CN105711091A - 一种个性化3d打印鞋垫及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于鞋垫制作的技术领域，公开了一种个性化3D打印鞋垫及其制作方法。方法为：(1)获取足部尺寸基本数据，建立足部三维模型；将足底分区，通过足底每个区的相关数据，分析足部的健康状况，确定每个区的三维曲面和足部的三维曲面；(2)所述鞋垫包括底层、中层和上层，底层材料为热塑性聚合物硬质材料，中层材料为改性聚氨酯弹性体，顶层材料为尼龙植物纤维复合材料；(3)根据足部三维模型、足底各区的相关数据、足部的健康状况以及个人需求推导出贴合足部的鞋垫结构模型；(4)鞋垫3D打印。本发明的方法经济、便捷、高效，并可以针对足底不同区域进行局部材料性能的个性化调节，制备出能够满足不同人需求的鞋垫。

Description

一种个性化3D打印鞋垫及其制作方法

技术领域

本发明属于鞋垫制作的技术领域，具体涉及一种个性化3D打印鞋垫及其制作方法。

背景技术

3D打印技术是一种快速成型增材制造技术，它根据三维模型数据，通过叠加堆积式制造工序，逐层自动打印与模型完全一致的三维实体结构，糅合数字建模、机械控制、信息工程、材料科学等领域的前沿技术，被誉为“第四次工业革命”的核心技术。由于具有加工精度高、制造经济便利、材料多样等特点，能够制造出任何复杂的结构，已被广泛应用于许多个性化产品创作领域。

人的脚由足弓、骨骼、韧带、肌肉、肌腱构成，包含了26块骨头、29个关节、42条肌肉和25条肌腱。在人站立、行走和运动的时候，脚担负着支撑和平衡身体的重任。鞋垫是鞋的主要部件—内底，鞋垫和脚紧密接触，主要功能有两方面：改善鞋内环境和改善脚底受力状态。改善鞋内环境包括调节鞋内湿度、减少热量散失以增加保暖性等。改善脚底受力状态包括防止脚掌在鞋内滑动、提高步伐平衡稳定性、缓冲减震以及提供矫形功能等。随着人们生活水平的提高与对自身健康及运动需求关注的日益重视，有许多诸如儿童、老人、孕妇、运动员、糖尿病人、扁平足病人、内外翻足病人等人群对鞋垫有着特殊的个性化要求。

目前鞋垫的个性化定制主要有传统石膏模型制作和计算机辅助设计与制作两种模式。传统石膏模型制作通过手工石膏绷带取模、修型，板材高温成型，最终打磨完成；计算机辅助设计与制作则通过摄像设备扫描获取足部模型，计算机软件设计，最终数控机床加工完成。近年来随着3D打印技术的发展，也逐渐有许多企业和研究机构开展了鞋垫的3D打印制作。鞋垫的3D打印技术较于数控机床的加工技术，更为经济、便捷、高效，而且随着鞋垫的3D打印材料多样化，制作出来的鞋垫性能更具个性化。

尽管现有技术中有3D打印鞋垫，但是该鞋垫的材料为同一种属性，不能针对足底不同区域进行局部材料性能的个性化调节。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种个性化3D打印鞋垫的制作方法。本发明利用3D打印技术使得鞋垫的制备经济、便捷、高效，并且本发明可以针对足底不同区域进行局部材料性能的个性化调节，制备出一种能够满足不同人需求的鞋垫。本发明的制作方法包括脚模的采集、鞋垫材料的制备、鞋垫结构的设计、鞋垫的3D打印四个步骤。

本发明的另一目的在于提供由上述制备方法制备得到的个性化3D打印鞋垫。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种个性化3D打印鞋垫的制作方法，具体包括以下步骤：

第一步，脚模数据采集：

(1)使用手机摄像头或其他照相仪器，对人体足部进行多角度拍照，获取足部尺寸基本数据，包括脚掌的长度和宽度，建立足部三维模型；

(2)将足底分区，通过足底每个区的相关数据，分析足部的健康状况，确定每个区的三维曲面和足部的三维曲面；

所述足底分区是指将足底划分为11个区：T1第一趾骨，Ta第二到第五趾骨，M1第一跖骨，M2第二跖骨，M3第三跖骨，M4第四跖骨，M5第五跖骨，MFI足弓内侧，MFO足弓外侧，HI足跟内侧，HO足跟外侧；

所述通过足底每个区的相关数据，分析足部的健康状况具体是指根据脚掌长度和宽度对每个区进行参考计算，描绘计算出每个区的三维平面、面积、质心；再描绘计算出距脚掌最低面3*lnGmm(Gkg体重的人体站立时足底软组织压缩的距离)的水平面A的面积及其质心；然后分别描绘出水平面A上M1和HI、M5和HO的相切线，并计算出MFI和MFO区质心与两条切线的距离；最后分别描绘出水平面A上HO和HI两区、M1、M5的质心连线，并计算出MFO面积与M1-M5、HO、HI和MFO8个区总面积的商值AI，根据上述的数据分析足部的健康状况，确定足型；通过上述数据确定每个区的三维曲面；

第二步，鞋垫材料制备：所述鞋垫包括底层、中层和顶层，各层采用的材料为：底层材料为热塑性聚合物硬质材料，中层材料为改性聚氨酯弹性体，顶层材料为尼龙植物纤维复合材料；

第三步，鞋垫结构设计：根据足部三维模型、足底各区的相关数据、足部的健康状况以及个人需求推导出贴合足部的鞋垫结构模型，所述鞋垫结构模型包括鞋垫底层、中层和顶层的三维曲面形状、中层和底层不均匀的厚度、中层和底层的填充率以及鞋垫顶层上的按摩凸粒；

所述按摩凸粒设于在鞋垫的顶层，所述按摩凸粒在鞋垫顶层形成的结构为按摩颗粒结构、肌肉保护纹理结构、韧带增护纹理结构或足弓支撑纹理结构中的一种以上；

所述按摩颗粒结构是指按摩凸粒设于足底各分区的分区间隙，尤其是T1和Ta分区顶端，T1-Ta和M1-M5分区间隙，MFI分区内侧，HI和HO分区的总质点圆环，用于增加运动时的足与鞋垫之间的摩擦力；

所述肌肉保护纹理结构是指按摩凸粒设于足底各肌肉间隙，特别是足底最下层的拇展肌、趾短曲肌和小趾展肌的间隙，使得肌肉受到按摩凸粒挤推得以缓冲张力；

所述韧带增护纹理结构是指按摩凸粒设于足底长韧带的外周和间隙区域，主要针对韧带容易受损的人群如运动员，使得韧带收到按摩凸粒挤推得以缓冲张力；

所述足弓支撑纹理结构是指按摩凸粒设于内侧足弓、外侧足弓和横弓区域，主要针对扁平足或高弓足等人群，使用按摩颗粒加强对其内侧足弓、外侧足弓和横弓区域的刺激和支撑；

所述底层、中层和顶层的填充率分别设置为50～100％、5～100％、100％；

第四步，鞋垫3D打印：将鞋垫结构模型导入三喷头熔融沉积的3D打印系统，使用第二步的鞋垫材料按次序打印鞋垫底层、中层和顶层结构，打印温度分别为80～120℃、60～100℃和100～150℃。

所述热塑性聚合物硬质材料由下按重量份数计的原料制备而成：80-90份热塑性高分子材料，10-20份无机填料。

所述热塑性高分子材料为聚己内酯，聚二甲基硅氧烷，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚乙烯基吡咯烷酮，聚醚醚酮，聚甲基丙烯酸甲酯，聚醋酸乙烯酯，乙烯丙烯酸共聚物，聚乙烯醇，聚乳酸，聚羟基烷酸酯或葡甘聚糖中的一种以上。

所述无机填料为碳酸钙、二氧化硅、高岭土或钛白粉中的一种以上。

所述改性聚氨酯弹性体由下述按重量份数计的原料制备而成：10～30份二元醇，20～60份二异氰酸酯，3～20份扩链剂，0.02～0.06份催化剂和20～40份有机溶剂组成。

所述二元醇为聚四氢呋喃二醇，聚己内酯二元醇，聚氧化丙烯醚二元醇和丁二酸聚酯二醇中的一种以上；所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯，二苯基甲烷二异氰酸酯和苯二亚甲基二异氰酸酯中的一种以上。

所述扩链剂为1,4-丁二醇，缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种以上；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或N，N-二甲基环己胺中的一种以上；所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、苯、二甲苯或环己酮中的一种以上。

所述尼龙植物纤维复合材料由下述按重量份数计的原料制备而成：60-80份尼龙原料，20-35份植物纤维，1-5份抗菌剂。

所述尼龙原料为尼龙6，尼龙66，尼龙610，尼龙1010，尼龙6T或尼龙10T中的一种；

所述植物纤维为木屑纤维，竹屑纤维，稻壳纤维，稻草纤维，麦秸秆纤维，玉米秸秆纤维，棉花秆纤维，甘蔗纤维，亚麻纤维，苎麻纤维，黄麻纤维，竹纤维，棉纤维，木棉纤维，剑麻纤维，蕉麻纤维或椰子纤维中一种以上，所述植物纤维为粉末状，其直径为0.01～3mm；

所述抗菌剂为壳聚糖、茶多酚、十二烷基盐酸盐、吡啶季铵盐型阳离子聚丙烯酰胺、含Ag沸石、有机季铵盐(包括氯代十六烷基吡啶、苄基二甲基十六烷基氯代铵)中的一种以上。

所述个性化3D打印鞋垫由上述制备方法制备得到。

本发明的个性化3D鞋垫及其制作方法，适用于包括儿童、老人在内的正常人群，运动员，糖尿病人、扁平足病人及内外翻膝病人等需足部矫形的特殊人群。

本发明的优点如下：

(1)本发明的3D鞋垫由三种材料堆积成层，三种材料分别具有不同的性能属性：底层热塑性高分子聚合物硬质材料具有耐磨性、矫正支撑性、并对不同的足部进行高吻度包裹使得人体重量得以均匀分布于足掌，中层高弹性改性聚合物软质材料具有缓冲减震性，顶层尼龙植物纤维复合材料具有透气抗菌、皮肤接触舒适度，可以充分满足鞋垫个性化定制的选择；

(2)本发明的3D鞋垫由三喷头熔融沉积的3D打印系统制作而成，经济、便捷、高效；

(3)本发明的3D鞋垫是经过足部模型进行力学健康分析，并给出鞋垫材料和结构的综合辅助解决方案。

附图说明

图1为本发明的鞋垫结构示意图，其中顶层为按摩颗粒结构；1-顶层，2-中层，3-底层，4-按摩颗粒；

图2为本发明的鞋垫结构示意图，其中顶层为肌肉保护纹理结构；1-顶层，2-中层，3-底层，4-拇展肌与趾短屈肌间按摩颗粒，5-趾短屈肌间按摩颗粒，6-趾短屈肌与小趾展肌间按摩颗粒；

图3为本发明的鞋垫结构示意图，其中顶层为韧带增护纹理结构；1-顶层，2-中层，3-底层，4-足底长韧带间按摩颗粒；

图4为本发明的鞋垫结构示意图，其中顶层为足弓支撑纹理结构1-顶层，2-中层，3-底层，4-足弓按摩颗粒，5-外侧纵弓，6-横弓，7-内侧纵弓。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的鞋垫结构示意图如图1所示，其中顶层为按摩颗粒结构；

本发明的鞋垫结构示意图如图2所示，其中顶层为肌肉保护纹理结构；

本发明的鞋垫结构示意图如图3所示，其中顶层为韧带增护纹理结构；

本发明的鞋垫结构示意图如图4所示，其中顶层为足弓支撑纹理结构。

实施例1(扁平足少儿)

一种个性化订制3D鞋垫及其制作方法，包括：

(1)首先让某一扁平足少儿单脚站立，另一下肢屈膝上抬，小腿垂直往下，用稍硬板块保持脚掌水平抬起，准备手机摄像头分别位于少儿足底的正面和斜面五个角度，每次抽开板块快速拍照；通过软件录入少儿的体重G(kg)、脚掌长度L(mm)和宽度W(mm)，收集足底的基本数据，分析数据建立三维脚模；

将足底划分为11个区：T1第一趾骨，Ta第二到第五趾骨，M1第一跖骨，M2第二跖骨，M3第三跖骨，M4第四跖骨，M5第五跖骨，MFI足弓内侧，MFO足弓外侧，HI足跟内侧，HO足跟外侧；根据脚掌长度宽度对每个区进行参考计算，描绘计算出每个区的三维平面、面积、质心；描绘计算出距脚掌最低面3*lnGmm的水平面A的面积及其质心；分别描绘出水平面A上M1和HI、M5和HO的相切线，并计算出MFI和MFO区质心与两条切线的距离，判断扁平足足型；分别描绘出水平面A上HO和HI两区、M1、M5的质心连线，并计算出MFO面积与M1-M5、HO、HI和MFO等8区总面积的商值AI，分析扁平足足型程度；通过上述数据确定每个区的三维曲面；

(2)根据扁平足少儿的足部健康状况，鞋垫由以下三层材料构成：

A、底层为耐磨的热塑性聚己内酯硬质材料，由80重量份聚己内酯，10重量份二氧化硅制备而成；

所制备的热塑性聚己内酯硬质材料软化温度为60℃，Rockwell硬度为88，抗拉强度为12MPa，抗压强度为42MPa，弹性模量为261MPa；

B、中层为改性聚氨酯弹性体，由26.98重量份聚四氢呋喃二醇，40重量份甲苯二异氰酸酯，3重量份缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷扩链剂，0.02重量份催化剂二月桂酸二丁基锡和30重量份N,N-二甲基甲酰胺溶剂制备而成；

所制备的改性聚氨酯弹性体软化温度为50℃，邵氏硬度80，抗拉强度为65MPa，弹性模量为400MPa；

C、顶层为透气抗菌的尼龙竹纤维复合材料，由60重量份尼龙6，35重量份竹屑植物纤维，3重量份壳聚糖和2重量份茶多酚制备而成；

所制备的尼龙竹纤维复合材料软化温度为80℃，抗拉强度为90MPa，弹性模量为2.62GPa；

(3)分析体重为Gkg的少儿对足部的载荷分布影响，根据足部三维模型、足底各区的相关数据、足部的健康状况以及个人需求推导出贴合足部的鞋垫结构模型，所述鞋垫结构模型包括鞋垫底层、中层和顶层的三维曲面形状、中层和底层不均匀的厚度、中层和底层的填充率以及鞋垫顶层上的按摩凸粒；

所述热塑性聚己内酯材料底层的平均厚度MFI区为2.5mm、其余各区为1.5mm；改性聚氨酯弹性体中层平均厚度MFI区为1.5mm、其余各区为2.5mm；尼龙竹纤维复合材料顶层平均厚度为0.8mm、使用按摩颗粒结构、肌肉保护纹理结构和/或足弓支撑纹理结构；

(4)将鞋垫结构模型导入三喷头熔融沉积的3D打印系统，喷头1、2、3分别安装所准备的热塑性聚己内酯硬质材料、改性聚氨酯弹性体、尼龙竹纤维复合材料，打印温度分别设置为80℃、60℃、100℃，填充率分别设置为100％、20％、100％，由计算机程序控制按次序打印鞋垫的底层、中层和顶层结构。

实施例2(防摔老人)

一种个性化订制3D鞋垫及其制作方法，包括：

(1)首先让某一老人单脚站立，另一下肢屈膝上抬，小腿垂直往下，用稍硬板块保持脚掌水平抬起，准备手机摄像头分别位于足底的正面和斜面五个角度，每次抽开板块快速拍照；通过软件录入老人的体重G(kg)、脚掌长度L(mm)和宽度W(mm)，分析数据建立三维脚模；

将足底划分为11个区：T1第一趾骨，Ta第二到第五趾骨，M1第一跖骨，M2第二跖骨，M3第三跖骨，M4第四跖骨，M5第五跖骨，MFI足弓内侧，MFO足弓外侧，HI足跟内侧，HO足跟外侧。根据脚掌长度宽度对每个区进行参考计算，描绘计算出每个区的三维平面、面积、质心；描绘计算出距脚掌最低面3*lnGmm的水平面A的面积及其质心；分别描绘出水平面A上M1和HI、M5和HO的相切线，并计算出MFI和MFO区质心与两条切线的距离，判断扁平足足型；分别描绘出水平面A上HO和HI两区、M1、M5的质心连线，并计算出MFO面积与M1-M5、HO、HI和MFO等8区总面积的商值AI，分析老人足型；通过上述数据确定每个区的三维曲面；

(2)根据老人的足部健康状况，鞋垫由以下三层材料构成：

A、底层为耐磨的热塑性乙烯丙烯酸共聚物硬质材料，由下述原料按重量份数计配制而成：90份乙烯丙烯酸共聚物，7份二氧化硅，3份碳酸钙；

所制备的热塑性乙烯丙烯酸共聚物硬质材料软化温度为80℃，Rockwell硬度为93，抗拉强度为11.5MPa，抗压强度为36MPa，弹性模量为107MPa；

B、中层为改性聚氨酯弹性体，由下述原料按重量份数计配制而成，25份聚氧化丙烯醚二元醇，40份二苯基甲烷二异氰酸酯，4.94份1,4-丁二醇扩链剂，0.06份二月桂酸二丁基锡催化剂和30份二甲苯溶剂；

所制备的改性聚氨酯弹性体软化温度为63℃，邵氏硬度75，抗拉强度为70MPa，弹性模量为380MPa；

C、顶层为透气抗菌的尼龙木棉纤维复合材料，由下述原料按重量份数计配制而成：60份尼龙66，35份木棉纤维，5份含Ag沸石；

所制备的尼龙木棉纤维复合材料软化温度为95℃，抗拉强度为97MPa，弹性模量为1.87GPa；

(3)分析体重为Gkg的老人对足部的载荷分布影响，根据足部三维模型、足底各区的相关数据、足部的健康状况以及个人需求推导出贴合足部的鞋垫结构模型，所述鞋垫结构模型包括鞋垫底层、中层和顶层的三维曲面形状、中层和底层不均匀的厚度、中层和底层的填充率以及鞋垫顶层上的按摩凸粒；

所述热塑性乙烯丙烯酸共聚物硬质材料底层的平均厚度MFI区为2.5mm、其余各区为1.5mm；改性聚氨酯弹性体中层平均厚度MFI区为1.5mm、其余各区为2.5mm；尼龙木棉纤维复合材料顶层平均厚度为1mm、使用按摩颗粒结构和/或肌肉保护纹理结构；

(4)将鞋垫结构模型导入三喷头熔融沉积的3D打印系统，喷头1、2、3分别安装所准备的热塑性乙烯丙烯酸共聚物硬质材料、改性聚氨酯弹性体、尼龙木棉纤维复合材料，打印温度分别设置为100℃、85℃、120℃，填充率分别设置为80％、60％、100％，由计算机程序控制按次序打印鞋垫的底层、中层和顶层结构。

实施例3(糖尿病人)

一种个性化订制3D鞋垫及其制作方法，包括：

(1)首先让某一糖尿病人单脚站立，另一下肢屈膝上抬，小腿垂直往下，用稍硬板块保持脚掌水平抬起，准备手机摄像头分别位于足底的正面和斜面五个角度，每次抽开板块快速拍照；通过软件录入糖尿病人的体重G(kg)、脚掌长度L(mm)和宽度W(mm)，分析数据建立三维脚模；

将足底划分为11个区：T1第一趾骨，Ta第二到第五趾骨，M1第一跖骨，M2第二跖骨，M3第三跖骨，M4第四跖骨，M5第五跖骨，MFI足弓内侧，MFO足弓外侧，HI足跟内侧，HO足跟外侧；根据脚掌长度宽度对每个区进行参考计算，描绘计算出每个区的三维平面、面积、质心；描绘计算出距脚掌最低面3*lnGmm的水平面A的面积及其质心；分别描绘出水平面A上M1和HI、M5和HO的相切线，并计算出MFI和MFO区质心与两条切线的距离，判断扁平足足型；分别描绘出水平面A上HO和HI两区、M1、M5的质心连线，并计算出MFO面积与M1-M5、HO、HI和MFO等8区总面积的商值AI，分析糖尿病人足型；通过上述数据确定每个区的三维曲面；

(2)根据糖尿病人的足部健康状况，鞋垫由以下三层材料构成：

A、底层为耐磨的热塑性高分子聚合物硬质材料，由下述原料按重量份数计配制而成：60份葡甘聚糖，30份聚乙烯醇，10份高岭土；

所制备的热塑性高分子聚合物硬质材料软化温度为86℃，Rockwell硬度为98，抗拉强度为10.7MPa，抗压强度为32MPa，弹性模量为142MPa；

B、中层为改性聚氨酯弹性体，由下述原料按重量份数计配制而成，26份聚四氢呋喃二醇，40份甲苯二异氰酸酯，3.97份缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷扩链剂，0.03份N，N-二甲基环己胺催化剂和30份苯溶剂；

所制备的改性聚氨酯弹性体软化温度为60℃，邵氏硬度72，抗拉强度为50MPa，弹性模量为415MPa；

C、顶层为透气抗菌的尼龙竹纤维复合材料，由下述原料按重量份数计配制而成：75份尼龙1010，20份苎麻纤维，5份吡啶季铵盐型阳离子聚丙烯酰胺抗菌剂；

所制备的尼龙苎麻纤维复合材料软化温度为92℃，抗拉强度为92MPa，弹性模量为2.8GPa；

(3)分析体重为Gkg的糖尿病人对足部的载荷分布影响，根据足部三维模型、足底各区的相关数据、足部的健康状况以及个人需求推导出贴合足部的鞋垫结构模型，所述鞋垫结构模型包括鞋垫底层、中层和顶层的三维曲面形状、中层和底层不均匀的厚度、中层和底层的填充率以及鞋垫顶层上的按摩凸粒；

所述热塑性高分子聚合物硬质材料底层的平均厚度T1、M1-M5区为1.5mm,其余各区为2.5mm；改性聚氨酯弹性体中层平均厚度T1、M1-M5区为2.5mm,其余各区为1.5mm；尼龙苎麻纤维复合材料顶层平均厚度为1mm；使用按摩颗粒结构和/或肌肉保护纹理结构；

(4)把鞋垫结构模型导入三喷头熔融沉积的3D打印系统，喷头1、2、3分别安装所准备的热塑性高分子聚合物硬质材料、改性聚氨酯弹性体、尼龙苎麻纤维复合材料，打印温度分别设置为90℃、80℃、120℃，填充率分别设置为100％、50％、100％，由计算机程序控制按次序打印鞋垫的底层、中层和顶层结构。

实施例4(跑步运动员)

一种个性化订制3D鞋垫及其制作方法，包括：

(1)首先让某一跑步运动员单脚站立，另一下肢屈膝上抬，小腿垂直往下，用稍硬板块保持脚掌水平抬起，准备手机摄像头分别位于足底的正面和斜面五个角度，每次抽开板块快速拍照；通过软件录入运动员的体重G(kg)、脚掌长度L(mm)和宽度W(mm)，分析数据建立三维脚模；

将足底划分为11个区：T1第一趾骨，Ta第二到第五趾骨，M1第一跖骨，M2第二跖骨，M3第三跖骨，M4第四跖骨，M5第五跖骨，MFI足弓内侧，MFO足弓外侧，HI足跟内侧，HO足跟外侧；

根据脚掌长度宽度对每个区进行参考计算，描绘计算出每个区的三维平面、面积、质心；描绘计算出距脚掌最低面3*lnGmm的水平面A的面积及其质心；分别描绘出水平面A上M1和HI、M5和HO的相切线，并计算出MFI和MFO区质心与两条切线的距离，判断足型；分别描绘出水平面A上HO和HI两区、M1、M5的质心连线，并计算出MFO面积与M1-M5、HO、HI和MFO等8区总面积的商值AI，分析运动员足型；通过上述数据确定每个区的三维曲面；

(2)根据运动员的足部健康状况和运动爆发力需求，鞋垫由以下三层材料构成：

A、底层为耐磨的热塑性高分子聚合物硬质材料，由下述原料按重量份数计配制而成：60份聚二甲基硅氧烷，25份聚甲基丙烯酸甲酯，15份二氧化硅；

所制备的热塑性高分子聚合物硬质材料软化温度为100℃，Rockwell硬度为72，抗拉强度为15MPa，抗压强度为51MPa，弹性模量为280MPa；

B、中层为改性聚氨酯弹性体，由下述原料按重量份数计配制而成，30份聚氧化丙烯醚二元醇，20份二苯基甲烷二异氰酸酯，8份缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷扩链剂，0.05份二月桂酸二丁基锡催化剂和41.95份环己酮溶剂；

所制备的改性聚氨酯弹性体软化温度为80℃，邵氏硬度60，抗拉强度为70MPa，弹性模量为420MPa；

C、顶层为透气抗菌的尼龙棉花秆纤维复合材料，由下述原料按重量百分比配制而成：80份尼龙6T，18份棉花秆纤维，2份氯代十六烷基吡啶抗菌剂；所制备的尼龙棉花秆纤维复合材料软化温度为120℃，抗拉强度为92MPa，弹性模量为2.7GPa；

(3)分析体重为Gkg的跑步运动员对足部的载荷分布影响，根据足部三维模型、足底各区的相关数据、足部的健康状况以及个人需求推导出贴合足部的鞋垫结构模型，所述鞋垫结构模型包括鞋垫底层、中层和顶层的三维曲面形状、中层和底层不均匀的厚度、中层和底层的填充率以及鞋垫顶层上的按摩凸粒；

所述热塑性高分子聚合物硬质材料底层的平均厚度MFI、MFO区为2.0mm，其余各区为1.5mm；改性聚氨酯弹性体中层平均厚度MFI、MFOI区为1.5mm、其余各区为2.0mm；尼龙竹纤维复合材料顶层平均厚度为1.2mm；使用按摩颗粒结构、肌肉保护纹理结构和/或韧带增护理结构；

(4)将鞋垫结构模型导入三喷头熔融沉积的3D打印系统，喷头1、2、3分别安装所准备的热塑性高分子聚合物硬质材料、改性聚氨酯弹性体、尼龙棉花秆纤维复合材料，打印温度分别设置为120℃、100℃和150℃，填充率分别设置为80％、30％、100％，由计算机程序控制按次序打印鞋垫的底层、中层和顶层结构。

Claims (10)

1.一种个性化3D打印鞋垫的制作方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

第一步，脚模数据采集：

(1)使用手机摄像头或其他照相仪器，对人体足部进行多角度拍照，获取足部尺寸基本数据，包括脚掌的长度和宽度，建立足部三维模型；

(2)将足底分区，通过足底每个区的相关数据，分析足部的健康状况，确定每个区的三维曲面和足部的三维曲面；

所述足底分区是指将足底划分为11个区：T1第一趾骨，Ta第二到第五趾骨，M1第一跖骨，M2第二跖骨，M3第三跖骨，M4第四跖骨，M5第五跖骨，MFI足弓内侧，MFO足弓外侧，HI足跟内侧，HO足跟外侧；

所述通过足底每个区的相关数据，分析足部的健康状况具体是指根据脚掌长度和宽度对每个区进行参考计算，描绘计算出每个区的三维平面、面积、质心；再描绘计算出距脚掌最低面3*lnGmm的水平面A的面积及其质心；然后分别描绘出水平面A上M1和HI、M5和HO的相切线，并计算出MFI和MFO区质心与两条切线的距离；最后分别描绘出水平面A上HO和HI两区、M1、M5的质心连线，并计算出MFO面积与M1-M5、HO、HI和MFO8个区总面积的商值AI，根据上述的数据分析足部的健康状况，确定足型；通过上述数据确定每个区的三维曲面；

第二步，鞋垫材料制备：所述鞋垫包括底层、中层和上层，各层采用的材料为底层材料为热塑性聚合物硬质材料，中层材料为改性聚氨酯热塑性弹性体，顶层材料为尼龙植物纤维复合材料；

第三步，鞋垫结构设计：根据足部三维模型、足底各区的相关数据、足部的健康状况以及个人需求推导出贴合足部的鞋垫结构模型，所述鞋垫结构模型包括鞋垫底层、中层和顶层的三维曲面形状、中层和底层不均匀的厚度、中层和底层的填充率以及鞋垫顶层上的按摩凸粒；

第四步，鞋垫3D打印：将鞋垫结构模型导入三喷头熔融沉积的3D打印系统，使用第二步的鞋垫材料按次序打印鞋垫底层、中层和顶层结构。

2.根据权利要求1所述个性化3D打印鞋垫的制作方法，其特征在于：第二步中所述热塑性聚合物硬质材料由以下按重量份数计的原料制备而成：80-90份热塑性高分子材料，10-20份无机填料。

3.根据权利要求2所述个性化3D打印鞋垫的制作方法，其特征在于：所述热塑性高分子材料为聚己内酯，聚二甲基硅氧烷，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚乙烯基吡咯烷酮，聚醚醚酮，聚甲基丙烯酸甲酯，聚醋酸乙烯酯，乙烯丙烯酸共聚物，聚乙烯醇，聚乳酸，聚羟基烷酸酯或葡甘聚糖中的一种以上；

所述无机填料为碳酸钙、二氧化硅、高岭土或钛白粉中的一种以上。

4.根据权利要求1所述个性化3D打印鞋垫的制作方法，其特征在于：第二步中所述改性聚氨酯热塑性弹性体由下述按重量份数计的原料制备而成：10～30份二元醇，20～60份二异氰酸酯，3～20份扩链剂，0.02～0.06份催化剂和20～40份有机溶剂。

5.根据权利要求4所述个性化3D打印鞋垫的制作方法，其特征在于：所述二元醇为聚四氢呋喃二醇，聚己内酯二元醇，聚氧化丙烯醚二元醇和丁二酸聚酯二醇中的一种以上；所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯，二苯基甲烷二异氰酸酯和苯二亚甲基二异氰酸酯中的一种以上；

所述扩链剂为1,4-丁二醇，缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种以上；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或N，N-二甲基环己胺中的一种以上；所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、苯、二甲苯或环己酮中的一种以上。

6.根据权利要求1所述个性化3D打印鞋垫的制作方法，其特征在于：第二步中所述尼龙植物纤维复合材料由下述按重量份数计的原料制备而成：60-80份尼龙原料，20-35份植物纤维，1-5份抗菌剂。

7.根据权利要求6所述个性化3D打印鞋垫的制作方法，其特征在于：所述尼龙原料为尼龙6，尼龙66，尼龙610，尼龙1010，尼龙6T或尼龙10T中的一种；

所述植物纤维为木屑纤维，竹屑纤维，稻壳纤维，稻草纤维，麦秸秆纤维，玉米秸秆纤维，棉花秆纤维，甘蔗纤维，亚麻纤维，苎麻纤维，黄麻纤维，竹纤维，棉纤维，木棉纤维，剑麻纤维，蕉麻纤维或椰子纤维中一种以上；

所述抗菌剂为壳聚糖、茶多酚、十二烷基盐酸盐、吡啶季铵盐型阳离子聚丙烯酰胺、含Ag沸石或有机季铵盐中的一种以上。

8.根据权利要求1所述个性化3D打印鞋垫的制作方法，其特征在于：第三步中所述按摩凸粒设置于鞋垫的顶层，所述按摩凸粒在鞋垫顶层形成的结构为按摩颗粒结构、肌肉保护纹理结构、韧带增护纹理结构或足弓支撑纹理结构中的一种以上；

所述按摩颗粒结构是指按摩凸粒设于足底各分区的分区间隙；所述肌肉保护纹理结构是指按摩凸粒设于足底各肌肉间隙；所述韧带增护纹理结构是指按摩凸粒设于足底长韧带的外周和间隙区域；所述足弓支撑纹理结构是指按摩凸粒设于内侧足弓、外侧足弓和横弓区域；

第三步中所述底层、中层和顶层的填充率分别设置为50～100％、5～100％、100％；

第四步中所述打印鞋垫底层、中层和顶层的温度分别为80～120℃、60～100℃和100～150℃。

9.根据权利要求8所述个性化3D打印鞋垫的制作方法，其特征在于：所述按摩颗粒结构是指按摩凸粒设于T1和Ta分区顶端，T1-Ta和M1-M5分区间隙，MFI分区内侧，HI和HO分区的总质点圆环；

所述肌肉保护纹理结构是指按摩凸粒设于足底最下层的拇展肌、趾短曲肌和小趾展肌的间隙。

10.一种由权利要求1～9任一项所述的制作方法得到的个性化3D打印鞋垫。