CN105751502A - 基于3d打印制作智能鞋垫的方法及智能鞋垫、智能鞋 - Google Patents

基于3d打印制作智能鞋垫的方法及智能鞋垫、智能鞋 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印制作智能鞋垫的方法及智能鞋垫、智能鞋,该方法用于制作为智能鞋提供电能的智能鞋垫,其步骤包括:建立智能鞋垫的3D模型;提供智能鞋垫的制作浆料,其中,制作浆料包括鞋垫制作浆料、绝缘层制作浆料和电极结构制作浆料;利用绝缘层制作浆料在电容层表面逐层打印,得到绝缘层,利用鞋垫层浆料在绝缘层表面逐层打印,得到鞋垫层;其中,绝缘层和鞋垫层打印为鞋垫形状;将3D打印得到的电容层及电极结构升温并保温预设时间间隔,蒸发金属集流体的溶剂水,进行固化并保证打印形状的完整。通过本发明能够利用3D打印技术快速制作,为智能鞋提供大容量的电源,降低加工成本,提高加工效率。

Description

基于3D打印制作智能鞋垫的方法及智能鞋垫、智能鞋
技术领域
本发明涉及智能设备领域,特别是涉及一种基于3D打印制作智能鞋垫的方法及智能鞋垫、智能鞋。
背景技术
目前市面上的智能鞋主要通过供电电源为嵌在鞋中的智能模块进行供电。受限于鞋体形状,供电电源一般采用锂电池或者纽扣电池。
然而纽扣电池容量小,无法负担如GPS定位及健康监测传感器等功耗较大的功能的电能消耗,而且无法重复使用,电量用光后必须更换电池,增加了使用成本并对环境造成污染;可充电锂电池虽然能够反复使用,但因为体积限制,电池的容量偏小,消费者使用功耗较大的功能时需要频繁充电,用户体验度较差。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于3D打印制作智能鞋垫的方法及智能鞋垫、智能鞋,能够利用3D打印技术快速制作,为智能鞋提供大容量的电源,降低加工成本,提高加工效率。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种基于3D打印制作智能鞋垫的方法,用于制作为智能鞋提供电能的智能鞋垫,该方法的步骤包括:建立智能鞋垫的3D模型;提供智能鞋垫的制作浆料,其中,制作浆料包括鞋垫制作浆料、绝缘层制作浆料和电极结构制作浆料;利用3D打印机制备金属集流体,作为智能鞋垫的电容器,同时根据3D模型,在金属集流体上打印制作电极结构;利用绝缘层制作浆料在电容层表面逐层打印,得到绝缘层,利用鞋垫层浆料在绝缘层表面逐层打印,得到鞋垫层;其中,绝缘层和鞋垫层打印为鞋垫形状;将3D打印得到的电容层及电极结构升温并保温预设时间间隔,蒸发金属集流体的溶剂水,进行固化并保证打印形状的完整。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种基于3D打印制作的智能鞋垫,包括:电容层,用于存储电能以为智能鞋垫供电;绝缘层,包覆电容层,用于电容层的绝缘和防水;鞋垫层,包覆绝缘层,放置于智能鞋内部,在用户穿着智能鞋时与其接触;以及,传输接口,连接电容层,且从绝缘层和鞋垫层伸出,连接到智能鞋,用于电容层的充、放电;其中,电容层、绝缘层和鞋垫层是通过3D打印一体成型。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种智能鞋,该智能鞋通过前述方案的智能鞋垫为其提供电能。
区别于现有技术,本发明的制作智能鞋垫的方法利用3D打印技术在3D打印机上有制备得到的电极结构制作浆料、绝缘层浆料及鞋垫层浆料依次逐层打印得到电容层、绝缘层和鞋垫层,智能鞋垫为一体成型,配套智能鞋使用为其提供电能,本发明的制作智能鞋垫的方法能够利用3D打印技术快速制作,为智能鞋提供大容量的电源,降低加工成本,提高加工效率。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于3D打印制作智能鞋垫的方法第一实施方式的流程示意图;
图2是本发明提供的一种基于3D打印制作的智能鞋垫的第一实施方式的切面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都应属于本发明保护的范围。
随着科技发展,智能设备的发展势头愈演愈烈。从智能手机到智能家居,以及现在大力发展的智能可穿戴设备,智能设备正在逐步融入人类的日常生活。而智能设备的供电也成为各大智能设备生产商着力研究的问题。现有的智能设备的供电电源,因受到设备体积的局限,设置的体积较小,无法为智能设备提供足够的电能。尤其是现下出现的智能鞋,因鞋体结构,通常采用纽扣电池和锂电池作为供电电源。二者容量过小,无法支撑智能鞋较长时间的使用,且纽扣电池还会造成环境污染,锂电池需要频繁充电,用户体验度较差。本发明设计的智能鞋垫则很好的解决了这些问题。
3D打印是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。本发明采用3D打印技术制作智能鞋垫,能够一次成型,节约材料成本。
参阅图1,图1是本发明提供的一种基于3D打印制作智能鞋垫的方法第一实施方式的流程示意图。该方法的步骤包括:
S101:建立智能鞋垫的3D模型。
使用建模软件建立智能鞋垫模型,将图像模型导出成stl格式文件,通过SD卡或者USB优盘将其拷贝到3D打印机中,进行打印设置。智能鞋垫的模型在建立过程中,首先在利用3D打印机制备金属集流体,作为所述智能鞋垫的电容器,在所述金属集流体上打印制作电极结构,同时设置传输接口连接到电极结构;然后在金属集流体上设置绝缘层,绝缘层包覆电容层;最后在绝缘层的表面设置鞋垫层,鞋垫层制作为鞋垫形状。模型制作成功后,将图像模型保存为stl格式文件。建模成功后,进入步S102。
S102:提供智能鞋垫的制作浆料,其中,制作浆料包括鞋垫制作浆料、绝缘层制作浆料和电极结构制作浆料。
本步骤制备智能鞋垫各层结构的制作浆料。制作浆料包括鞋垫制作浆料、绝缘层制作浆料和电极结构制作浆料。其中,鞋垫层制作浆料是将纺织品类、EVA类、PU类、天然皮革及人造皮革中的任意一种制作成可进行3D打印的浆料;绝缘层制作浆料是将PA尼龙、PA6尼龙、PA66尼龙、MC尼龙、POM聚甲醛、PP聚丙烯、PTFE聚四氟乙烯、PEEK聚醚醚酮、PVDF聚偏二氟乙烯、酚醛树脂纸基增强PFCP、酚醛树脂布基增强PFCC、环氧树脂玻璃纤维增强3240FR4、聚酯树脂玻璃纤维增强SMC及氯化联苯甲基甲醇DMC中的任意一种制作成为可进行3D打印的浆料;电极结构制作浆料是将石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、碳纤维、聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔及聚亚胺酯中的任意一种制作成为可进行3D打印的浆料。浆料制作完成后,进入步骤S103。
S103:利用3D打印机制备金属集流体,作为智能鞋垫的电容器,同时根据3D模型,在金属集流体上打印制作电极结构。
金属集流体的制备方法如下:以氮氮二甲基甲酰胺DMF为溶剂,配制浓度均为5×10-3molL-1的硝酸银溶液和氨丙基三乙氧基硅烷APS溶液,硝酸银溶液和氨丙基三乙氧基硅烷APS溶液的体积比1:1,混合后水浴加热进行反应,反应温度为70℃,反应时间为1小时,获得银纳米粒子胶体溶液,用丙酮洗涤5次,最终得到的银纳米粒子尺寸为30nm之后将其分散在二甘醇和水的混合溶剂中,二甘醇和水的体积比1:1,银纳米粒子的质量分数为35%,再进行超声分散得到稳定的导电油墨,通过利用3D打印机,在200μm厚的PI膜上面打印,其中金属条纹宽度为400μm,金属条纹厚度为1000nm,两金属条纹间距为50μm,在氮气环境下300℃加热处理后得到微型电容器所需的金属集流体。方法中的各数据是根据具体需要获得的金属集流体的体积设定,而非固定。得到金属集流体后,在其上侧将电容层制作浆料逐层打印,得到电容层的电极结构,制得智能鞋垫的电容层。同时打印连接电容层和智能鞋的传输接口,传输接口连接电容层的电极结构的两极,并穿过绝缘层和鞋垫层以连接外界的智能鞋。
S104:利用绝缘层制作浆料在电容层表面逐层打印,得到绝缘层,利用鞋垫层浆料在绝缘层表面逐层打印,得到鞋垫层。
在3D打印机上将绝缘层制作浆料在电容层的表面逐层打印,形成包覆电容层的绝缘层;然后继续将鞋垫层制作浆料在绝缘层的表面逐层打印,形成包覆绝缘层的鞋垫层。
S105:将3D打印得到的智能鞋垫升温并保温预设时间间隔,蒸发金属集流体的溶剂水,进行固化并保证打印形状的完整。
在步骤S104中打印完成后,将打印得到的智能鞋垫升温到300摄氏度并保温预设的时间间隔。预设的时间间隔根据智能鞋垫电容层的体积进行设定。升温以蒸发掉金属集流体中的溶剂水,降温将智能鞋垫固化,得到可用的智能鞋垫。
制作得到的智能鞋垫可进行充电,传输接口连接到智能鞋后可对智能鞋进行供电,具有较大的电容量,可供智能鞋较长时间的使用。
区别于现有技术,本发明的制作智能鞋垫的方法利用3D打印技术在3D打印机上有制备得到的电极结构制作浆料、绝缘层浆料及鞋垫层浆料依次逐层打印得到电容层、绝缘层和鞋垫层,智能鞋垫为一体成型,配套智能鞋使用为其提供电能,本发明的制作智能鞋垫的方法能够利用3D打印技术快速制作,为智能鞋提供大容量的电源,降低加工成本,提高加工效率。
参阅图2,图2是本发明提供的一种基于3D打印制作的智能鞋垫的第一实施方式的切面结构示意图。该智能鞋垫200包括:电容层210、绝缘层220、鞋垫层230及传输接口240。
电容层210包括金属集流体211和电极结构212,金属集流体211通过金属粉末真空粉末制粉法制作得到,具体步骤为:以氮氮二甲基甲酰胺DMF为溶剂,配制浓度均为5×10-3molL-1的硝酸银溶液和氨丙基三乙氧基硅烷APS溶液,硝酸银溶液和氨丙基三乙氧基硅烷APS溶液的体积比1:1,混合后水浴加热进行反应,反应温度为70℃,反应时间为1小时,获得银纳米粒子胶体溶液,用丙酮洗涤5次,最终得到的银纳米粒子尺寸为30nm之后将其分散在二甘醇和水的混合溶剂中,二甘醇和水的体积比1:1,银纳米粒子的质量分数为35%,再进行超声分散得到稳定的导电油墨,通过利用3D打印机,在200μm厚的PI膜上面打印,其中金属条纹宽度为400μm,金属条纹厚度为1000nm,两金属条纹间距为50μm,在氮气环境下300℃加热处理后得到微型电容器所需的金属集流体211。电极结构212位于金属集流体211的表面,是通过将电极结构浆料逐层打印得到。电极结构212打印浆料的制作材料为石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、碳纤维、聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔及聚亚胺酯中的任意一种。金属集流体211和电极结构212形成电容层210。
绝缘层220通过3D打印技术逐层打印,包覆于电容层210的表面。绝缘层220制作浆料是PA尼龙、PA6尼龙、PA66尼龙、MC尼龙、POM聚甲醛、PP聚丙烯、PTFE聚四氟乙烯、PEEK聚醚醚酮、PVDF聚偏二氟乙烯、酚醛树脂纸基增强PFCP、酚醛树脂布基增强PFCC、环氧树脂玻璃纤维增强3240FR4、聚酯树脂玻璃纤维增强SMC及氯化联苯甲基甲醇DMC中的任意一种。
鞋垫层230通过3D打印技术逐层打印,包覆于绝缘层220的表面。其制作浆料为纺织品类、EVA类、PU类、天然皮革及人造皮革中的任意一种。
同时通过3D打印技术打印传输接口240,传输接口240一端连接电极结构212的两极,另一端穿过绝缘层220和鞋垫层230,连接到充电设备或使用智能鞋垫200的智能鞋(图未示)以进行充放电。
将打印得到的智能鞋垫200升温到300摄氏度并保温预设的时间间隔。预设的时间间隔根据智能鞋垫电容层210的体积进行设定。升温以蒸发掉金属集流体211中的溶剂水,降温将智能鞋垫200固化,得到可用的智能鞋垫200。
智能鞋垫200与智能鞋(图未示)配合使用。智能鞋垫200的传输接口240和智能鞋(图未示)连接,以为智能鞋提供电能。
区别于现有技术,本发明的智能鞋垫利用3D打印技术在3D打印机上有制备得到的电极结构制作浆料、绝缘层浆料及鞋垫层浆料依次逐层打印得到电容层、绝缘层和鞋垫层,智能鞋垫为一体成型,配套智能鞋使用为其提供电能,本发明的智能鞋垫能够利用3D打印技术快速制作,为智能鞋提供大容量的电源,降低加工成本,提高加工效率。
以上所述仅为本发明的实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于3D打印制作智能鞋垫的方法,用于制作为智能鞋提供电能的智能鞋垫,其特征在于,包括:
建立所述智能鞋垫的3D模型;
提供所述智能鞋垫的制作浆料,其中,所述制作浆料包括鞋垫制作浆料、绝缘层制作浆料和电极结构制作浆料;
利用所述绝缘层制作浆料在所述电容层表面逐层打印,得到绝缘层,利用所述鞋垫层浆料在所述绝缘层表面逐层打印,得到鞋垫层;其中,所述绝缘层和所述鞋垫层打印为鞋垫形状;
将3D打印得到的所述电容层及所述电极结构升温并保温预设时间间隔,蒸发所述金属集流体的溶剂水,进行固化并保证打印形状的完整。
2.根据权利要求1所述的制作智能鞋垫的方法,其特征在于,所述金属集流体的制作步骤包括:
以氮氮二甲基甲酰胺DMF为溶剂、配制硝酸银溶液和氨丙基三乙氧基硅烷APS溶液;
混合后水浴加热进行反应,获得银纳米粒子胶体溶液,用丙酮洗涤,得到的第一尺寸的银纳米粒子后,将其分散在二甘醇和水的混合溶剂中;
进行超声分散得到稳定的导电油墨,利用3D打印机,在聚酰亚胺PI膜上面打印;
在氮气环境下加热处理后得到所述金属集流体。
3.根据权利要求1所述的制作智能鞋垫的方法,其特征在于,打印制作电极结构的步骤之后,设置一传输接口连接到所述电容层的电极结构,以将所述电容层连接到所述智能鞋。
4.根据权利要求3所述的制作智能鞋垫的方法,其特征在于,所述传输接口包括充电接口和放电接口,分别设置于所述电容层的不同位置,以连接充电设备和所述电容层。
5.一种基于3D打印制作的智能鞋垫,设置于智能鞋内,用于为所述智能鞋提供电能,其特征在于,包括:
电容层,用于存储电能以为所述智能鞋垫供电;
绝缘层,包覆所述电容层,用于所述电容层的绝缘和防水;
鞋垫层,包覆所述绝缘层,放置于所述智能鞋内部,在用户穿着所述智能鞋时与其接触;以及,
传输接口,连接所述电容层,且从所述绝缘层和所述鞋垫层伸出,连接到所述智能鞋,用于所述电容层的充、放电;
其中,所述电容层、绝缘层和鞋垫层是通过3D打印一体成型。
6.根据权利要求5所述的智能鞋垫,其特征在于,所述电容层包括金属集流体和柔性电容器电极,所述柔性电容器电极和所述金属集流体通过3D打印获得,所述柔性电容器电极连接所述传输接口。
7.根据权利要求5所述的智能鞋垫,其特征在于,所述鞋垫层的制作材料为纺织品类、EVA类、PU类、天然皮革及人造皮革中的任意一种。
8.根据权利要求5所述的智能鞋垫,其特征在于,所述绝缘层的制作材料是PA尼龙、PA6尼龙、PA66尼龙、MC尼龙、POM聚甲醛、PP聚丙烯、PTFE聚四氟乙烯、PEEK聚醚醚酮、PVDF聚偏二氟乙烯、酚醛树脂纸基增强PFCP、酚醛树脂布基增强PFCC、环氧树脂玻璃纤维增强3240FR4、聚酯树脂玻璃纤维增强SMC及氯化联苯甲基甲醇DMC中的任意一种。
9.根据权利要求5所述的智能鞋垫,其特征在于,所述电容层的制作材料是石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、碳纤维、聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔及聚亚胺酯中的任意一种。
10.一种智能鞋,其特征在于,通过如权利要求5-9中任意一项所述的智能鞋垫为其提供电能。
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