CN112471638A - 一种减震式3d打印护膝 - Google Patents

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Abstract

一种减震式3D打印护膝涉及体育用品技术领域，包含裹套在膝盖上的护膝套，该护膝套由棉布制作而成，还包含保护膝关节用的3D打印减震护膝囊，该结构完全覆盖在膝关节上，在运动碰撞中起到减震的作用。护膝囊呈椭球形壳状结构，内部由减震结构阵列排布而成，当运动中发生碰撞时，减震结构通过吸收能量来减轻碰撞对膝关节的伤害，起到保护膝关节的作用；此外，护膝囊采用TPU材料进行3D打印而成，镂空的结构减轻了护膝的重量，使用起来更加轻便。

Description

一种减震式3D打印护膝
技术领域
本发明涉及护膝制作的技术领域，具体是一种3D打印护膝及其制作方法。
背景技术
膝盖既是一个在运动中极其重要的部位，同时又是一个比较脆弱容易受伤的部位，还是一个受伤时极其疼痛且恢复较慢、甚至个别人会出现下雨阴天就隐隐作痛的情况，运动护膝的作用是在运动中保护膝盖，避免因运动时动作不当对膝盖造成伤害。例如深蹲动作，护膝能够固定下蹲起立的过程，具备较好的防护作用；再如运动时摔倒，膝盖部常因最先着地而受伤，护膝不仅可起到撞击缓冲作用，还可以防止擦刮伤。目前市场上常用的运动护膝，通常在膝盖部位增加防护垫，强化护膝的防撞击功能，这种护膝可以在速度低于2m/s摔倒时起到有效的防护作用，当速度高于5m/s时，产生的冲击力很大，即使其中一小部分的冲击力作用到膝盖上也会产生极大的不适。为了得到一种质地柔软并且具有高防护效果的护膝，本领域的技术人员开发出很多护膝产品，比如中国专利：一种聚氨酯运动护膝组合物及其制备方法(授权公告号CN104151518B)，该方案公开了制备聚氨酯护膝产品，该结构的运动护膝可以一定程度上地减少或避免运动过程中受到的冲击，有效地吸收和分散部分冲击力，使膝盖得到一定的保护。但是该产品在实际应用过程中也发现，其吸收和分散冲击力与其厚度成一定的正比，当剧烈撞击时产生的能量较大，所以需要的厚度也会增加，这会导致护膝的重量增加很多，同时穿戴不方便。为了满足剧烈运动中对膝盖的保护，穿戴更加舒适，本专利设计一种镂空的点阵结构，通过改变点阵密度的变化来改变护膝可以吸收的冲击能，在减少厚度的情况下提高护膝吸收的冲击能。
发明内容
本发明的目的是提供一种减震式3D打印护膝，可以利用点阵的设计起到减震的作用，同时在不增加护膝厚度的情况下，减轻了重量，佩戴更加舒适。
本发明的实现方案：
一种减震式3D打印护膝，包含裹套在膝盖上的棉布护膝套，还包括保护膝盖用的护膝囊。
首先设计了护膝套的外观形状，采用圆筒式的设计方式，护膝套分为两部分，大腿部分护膝套直径为14cm、长度为10cm,小腿部分护膝套直径为9cm、长度为10cm，两部分之间进行均匀过渡且距离为10cm，在膝盖部分预留出安装护膝囊的位置，护膝套的材料选择棉布做为主要材料。
所述护膝囊包含外壳层、内壳层、点阵层三部分，外壳层和内壳层均采用椭球壳状结构，用于连接点阵结构，内外壳层结构使用三维建模软件设计，首先设计一个长轴为14cm、短轴为10cm的椭圆，通过椭圆与点进行曲面拟合生成如图4看到的外壳层曲面，然后通过曲面偏置3cm生成如图4看到的内壳层曲面，内外曲面向外偏置0.3cm形成壳状实体模型。将内外层壳状结构导入Rhino建模软件中进行点阵填充，选择cross点阵做为点阵单元，这种单元采用线条构成三角形，与我们常见的体心、面心点阵结构采用三角形与正方形结合的方式相比，稳定性提高了20％，受力均匀，同样的材料下，使用寿命增加50％，因此采用这种点阵结构做护膝囊的填充点阵。点阵采用X、Y、Z三轴固定的数量进行填充，分别为19、13、3个，点阵中梁的直径为0.8cm，将点阵结构与内外壳层合并生成整体模型导出STL格式模型。
由于护膝囊的结构很复杂，本发明采用3D打印的方式进行生产，首先将STL模型进行切片处理，然后导入到SLS型3D打印设备中，打印材料选择TPU，打印层厚为0.02cm，将打印完成的模型进行简单清洗即可安装到护膝套中进行使用。
本发明的有益效果在于：
与现有的护膝相比，本发明具有显著优点：本发明采用点阵式结构的设计，在速度小于6m/s时可以吸收90％的能量，弥补了护膝在高冲击撞击上缺乏有效护膝的不足；同时，点阵的设计使得护膝重量减轻，同体积的材料质量减少50％，穿戴更加舒适。
附图说明
图1是整体模型示意图。
图2是点阵层模型示意图。
图3是晶格点阵单元示意图。
图4护膝囊剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述。
如图1-4所示，本发明首先设计了护膝套的外观形状，采用圆筒式的设计方式，大腿部分护膝套直径为14cm、长度为10cm，小腿部分护膝套直径为9cm、长度为10cm，两部分之间进行均匀过渡且距离为10cm，在膝盖部分预留出安装护膝囊的位置，护膝套的材料选择棉布做为主要材料。
护膝囊由内壳层、外壳层、点阵层三部分组成，结构的设计流程如下：
(1)设计内外壳层结构。使用UG三维建模软件设计护膝囊的外壳层，首先设计一个长轴为14cm、短轴为10cm的椭圆，通过椭圆圆心垂直向上4cm的一点与椭圆进行曲面拟合产生如图4看到的外壳层曲面，然后通过曲面偏置3cm生成如图4看到的内壳层曲面，内外曲面向外偏置0.3cm形成壳状实体模型。
(2)设计点阵结构。将设计的内外层壳状结构导入Rhino三维建模软件中，通过Rhino在内外壳层曲面间进行点阵的填充，选择cross点阵做为点阵单元，这种点阵结构在吸能上高于常见的体心立方结构，点阵的个数在X、Y、Z方向分别设置为19、13、3个，点阵中梁的直径设置为0.8cm，生成如图2所示的点阵结构，将点阵结构与内外壳层合并生成整体模型导出STL格式模型。
(3)护膝囊的生产过程。将STL模型进行切片处理，然后导入到SLS型3D打印设备中，打印材料选择TPU，打印层厚为0.02cm，用SLS型3D打印设备进行打印不需要添加支撑，减少了后处理的时间。
(4)模型的后处理。模型打印完成后用清水进行简单的清洗后，在阴凉处晾干即可。
(5)模型的安装。将模型安放到护膝套预留的位置，用固定带将护膝囊与护膝套进行连接。
本发明的核心在于点阵层的设计，采用cross晶格点阵单元作为设计单元，在内外层之间填充晶格单元，每一层的晶格单元数量固定，本发明的难点在于点阵的填充，常用的点阵填充都是在一些规则的长方体中进行填充，即使在不规则的形状中填充也不能跟随曲面的形状进行填充，使得填充出来的模型受力不均匀，本发明采用Rhino软件使用参数化的方式进行填充，可以有效避免上述问题。
护膝囊的三层结构采用3D打印的方式一体成型，首先通过三维建模软件设计出内、外层结构，并在内外层之间填充点阵结构，将最终生成的模型文件导入到软件里面进行切片处理，切片后的文件再导入到3D打印机中进行打印，采用3D打印的方式可以生产这种复杂点阵结构，打印后形成的实物模型进行简单的清洗处理，待其晾干后即可固定到护膝套上。
以上是本发明的具体优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种减震式3D打印护膝，包括裹套在膝盖及其四周的护膝套，还包含护膝套膝盖位置3D打印制作的减震护膝囊，其特征在于：
减震护膝囊的减震效果通过改变护膝囊内部单元晶格点阵的密度进行调控，护膝囊制作过程包括以下步骤：
(1)设计内外壳层结构：使用三维建模软件设计护膝囊的外壳层，首先设计一个长轴为10-18cm、短轴为8-12cm的椭圆，通过椭圆圆心垂直向上4cm的一点与椭圆进行曲面拟合产生外壳层曲面，然后通过曲面偏置2-4cm生成内壳层曲面，内外曲面向外偏置0.2-0.5cm形成壳状实体模型；
(2)设计点阵结构：将设计的内外层壳状结构导入Rhino三维建模软件中，通过Rhino在内外壳层曲面间进行点阵的填充，选择cross点阵做为点阵单元，点阵的个数在X、Y、Z方向上设置在10-30、10-15、2-8个的范围内，点阵中梁的直径为0.2-1.0cm，将点阵结构与内外壳层合并生成整体模型导出STL格式模型；
(3)护膝囊的生产过程：将STL模型进行切片处理，然后导入到SLS型3D打印设备中，打印材料选择TPU，打印层厚为0.02-0.06cm，用SLS型3D打印设备进行打印不需要添加支撑；
(4)模型的后处理：模型打印完成后用清水进行清洗后，晾干即可。
2.如权利要求1所述的一种减震式3D打印护膝，其特征在于：所述步骤(1)中椭圆的长轴为14cm、短轴为10cm，内外层壳面之间的距离为3cm，内外层厚度均为0.3cm。
3.如权利要求1所述的一种减震式3D打印护膝，其特征在于：所述步骤(2)中点阵的个数在X、Y、Z方向分别为19、13、3个，点阵中梁的直径为0.8cm。
4.如权利要求1所述的一种减震式3D打印护膝，其特征在于：所述步骤(3)中打印过程中，打印的厚度为0.02cm。
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