CN110811064A - 一种功能性鞋垫及其3d打印方法 - Google Patents

一种功能性鞋垫及其3d打印方法 Download PDF

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田晓青
李雅玲
马丁逸飞
韩江
夏链
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    • A43D1/00—Foot or last measuring devices; Measuring devices for shoe parts
    • A43D1/02—Foot-measuring devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing

Abstract

本发明公开了一种功能性鞋垫及其3D打印方法，其打印方法包括以下内容：通过3D扫描仪提取人体足部数据，之后在反向设计软件中对三维数据做拟合优化处理，再利用一款3D打印鞋垫设计软件来辅助设计贴合足底曲面轮廓的定制化鞋垫，然后不同受压部分设计不同填充，最后使用硅胶完成鞋垫的打印。本发明功能性鞋垫及其3D打印方法，通过液体卷绕曲线累积而成的泡沫可以通过调整打印参数来改变其弹性模量，这个优良的特性可以简化功能性鞋垫的加工过程和提高加工效率，相应的降低了制作成本。

Description

一种功能性鞋垫及其3D打印方法
技术领域
本发明涉及鞋垫领域中的一种鞋垫的3D打印方法，尤其涉及一种功能性鞋垫及其3D打印方法。
背景技术
足部健康与足底压力分布紧密相关，而与足底接触最为密切的是鞋垫。3D打印也就是一种快速成型技术，它是一种以三维模型的STL文件为基础，使用的材料一般是粉末状金属或塑料等可粘合材料，并通过逐层打印的方式来构造物体的技术。这项技术可以精准高效地打印出定制化的功能性鞋垫，目前市场上个性化鞋垫制作成本昂贵且效率低下。
发明内容
为了降低鞋垫制造成本以及提高制作效率，本发明提供一种功能性鞋垫及其3D打印方法。
本发明采用以下技术方案实现：一种功能性鞋垫的3D打印方法，所述打印方法如下：
S1：采用3D扫描仪提取人体足部数据，得到三维足部模型的STL格式文件；
S2：导入所述STL格式文件，采用3D打印鞋垫设计软件设计贴合所述足部模型的定制化鞋垫，得到既可以匹配鞋子也贴合足底曲面轮廓的鞋垫；
S3：根据足底受压大小将所述鞋垫分割成受力较大的区域和受力较小的区域，受压较大区域再按照压力的大小使用两组不同参数的泡沫结构进行镂空填充，而泡沫结构是由一列一列紧密相连的粘性液体卷绕曲线在空间累积形成的，相邻平面曲线的方向相互垂直，受力较小的区域采用六边形填充；
S4：对所述鞋垫各个区域进行3D打印，最后将各个区域组装在一起，再制作一层封底将各部分粘黏起来。
作为上述方案的进一步改进，还可将所述液体卷绕曲线形成泡沫结构的过程参数化，具体方法为在参数范围内调整泡沫代码的参数得到完美曲线，将得到的多组参数进行比对得到参数关系，最终将参数保留下来，并保存其G代码。
作为上述方案的进一步改进，所述液体卷绕曲线相邻边缘紧密相贴且不重合。
作为上述方案的进一步改进，所述步骤S3中的参数为挤出压力P＝30-50psi、挤出头距离平台高度H＝5-15mm、机床速度V＝420-600mm/min，挤出头直径D＝0.41-1.19mm。
作为上述方案的进一步改进，在执行步骤S2之前，还包括通过反向设计软件对足部数据优化处理过程，具体为：将扫描得到的所述足部模型封装后得到是一个有很多三角面片组合而成的封装面，选中所述封装面中不平整处的三角面之后删除，再在该处使用平面填充、修补，最终可以得到表面平整以及和实际足部相似度很高的足部模型，并保存为ASCII码格式的STL文件。
作为上述方案的进一步改进，所述反向设计软件为Geomagic Studio。
作为上述方案的进一步改进，所述3D鞋垫打印设计软件为Gensole，具体的步骤为，导入所述足部模型ASCII码格式的STL文件，对足部模型进行平移旋转操作，通过solemorph功能对软件中默认鞋垫的上表面与足部模型的足底进行自动匹配，得到与足底曲面轮廓完全吻合的鞋底模型。
作为上述方案的进一步改进，所述受力较大的区域为前脚掌中间区域1、前脚掌周围区域2、脚跟区域3、其中前脚掌中间区域1、脚跟区域3受压最大，受力较小的区域为其他区域4，且4个区域的弹性模量分别为E1、E2、E3、E4，满足E1＝E3>E2>E4。
作为上述方案的进一步改进，所述鞋垫为硅胶鞋垫。
一种功能性鞋垫，从上至下依次包括无纺布封层、鞋垫主体以及硅胶封底，所述鞋垫主体采用上述方法中任一种方法制成。
本发明的一种功能性鞋垫的3D打印方法，通过液体卷绕曲线累积而成的泡沫可以通过调整打印参数来改变其弹性模量，这个优良的特性可以简化功能性鞋垫的加工过程和提高加工效率，相应的降低了制作成本，使用该方法打印得到的鞋垫能够很好地缓解足底受压不均的情况。
附图说明
图1为本发明一种功能性鞋垫的3D打印方法流程图；
图2为本发明一种功能性鞋垫的结构示意图；
图3为本发明一种功能性鞋垫的内部结构示意图；
图4为本发明一种功能性鞋垫的3D打印步骤示意图；
图5为本发明的液体卷绕曲线完美曲线图及其在空间中的累积方式示意图；
图6为本发明一种功能性鞋垫的六边形结构填充示意图；
图7为流向运动板的粘性流体的五种形态图；
图8为本发明中液体卷绕曲线分布图。
图中：1前脚掌中间区域、2前脚掌周围区域、3脚跟区域、4其他区域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明的一种功能性鞋垫的3D打印方法，其方法步骤如下：
1、足部模型的获取
扫描足部：确保与物体间有360°的移动空间，而且房间有很好的照明，需对扫描过程进行开始、暂停、重新开始以及完成的控制，足部扫描过程中，被扫描者需保持坐的姿势，足部放置于水平的凳子上。通过3D Sence扫描仪进行扫描，提取人体足部数据，该扫描仪是一款手持式三维扫描仪，需要通过USB线连接PC(PC上需要安装商家提供的模型处理软件)来使用，设备正面是透明塑料所保护的双摄像头和红外传感器，扫描时将其对准物体(物体保持静止)并绕物体旋转一周保证扫描到物体的每个部位。扫描完成后在PC上会得到一个三维的足部模型，描得到的三维足部模型和被扫描的实体形状相似度很高，基本和被扫描的实体一样，本发明将扫描得到的三维模型近似代替为被扫描的实体(患者足部)。在3DSence软件中可以将模型导出为OBJ，PLY，STL，ASC等格式的三维模型，本发明中导出的为STL格式的三维足部模型，现在得到的三维足部模型与实体外观上基本一致，但模型表面会存在瑕疵，例如微小的凹坑、凸起等缺陷。
编辑实体：当获取了足部模型后，通过工具编辑足部模型，具体为剪裁、修剪和擦除。
完成扫描：完成了扫描和编辑模型之后，得到的是一个STL格式的足部模型文件，通过反向设计软件Geomagic Studio对足部数据进行优化，扫描得到的足部模型封装后得到是一个有很多三角面片组合而成的封装面，选中封装面中不平整处的三角面之后删除，再在该处使用平面填充、修补，最终可以得到表面平整以及和实际足部相似度很高的足部模型，并保存为ASCII码格式的STL文件。
2、鞋垫外部轮廓的确定
将上述ASCII码格式的STL文件导入3D打印鞋垫设计软件Gensole中设计贴合足部模型的定制化鞋垫，对足部模型进行平移旋转操作，通过solemorph功能对软件中默认鞋垫的上表面与足部模型的足底进行自动匹配，得到与足底曲面轮廓完全吻合的鞋底模型，从而得到既可以匹配鞋子也贴合足底曲面轮廓的鞋垫。
3、鞋垫模型内部填充
请参照图2和图3，根据足底受压大小将所述鞋垫分割成受力较大的区域和受力较小的区域，该区域可以通过Gensole软件根据脚底压力分布进行区分，将受压情况输入Gensole软件，Gensole软件将鞋垫分为成受力较大的区域和受力较小的区域，具体的受压较大的区域需要将弹性模量设计的更大，具有更大的弹力，受力较大的区域为前脚掌中间区域1、前脚掌周围区域2、脚跟区域3、其中前脚掌中间区域1、脚跟区域3受压最大，受力较小的区域为其他区域4，且4个区域的弹性模量分别为E1、E2、E3、E4，满足E1＝E3>E2>E4，然后设计不同的参数对各个区域进行填充，受压较大区域再按照压力的大小使用两组不同参数的泡沫结构进行镂空填充，而泡沫结构是由一列一列紧密相连的粘性液体卷绕曲线在空间累积形成的，且相邻平面曲线的方向相互垂直，对于前脚掌中间区域1和脚跟区域3，使用参数为挤出压力P＝30psi、挤出头距离平台高度H＝15mm、机床速度V＝420mm/min、挤出头直径为0.41mm，对于前脚掌周围区域2使用参数为挤出压力P＝50psi、挤出头距离平台高度H＝5mm、机床速度V＝600mm/min、挤出头直径为1.19mm，通过液体卷绕曲线进行镂空填充，由于打印的参数不同，因此在各个区域的弹性模量不同，这个优良的特性可以简化功能性鞋垫的加工过程和提高加工效率，相应的降低了制作成本，改变了鞋垫的柔软度从而很好的缓解了足底受压不均的问题。此外液体卷绕曲线要求相邻边缘紧密相贴且不重合，这样能够达到最佳的效果，可以控制层高和宽度，为了使变弹性模量鞋垫的制作更加高效，现将由液体卷绕曲线累积而成的泡沫的制备参数化，其方法是在一定参数范围内的调整泡沫代码的参数来得到完美的曲线(如图5所示)，其两曲线边缘紧密相贴且不重合，得到多组参数后找到各参数的联系，最终将参数保留下来，并保存其G代码，下次打印直接调出文件即可，提高了生产效率。
填充结构中的液体卷绕曲线结构的加工原理：液体卷绕曲线是一种粘性流体从特定高度挤压到运动表面时产生螺旋状螺旋结构的现象。当粘性流体螺纹流动并落在运动表面时，可能会发生卷曲图形，产生具有复杂图形液体绳卷。而本实施例中，使用硅胶作为粘性流体，通过调整挤出压力、挤出头距离平台距离以及机床速度三种参数，经实验发现，流向运动板的硅胶可观察到五种形态(如图7所示)，而本发明中所使用的液体卷绕曲线是第五种曲线，优选的为图8中第二种曲线。
受力较小的区域(其他区域4)则填充成六边形(如图6所示)，六边形结构可提高鞋垫寿命，且节省材料，也可降低鞋垫成本，而多个六边形背对背依次排列组合呈蜂窝状结构，蜜蜂建造的六角形、六边形的蜂巢可以承受很大的压力，即使它们是由非常薄的材料制成的。由于六边形状网状结构的多壁布置和一系列连续的六边形状网状结构，可以承受来自四面八方的外力，使得六边形状结构对挤压压力的抗力远远高于任何圆形或方形，洞口不是平的，也不是圆的，而是尖的。底部由三个相同的菱形组成，相邻的孔共用一面墙和一个孔底，节省了建筑材料，蜂窝结构精巧，适应性强，材料高效。
4、3D打印得到实体鞋垫
请参照图4，将上述过程中填充过后的鞋垫模型导入切片软件Slic3r中并生成G-code文件，然后使用硅胶3D打印机打印鞋垫各个区域，将各个区域组装在一起，再制作一层封底将各部分粘黏在一起，最终得到功能性硅胶鞋垫，本实施例中使用硅胶作为鞋垫的原材料，很好的利用了硅胶的优良性能，包括耐高温低温、无味无毒、耐水性好、不溶于水和任何溶剂。硅胶还具有高频绝缘性，可以用来开发设计内含传感器系统的实时检测鞋垫。
本实施例中还公开了一种功能性硅胶鞋垫，该鞋垫从上至下依次包括无纺布封层、鞋垫主体以及硅胶封底，其中鞋垫主体通过上述3D打印方法制得的，该鞋垫能够很好的缓解足底受压不均的情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功能性鞋垫的3D打印方法，其特征在于：所述打印方法如下：
S1：采用3D扫描仪提取人体足部数据，得到三维足部模型的STL格式文件；
S2：导入所述STL格式文件，采用3D打印鞋垫设计软件设计贴合所述足部模型的定制化鞋垫，得到既可以匹配鞋子也贴合足底曲面轮廓的鞋垫；
S3：根据足底受压大小将所述鞋垫分割成受力较大的区域和受力较小的区域，受压较大区域再按照压力的大小使用两组不同参数的泡沫结构进行镂空填充，而泡沫结构是由一列一列紧密相连的粘性液体卷绕曲线在空间累积形成的，相邻平面曲线的方向相互垂直，受力较小的区域采用六边形填充；
S4：对所述鞋垫各个区域进行3D打印，最后将各个区域组装在一起，再制作一层封底将各部分粘黏起来。
2.如权利要求1所述的功能性鞋垫的3D打印方法，其特征在于：还可将所述液体卷绕曲线形成泡沫结构的过程参数化，具体方法为在参数范围内调整泡沫代码的参数得到完美曲线，将得到的多组参数进行比对得到参数关系，最终将参数保留下来，并保存其G代码。
3.如权利要求1所述的功能性鞋垫的3D打印方法，其特征在于：所述液体卷绕曲线相邻边缘紧密相贴且不重合。
4.如权利要求1所述的功能性鞋垫的3D打印方法，其特征在于：所述步骤S3中的参数为挤出压力P＝30-50psi、挤出头距离平台高度H＝5-15mm、机床速度V＝420-600mm/min，挤出头直径D＝0.41-1.19mm。
5.如权利要求1所述的功能性鞋垫的3D打印方法，其特征在于：在执行步骤S2之前，还包括通过反向设计软件对足部数据优化处理过程，具体为：将扫描得到的所述足部模型封装后得到是一个有很多三角面片组合而成的封装面，选中所述封装面中不平整处的三角面之后删除，再在该处使用平面填充、修补，最终可以得到表面平整以及和实际足部相似度很高的足部模型，并保存为ASCII码格式的STL文件。
6.如权利要求5所述的功能性鞋垫的3D打印方法，其特征在于：所述反向设计软件为Geomagic Studio。
7.如权利要求1所述的功能性鞋垫的3D打印方法，其特征在于：所述3D鞋垫打印设计软件为Gensole，具体的步骤为，导入所述足部模型ASCII码格式的STL文件，可对足部模型进行平移旋转操作，通过solemorph功能对软件中默认鞋垫的上表面与足部模型的足底进行自动匹配，得到与足底曲面轮廓完全吻合的鞋底模型。
8.如权利要求1所述的功能性鞋垫的3D打印方法，其特征在于：所述受力较大的区域为前脚掌中间区域、前脚掌周围区域、脚跟区域、其中前脚掌中间区域、脚跟区域受压最大，受力较小的区域为其他区域，且4个区域的弹性模量分别为E1、E2、E3、E4，满足E1＝E3>E2>E4。
9.如权利要求1所述的功能性鞋垫的3D打印方法，其特征在于：所述鞋垫为硅胶鞋垫。
10.一种功能性鞋垫，其从上至下依次包括无纺布封层、鞋垫主体、以及硅胶垫底，其特征在于：所述鞋垫主体为上述权利要求1-9中任一项所述的打印方法打印而成。
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