CN108477752A - 3d打印缓震结构以及应用该结构的鞋底 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印缓震结构以及应用该结构的鞋底，3D打印缓震结构由多个3D打印的镂空晶格结构单元填充而成。镂空晶格结构单元由多个形似鸟类骨骼骨的小梁相连组成均匀多孔的蜂巢状规则结构，小梁粗细为2～4mm，镂空晶格结构单元的直径为5～15mm。鞋底的空腔内由多个镂空晶格结构单元填充。多个镂空晶格结构单元连接成立体形状的圆角长方体网格，圆角长方体网格周期性排列成连续网格结构，形成三维连续体结构。具有能够吸收冲击能量并减轻冲击负载的功能，并基于足底压力分布将该结构应用于鞋底，而且还可实现支撑、透气、适足、轻量化等不同功能，可为不同体育项目、不同运动特点的使用者提供最合理的力学反馈，作为缓震和回弹的晶格支持使用者完成技术动作，为人体运动提供支持并保护运动爱好者免于运动损伤。

Description

3D打印缓震结构以及应用该结构的鞋底

技术领域

本发明涉及一种运动鞋，尤其涉及一种3D打印缓震结构以及应用该结构的鞋底。

背景技术

运动鞋制作是一种技术密集型的生产链，其涉及设计、CAD建模、木模雕刻，试模、开模、修改、生产等多个环节，不仅研发生产周期较长，工艺技术复杂，而且无法排除人工作业，因此，制鞋业被称为最难实现自动化的产业之一。

目前，大部分常见的运动鞋都采用包含泡沫材料的鞋底。例如，由乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)或聚氨酯(PU)制成的泡沫会针对鞋底中出现的载荷提供出色的缓冲性能，因此被用作位于鞋底内底区与外底区之间的鞋底夹层的典型材料。

人类的体育运动通常都会涉及对足短时间的冲击力或周期性的高冲击负载。例如，篮球运动是一项已知的涉及足下高冲击负载的运动，尤其是在不当地着地姿势或不小心从空中着地至坚硬不平滑的表面过程。在过去的几年中，篮球运动动作幅度变得更大，从而导致了对脚内侧和脚跟区域更高的冲击负载。无论脚是在着地期间保持正确的缓冲，还是不当地着地姿势，这种情况都会发生，造成包括应力性骨折在内的一系列运动损伤。因此，可能有效的解决办法是具有一种缓震结构的鞋底，该结构当使用者正在垂直方向相对高冲击的运动时，能减少使用者遭受过高的地面冲击力。

3D打印技术又称为增材制造技术，与以往的制造方式不同，3D打印以3D数字模型为基础，通过逐层打印的方式构造物体结构，免去了工业制品成型过程中众多复杂的工序，仅需将3D数字模型导入3D打印机，通过3D打印机打印完成后，经过简单的后处理即可得到一个3D打印成品。

相比传统的模具成型技术，3D打印技术(即增材制造技术)能够不受模具束缚，打印任何形状，并且具有周期短，精度高的特点。为了配合运动员技术动作，传统运动鞋依靠多个功能部件才能完成的产品，3D打印鞋通过参数改变运动鞋造型和密度分布即可实现。

3D打印鞋的优点：一是节省材料，不用剔除边角料，提高材料利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；二是能做到很高的精度和复杂程度，除了可以表现出外形曲线上的设计，不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，它大大降低了组装成本，它甚至可以挑战大规模生产方式。

现有技术中，3D打印技术在工业制品中的普及目前受制于材料和成本，3D打印原材料目前局限性较大，普遍使用的打印材料仅有TPU(热塑塑料)、尼龙、树脂、橡胶、金属粉末等少数材料，加上目前3D打印成本偏高，因此在实际应用中，3D打印技术还无法完全替代传统制造技术。特别是在制鞋业中，运动鞋中底大多采用发泡材料，重量轻、弹性好的发泡材料可以为足底提供良好的舒适性，3D打印制品的重量和辅助人体运动的功能都无法与传统发泡材料相比，这是制约3D打印运动鞋在制鞋业中大量应用的主要原因。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印缓震结构以及应用该结构的鞋底。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的3D打印缓震结构，由多个3D打印的镂空晶格结构单元填充而成。

本发明的应用上述3D打印缓震结构的鞋底，鞋底的空腔内由多个所述镂空晶格结构单元填充。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的3D打印缓震结构以及应用该结构的鞋底，具有能够吸收冲击能量并减轻冲击负载的功能，并基于足底压力分布将该结构应用于鞋底。通过调整该3D打印结构晶格的分布，可为不同体育项目、不同运动特点的使用者提供最合理的力学反馈，作为缓震和回弹的晶格支持使用者完成技术动作，为人体运动提供支持并保护运动爱好者免于运动损伤。

附图说明

图1为本发明实施例提供的3D打印缓震结构的结构示意图。

图2至图5分别为本发明实施例提供的应用3D打印缓震结构的鞋底的结构示意图。

图6为本发明实施例的3D打印缓震结构的鞋底落地缓冲测试力随时间变化曲线示意图。

图7为传统EVA鞋底落地缓冲测试力随时间变化曲线示意图。

图中：

1、前掌，2、后掌，3、小梁，4、孔。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的3D打印缓震结构以及应用该结构的鞋底，其较佳的具体实施方式是：

3D打印缓震结构由多个3D打印的镂空晶格结构单元填充而成。

所述镂空晶格结构单元由多个小梁相连组成均匀多孔的蜂巢状规则结构。

所述小梁形似鸟类骨骼骨，小梁粗细为2～4mm，连接而成的镂空晶格结构单元的直径为5～15mm。

所述3D打印的原材料为尼龙或TPU粉末。

所述3D打印采用SLS选择性激光烧结方法。

应用上述3D打印缓震结构的鞋底，鞋底的空腔内由多个所述镂空晶格结构单元填充。

多个所述镂空晶格结构单元连接成立体形状的圆角长方体网格，所述圆角长方体网格周期性排列成连续网格结构，形成三维连续体结构。

所述3D打印缓震结构设于鞋底的前掌和后掌部位。

本发明的3D打印缓震结构以及应用该结构的鞋底，具有能够吸收冲击能量并减轻冲击负载的功能，并基于足底压力分布将该结构应用于鞋底。通过运动生物力学测试，证实其缓震性能优于传统鞋中底材质如EVA、PHYLON、PU、硅胶等，而且还可实现支撑、透气、适足、轻量化等不同功能。通过调整该3D打印结构晶格的分布，更可为不同体育项目、不同运动特点的使用者提供最合理的力学反馈，作为缓震和回弹的晶格支持使用者完成技术动作，为人体运动提供支持并保护运动爱好者免于运动损伤。

具体实施例，如图1至图5所示：

利用计算机3D设计软件进行3D缓震结构样块或鞋底3D数字建模，将3D缓震结构样块或鞋底3D数字模型导入3D打印机即可打印。

3D缓震结构样块或鞋底3D打印机采用SLS选择性激光烧结打印机。

3D缓震结构样块或鞋底3D打印利用SLS选择性激光烧结技术，打印原料采用TPU粉末(或尼龙粉末)，利用激光器在计算机的操控下对粉末进行逐层扫描照射，实现TPU粉末的烧结粘合，层层堆积实现成型。

3D打印鞋底所采用的TPU粉末是百微米级粒径的粉末，其烧结成型的温度为160°，以上所述的TPU粉末的粒径和成型温度均是本发明可能采用的一种，3D打印鞋底所采用的TPU粉末的粒径和成型温度包含但不限于以上的可能。

用于鞋中底的3D打印缓震结构样块，其中的腔体利用晶格结构填充，腔体内由形似鸟类骨骼骨小梁相连组成均匀多孔的蜂巢状规则结构填充，小梁粗细为2～4mm，连接而成的镂空晶格结构单元的直径约为5～15mm。晶格结构是由多个周期性排列的圆角长方体网格构成的连续网格结构，圆角长方体网格可以是不同大小的立体形状，其特点是能够互相形成三维连续体结构。蜂巢结构形成的立体型填充在运动鞋腔体中，能够通过结构形变为运动鞋提供缓冲、透气性能，此外，此结构压缩形变后，回复形变能力较强，能为运动鞋提供一定的回弹性。形似鸟类骨骼的小梁纵横交错成坚固支柱，这些支柱能使鞋底支撑性更强。

根据本发明的其他物性测试，用于鞋中底的3D打印缓震结构样块的压缩形变是25％或更小，并且在一些情况下在10％至20％的范围内。回弹性大于40％，并且在一些示例中大于50％。用于该示例性的3D打印缓震结构样块的硬度(硬度计Asker C)可以是60至80，取决于鞋类的类型。该样块的抗拉强度可以是至少10kg/cm2。延伸率断裂伸长率％是200至500，通常高于360。撕裂强度是10kg/cm。

足部的承重，往往认为是第一跖趾关节、第五跖趾关节和跟骨三点共同负重。因此足部的压力反应在图形上，会有前足和跟骨两处较大区域的压力承载区。应力性骨折是骨受到不断冲击劳损的结果。因此在鞋底设计时，针对前掌和后掌两处足底压力较大的承载区，相应设计上述3D打印缓震晶格。在人体运动时，地面对人体反作用力的高冲击负载条件下，前掌和后掌被设计成可屈曲形变，从而在减少(或可能相同)的压力下导致鞋底部分产生相对短的垂直位移。在该屈曲过程中，穿着该鞋底的运动员，会感受到鞋底变软并体验相应的缓冲或“下沉”的感觉，使用者受到的负载将会减少，从而保护使用者脚不受伤。整个过程中，冲击力量衰减会由鞋底部分前掌和后掌相应区域的材料压缩实现。

如图6、图7所示，在根据本发明的至少一些示例性构造中，利用Kistler生物力学测力台进行了对照测试。受试者穿着具有3D打印缓震结构鞋底的运动鞋和具有传统EVA鞋底的运动鞋，在测力台上做规定的落地缓冲测试动作，即要求受试者从40cm高的台子上无初速度无摆臂下落。结果显示峰值力3D打印缓震结构的鞋底<传统EVA鞋底，说明3D打印缓震结构使地面对人的冲击力减小，有着优越的缓冲性能。力的加载率同样是3D打印缓震结构的鞋底<传统EVA鞋底，这项指标是一项反应力和时间关系的指标，是造成损伤的一个关键因素，人体的神经控制需要一定的时间才能向关节周围的肌肉提供反馈，低的加载率意味着地面反作用力在相对较长的时间达到较大的值，运动员有相对充足的时间通过神经控制来改变其动作策略以适应不同的场地情况，从而使得关节的载荷减小，在一定程度上避免损伤。

3D打印缓震结构和3D打印缓震结构落地缓冲测试数据

本发明的具有冲击衰减系统的鞋底结构，其能够处理高空落地的冲击载荷，且不会牺牲运动员的主观运动幅度。3D打印缓震结构，相较于传统EVA鞋底运动鞋，有着更为优秀的缓冲性能。同时发挥3D打印技术的低能耗、环保无污染的优点，摆脱传统制鞋业劳动密集型的限制。3D打印缓震结构中，镂空的蜂巢结构能够通过结构形变为运动鞋提供缓冲、透气性能，形似鸟类骨骼的小梁纵横交错成坚固支柱，这些支柱能使鞋底支撑性更强。而且3D打印技术的拓扑设计大大降低了鞋底重量，降低了运动中的能量消耗。而且，根据不同运动项目、不同运动特点人群的足部运动特征，将这些镂空单元以特定的材质、形态、大小、位置、密度设计于中底上的各主要受力部位，可以为不同运动项目提供相应的鞋底力学反馈，并满足不同运动特定人群的个性化需求。

具体实施中，可使用各种种类的3D打印(或增彩制造)技术。3D打印或“三维印刷”包括用于通过将材料的连续层沉积在彼此的顶部上而形成三维物体的各种技术。可使用的示例性3D打印技术包括但不限于：熔丝制造(FFF)、电子束自由成型制造(EBF)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔炼(EMB)、选择性激光熔化(SLM)、选择性热烧结(SHS)、选择性激光烧结(SLS)、石膏3D印刷(PP)、分层实体制造(LOM)、立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP)以及本领域已知的各种其他种类的3D打印或增材制造技术。

打印材料可以由包括墨汁、树脂、丙烯酸、聚合物、热塑性材料、热固性材料、光固化材料或其组合的材料制成。按照实施方案，打印材料还可以由按照材料的沉积序列打印一个或更多个层而形成为任何期望的厚度，并且打印材料还可以包括填充物材料以将强化方面或美学方面赋予打印材料。例如，填充物材料可以是被设计成赋予期望的颜色或颜色图案或过度部的粉末状的材料或染料、金属或塑料的颗粒或刨花、或任何其他的粉末状的矿物、金属或塑料，并且可以依赖于期望的性质定制打印材料的硬度、强度或弹性。填充物材料可以在打印之前与打印材料预先混合，或可以在打印到鞋面上期间与打印材料混合。因此，按照实施方案，打印材料可以是复合材料。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种3D打印缓震结构，其特征在于，由多个3D打印的镂空晶格结构单元填充而成。

2.根据权利要求1所述的3D打印缓震结构，其特征在于，所述镂空晶格结构单元由多个小梁相连组成均匀多孔的蜂巢状规则结构。

3.根据权利要求2所述的3D打印缓震结构，其特征在于，所述小梁形似鸟类骨骼骨，小梁粗细为2～4mm，连接而成的镂空晶格结构单元的直径为5～15mm。

4.根据权利要求3所述的3D打印缓震结构，其特征在于，所述3D打印的原材料为尼龙或TPU粉末。

5.根据权利要求4所述的3D打印缓震结构，其特征在于，所述3D打印采用SLS选择性激光烧结方法。

6.一种应用权利要求1至5任一项所述3D打印缓震结构的鞋底，其特征在于，鞋底的空腔内由多个所述镂空晶格结构单元填充。

7.根据权利要求6所述的应用3D打印缓震结构的鞋底，其特征在于，多个所述镂空晶格结构单元连接成立体形状的圆角长方体网格，所述圆角长方体网格周期性排列成连续网格结构，形成三维连续体结构。

8.根据权利要求7所述的应用3D打印缓震结构的鞋底，其特征在于，所述3D打印缓震结构设于鞋底的前掌和后掌部位。