de luchtweerstand zijn we gaan onderzoeken hoe we ons tijdritpak zouden kunnen verbeteren”, vertelt Teun van Erp, wetenschappelijk expert van team Giant-Alpecin.

“We hebben in de windtunnel eerst alle beschikbare stoffen van Etxeondo (de kledingleverancier van Team Gaint-Alpecin) getest op een cylinder, dit omdat de bovenarm, het onderbeen, en het bovenbeen hiermee grote gelijkenis vertonen”, zegt Terra. “Deze informatie gaf een goed inzicht in welke stoffen het best toegepast konden worden op de verschillende lichaamsdelen.” Met de best presterende stoffen, en variatie in ruwheid en patronen, hebben de aerodynamica onderzoekers vervolgens verschillende pakken gemaakt, die op de 3D geprinte mannequin van Tom Dumoulin in de windtunnel zijn getest op weerstand. Speciaal is ook de gebruikte techniek om die luchtstromingen in beeld te brengen. Hiervoor is PIV (Particle Image Velocimetry) gebruikt: de beweging van speciale kleine deeltjes in de luchtstroom wordt geanalyseerd om een totaalbeeld te krijgen van de stroming. “Voor onderzoek op de schaal van een wielrenner hebben we daar een innovatieve techniek aan toegevoegd; er zijn zeepbelletjes gevuld met helium gebruikt om de stroming in beeld te krijgen en goed te kunnen meten.”

Terra verwacht dat het nieuwe tijdritoutfit van Tom Dumoulin, dat is ontwikkeld op basis van onder meer de inzichten uit de TU Delft windtunneltesten, zou kunnen zorgen voor tijdwinst. “We hebben duidelijke verschillen in luchtweerstand tussen de diverse materialen gemeten. Een verschil van één procent in luchtweerstand, om maar iets te noemen, lijkt misschien niet veel maar kan in een tijdrit van een uur al resulteren in zo”n tien seconden tijdwinst. “Daarbij kun je je ook voorstellen dat het rijden in een verbeterd pak ook een psychologisch effect zou kunnen hebben op een renner”, zegt Teun van Erp (Team Giant-Alpecin).

Bron: TU Delft