CN109094029B - 一种三维打印生物医疗鞋垫及打印方法 - Google Patents

一种三维打印生物医疗鞋垫及打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维打印生物医疗鞋垫及打印方法，包括至少三个足底应力集中区A、B、C；其中，足底应力大小排序为A＞B＞C；每个足底应力集中区内均填充有若干个气孔，且A、B、C中的孔隙率大小依次递增，A、B、C中的密度依次递减。在设计鞋垫之前要对患者的脚部进行医学扫描，然后对扫描的脚部模型进行三维建模，再对三维模型进行力学分析，根据力学分析结果设计鞋垫中密度可控的内部多孔结构，形成鞋垫模型，最后利用静电纺丝工艺打印成品。本发明结构简单新颖，材质轻巧，精度高，尤其，鞋垫内部密度可控的多孔结构，能针对患者的情况因脚制宜，让患者在治疗过程中，减少痛苦。

Description

一种三维打印生物医疗鞋垫及打印方法
技术领域
本发明涉及三维打印技术生物医疗领域，特别是一种三维打印生物医疗鞋垫及打印方法。
背景技术
人体运动时，脚部需要足够的柔韧性来吸收震荡，适应坚硬的地面，同时，也需要相应的刚度来抵抗潜在但巨大的推进力，这对脚部的健康就有了较高的要求。
目前，很多的患者脚部会出现一定的问题，比如长跑运动员可能会出现跖骨头疼痛，体操运动员脚部与地面有高冲击性的人员容易患中字骨发炎，还有一些先天性的莫顿趾，或者是第二跖骨受力过度而得的莫顿趾。对于以上病症，医生大都使用全面接触式鞋垫作为治疗方案，相比之前的平坦式鞋垫其压力峰值的确降低了70％，但是这种鞋垫都是统一生产的，不一定满足所有患者的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种三维打印生物医疗鞋垫，该三维打印生物医疗鞋垫能针对患者的病症，同时提高患者脚部的舒适度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种三维打印生物医疗鞋垫，包括至少三个足底应力集中区A、B、C；其中，足底应力大小排序为A＞B＞C；每个足底应力集中区内均填充有若干个气孔，且A、B、C中的孔隙率大小依次递增，A、B、C中的密度依次递减。
包括三个足底应力集中区A、B、C；A区的孔隙率为88.23％，B区的孔隙率为72.84％， C区的孔隙率为65.76％。
A区的孔径范围为0.48-0.70mm，B区的孔径范围为0.71-0.92mm，C区的孔径范围为0.94-1.86mm。
一种三维打印生物医疗鞋垫的打印方法，包括如下步骤。
步骤1，三维建模：通过反求技术扫描患者脚部模型，再对扫描图片建立三维模型。
步骤2，实体模型转换：将步骤1建立的三维模型导入ANSYS中，转换为实体模型。
步骤3，有限元等效应力分析：在ANSYS中对实体模型进行有限元分析，得到实体模型的等效应力情况，也即足底压力分布，足底压力分布包括三个应力集中区A、B、C；其中，足底应力大小排序为A＞B＞C。
步骤4，鞋垫气孔设计：采用三角周期性极小化曲面方程对每个应力集中区分别进行造孔，在Solidworks中形成打印模型；其中，A、B、C中的孔隙率大小依次递增，A、B、C 中的密度依次递减。
步骤5，鞋垫打印：将步骤4形成的打印模型进行增材制造。
步骤2中，三维模型在导入ANSYS之前，先利用Geomagic studio12.0进行去噪，光顺，切割处理，从而得到三角网格模型，再将三角网格模型导入ANSYS中转换成实体模型。
步骤3中，在对实体模型进行有限元分析之前，需根据步骤2转换后的实体模型建立符合脚型的鞋垫，并建立对应的地板模型。
步骤3中，实体模型有限元分析的具体方法为：先对组成元素单元类型进行设定，再根据实际情况施加载荷与约束进行加载，求解出足底压力分布。
步骤5中，采用静电纺丝工艺，将步骤4形成的打印模型进行打印。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明结构简单新颖，三维打印的鞋垫的曲面设计和鞋垫表面的凹凸设计，符合人体运动时的功能学要求，提高人们运动时的舒适度。
2.针对不同患者的脚部形状，三维打印的医疗鞋垫真正地做到了“因脚制宜”，对于鞋垫形状要求比较高，也能轻松，快捷，高效的完成。
3.本发明采用静电纺丝工艺的3D打印机打印制成，减少了连接件的使用，制造精度能达到纳米级，鞋垫整体美观，舒适。
附图说明
图1显示了本发明中足底压力分布图。
图2显示了本发明中足底压力分布区域图。
图3显示了本发明中三种孔径分布图。
图4显示了应力F作用下三种孔径模型的形变图。
图5显示了本发明三维打印生物医疗鞋垫的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图5所示，一种三维打印生物医疗鞋垫，包括至少三个足底应力集中区A、B、C；其中，足底应力大小排序为A＞B＞C。
每个足底应力集中区内均填充有若干个气孔，且A、B、C中的孔隙率大小依次递增，A、 B、C中的密度依次递减。
A区的孔径范围为0.48-0.70mm，A区的孔隙率为88.23％，B区的孔径范围为0.71-0.92m， B区的孔隙率为72.84％；C区的孔径范围为0.94-1.86mm，C区的孔隙率为65.76％。
一种三维打印生物医疗鞋垫的打印方法，包括如下步骤。
步骤1，三维建模：通过反求技术扫描患者脚部模型，得到的脚的一系列二维CT图片，再对扫描图片导入Mimics中建立三维模型。
步骤2，实体模型转换：先利用Geomagic studio12.0将步骤1建立的三维模型进行去噪，光顺，切割等后处理，从而得到三角网格模型，再将三角网格模型导入导入ANSYS中，转换为实体模型。接着，根据实体模型建立符合脚型的鞋垫，并建立对应的地板模型。
步骤3，有限元等效应力分析：在ANSYS中对实体模型进行有限元分析，得到实体模型的等效应力情况，也即足底压力分布。
实体模型有限元分析的具体方法优选为：先对组成元素单元类型进行设定，再根据实际情况施加载荷与约束进行加载，求解出足底压力分布。
上述组成元素单元中，脚的单元类型设定为刚性体，鞋垫的单元类型设定为SOLID187，地板的单元类型设定为刚性体，足底和鞋垫接触面(足底部分)单元类型设定为TARGE170，足底和鞋垫接触面(鞋垫部分)单元类型设定为CONTA174，鞋垫和地板接触面(鞋垫部分) 单元类型设定为CONTA174，鞋垫和地板接触面(地板部分)单元类型设定为TARGE170。
足底压力分布包括三个应力集中区A、B、C，如图1和图2所示；其中，足底应力大小排序为A＞B＞C，也即A区是应力比较集中的区域，B区是应力一般的区域，C区是应力分散的区域。另外，A区有两块，一块在脚掌部位，一块在交底部位；B区也有两块，且每个 B区均包覆在A区的外围；除A区和B区以外的部分，均为C区。
步骤4，鞋垫气孔设计
具体造孔方法：根据应力状态和质心质量的约束条件，优化模型的载荷分布和平衡性，建立隐式曲面方程生成符合密度应力可控的内部多孔结构。
根据材料的强度与孔隙率、孔径成负相关，在足底压力峰值部分，缩小孔隙率和孔径，以保证实物模型更好的效果。因而，采用三角周期性极小化曲面方程对每个应力集中区分别进行造孔，在Solidworks中形成打印模型。
其中，A、B、C中的孔隙率大小依次递增，A、B、C中的密度依次递减。
三角周期性极小化曲面方程(TPMS)分为P-TPMS，D-TPMS，G-TPMS三种标准类型，复杂的多孔结构物理模型是三种标准的融合，数学模型是在标准的隐式曲面函数基础上加入一个函数或常数。采用三角周期性极小化曲面方程作为造孔单元模型的构造函数，可以实现对复杂多孔结构模型的精确数字化表达。实验数据结果表明，曲面D和G的形态结构具有比较相近的力学性能特性，而曲面函数P结构的弹性模量和屈服强度比起D和G两类结构要高。故本发明的三角周期性极小化曲面方程以P曲面的隐函数方程作为基础，加入函数变量后公式如下：
fp＝a cos(X)+b cos(Y)+c cos(Z)+k (1)
其中，k＝Az (2)
式(2)中，fp为P曲面的隐函数方程，理论上fp＝0；k是关于z的一个线性函数，最终所设计模型中孔隙的形态变化沿z轴方向进行线性变换。其中X＝2πx，Y＝2πy， Z＝2πz，(x,y,z)是曲面上的任意点；a，b，c分别是在笛卡尔坐标系中x，y，z轴方向上幅值因子，a，b，c的值随模型缩放大小比例的确定而确定。
根据足底受力情况在鞋垫上设计不同的孔隙率和孔径的孔，如图3a，3b，3c所示分别是对公式(2)中的参数A进行不同的赋值，得到不同变化趋势的多孔结构模型，具体的参数如表1所示。其中图3a，直观上可以看出孔径大，孔隙率大；图3b，直观上可以看出孔径较大，孔隙率较大；图3c，直观上可以看出孔径小，孔隙率小。
参数A赋值要求：根据步骤3中分析得到的三个区域的足底压力分布值，参照表1进行赋值。
为了更好的说明本发明，所以本实施列只选取了三种孔径分布，实际情况的孔径分布会更多。图3a，3b，3c三种孔的分布会使得同种材料制成的鞋垫强度不一样，其中图3c所组成的鞋垫部分强度最高(A值取0.04)，图3b次之(A值取0.08)，图3a的强度最低(A值取0.16)。当对三种孔径分布的模型施加相同大小力的时候，产生的形变如图4a，4b，4c所示。由于图3a模型的强度比较的低，在应力F的作用下，模型发生的形变会比较的明显，具体的如图4a所示；强度逐渐增强的模型图3b，3c，在应力大小为F的作用下，发生的形变如图4b，4c所示。
表1不同A值对应的多孔结构孔径大小
模型 模型a 模型b 模型c
A值 0.16 0.08 0.04
孔径范围(mm) 0.94-1.86 0.71-0.92 0.48-0.70
孔隙率(％) 88.23 72.84 65.76
应力范围(N) 38-128 135-281 301-506
进一步的，所述根据足底受力情况在鞋垫上设计不同的孔隙率和孔径的孔，根据足底压力分布图，在不同的应力分布区植入不同的孔。在足底压力分布图的A区域植入孔径分布为图3a，在足底压力分布图的B区域放入孔径分布为图3b，在足底压力分布图的C区域放入孔径分布为图3c。这样就形成了本发明的鞋垫模型，如图5所示。为了更好的说明本发明，所以本实施列只选取了三种足底压力分布，实际情况的压力分布情况会更多，从而对应的A 值也很多，对应的孔径孔隙率也会复杂多样。
步骤5，鞋垫打印：采用静电纺丝工艺，将步骤4形成的打印模型进行增材制造。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种三维打印生物医疗鞋垫的打印方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，三维建模：通过反求技术扫描患者脚部模型，再对扫描图片导入Mimics中建立三维模型；
步骤2，实体模型转换：先利用Geomagic studio12.0将步骤1建立的三维模型去噪、光顺、切割处理，从而得到三角网格模型，再将三角网格模型导入ANSYS中，转换为实体模型；
步骤3，有限元等效应力分析：先根据步骤2转换后的实体模型建立符合脚型的鞋垫，并建立对应的地板模型；接着，在ANSYS中对实体模型进行有限元分析，得到实体模型的等效应力情况，也即足底压力分布，足底压力分布包括三个应力集中区A、B、C；其中，足底应力大小排序为A＞B＞C；实体模型有限元分析的具体方法为：先对组成元素单元类型进行设定，再根据实际情况施加载荷与约束进行加载，求解出足底压力分布；
步骤4，鞋垫气孔设计：采用三角周期性极小化曲面方程对每个应力集中区分别进行造孔，在Solidworks中形成打印模型；其中，A、B、C中的孔隙率大小依次递增，A、B、C中的密度依次递减；
每个应力集中区的具体造孔方法：根据应力状态和质心质量的约束条件，优化模型的载荷分布和平衡性，建立隐式曲面方程生成符合密度应力可控的内部多孔结构；根据材料的强度与孔隙率、孔径成负相关，在足底压力峰值部分，缩小孔隙率和孔径，以保证实物模型更好的效果；因而，采用三角周期性极小化曲面方程对每个应力集中区分别进行造孔；采用三角周期性极小化曲面方程作为造孔单元模型的构造函数，实现对复杂多孔结构模型的精确数字化表达；其中，三角周期性极小化曲面方程以P曲面的隐函数方程作为基础，加入函数变量后公式如下：
fp＝a cos(X)+b cos(Y)+c cos(Z)+k (1)
其中，k＝Az (2)
式中，fp为P曲面的隐函数方程，理论上fp＝0；k是关于z的一个线性函数，最终所设计模型中孔隙的形态变化沿z轴方向进行线性变换；其中X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，(x,y,z)是曲面上的任意点；a，b，c分别是在笛卡尔坐标系中x，y，z轴方向上幅值因子，a，b，c的值随模型缩放大小比例的确定而确定；
根据足底受力情况在鞋垫上设计不同的孔隙率和孔径的孔，分别对公式(2)中的参数A进行不同的赋值，得到不同变化趋势的多孔结构模型，具体的参数如表1所示：
表1不同A值对应的多孔结构孔径大小
模型 模型a 模型b 模型c A值 0.16 0.08 0.04 孔径范围(mm) 0.94-1.86 0.71-0.92 0.48-0.70 孔隙率(％) 88.23 72.84 65.76 应力范围(N) 38-128 135-281 301-506
在足底压力分布图的A区域植入表1中的模型c，在足底压力分布图的B区域植入表1中的模型b，在足底压力分布图的C区域植入表1中的模型a，从而形成鞋垫模型；
步骤5，鞋垫打印：将步骤4形成的打印模型进行增材制造。
2.根据权利要求1所述的三维打印生物医疗鞋垫的打印方法，其特征在于：步骤5中，采用静电纺丝工艺，将步骤4形成的打印模型进行打印。
3.根据权利要求1所述的三维打印生物医疗鞋垫的打印方法，其特征在于：步骤4形成的鞋垫模型，包括至少三个足底应力集中区A、B、C；其中，足底应力大小排序为A＞B＞C；每个足底应力集中区内均填充有若干个气孔，且A、B、C中的孔隙率大小依次递增，A、B、C中的密度依次递减。
4.根据权利要求3所述的三维打印生物医疗鞋垫的打印方法，其特征在于：步骤4形成的鞋垫模型，包括三个足底应力集中区A、B、C；A区的孔隙率为65.76％，B区的孔隙率为72.84％，C区的孔隙率为88.23％。
5.根据权利要求3所述的三维打印生物医疗鞋垫的打印方法，其特征在于：步骤4形成的鞋垫模型中，A区的孔径范围为0.48-0.70mm，B区的孔径范围为0.71-0.92mm，C区的孔径范围为0.94-1.86mm。
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