CN113491372A - 一种复合面心立方晶格点阵结构以及应用该结构的鞋底 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合面心立方晶格点阵结构，包括多个相互连接的结构单元，所述结构单元的体中心自上下左右前后六个方向相互连接构成晶格点阵结构，所述结构单元为一种复合面心立方晶格单元，其中每一个结构单元包含四根从体中心至立方体任意两个相对面的两组空间垂直对角线上顶点的连接柱，以及两根从体中心至所述两个相对面的面中心的加强柱，形成包含X型结构和加强柱的复合点阵结构单元，能够加强该结构单元在加强柱方向的支撑刚度，达到支撑性能和稳定性的中和与平衡，从而获得更好的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域为点阵结构，特别涉及一种复合面心立方晶格点阵结构以及应用该结构的鞋底。
背景技术
3D打印是一种快速成型的技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或树脂等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。通过3D打印的先进生产方法实现了使用复杂点阵结构制备各种零部件的可能，各种不同的复杂点阵结构可以整合入零部件的设计中，实现打印零部件不同的外观和性能的多种可能性。点阵结构无论从微观还是宏观的结构可以千差万别，不同的点阵结构以及使用不同的材料制备点阵结构会体现出完全不同的力学性能，因此如何通过点阵的形状，尺寸，层级结构，材料组成设计3D打印零部件，最大限度提升产品性能是一个非常重要的技术问题。
但是现有的单一点阵结构如金字塔结构、四面体结构等组成的制成支撑结构在减震效果、结构稳定性，以及支撑能力上均有不足。
特别是采用弹性材料进行3D打印，打印出来的点阵结构应用在鞋底难以满足使用需求。对于鞋底结构需要在拥有良好的减震效果(回弹效果)的同时，需要具有良好的支撑能力，即使用者穿着该鞋底运动时，该鞋底的点阵结构需要维持点阵结构的整体形状，避免该结构发生扭转。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有良好的支撑能力以及稳定性，兼顾优异性能与外观设计灵活性的复合面心立方晶格点阵结构，以及目前具有广大市场前景的应用该晶格点阵结构的鞋底。
一种复合面心立方晶格点阵结构，包括多个相互连接的结构单元，所述结构单元的体中心自上下左右前后六个方向相互连接构成晶格点阵结构，所述结构单元为一种复合面心立方晶格单元，其中每一个结构单元包含四根从体中心至立方体任意两个相对面的两组空间垂直对角线上顶点的连接柱，以及两根从体中心至所述两个相对面的面中心的加强柱。
上述的技术方案相对于现有技术具有以下优点：如图1所示的传统面心立方晶格点阵结构中由立方体体中心出发至立方体四个顶点的四个连接柱呈X型相交，该结构本身具有良好的支撑刚性，但是缺乏稳定性，易发生扭曲，那么在立方晶格中添加加强柱能够改善这一问题。包含X型结构和加强柱的复合点阵结构单元，能够加强该结构单元在竖直方向的支撑刚度，达到支撑性能和稳定性的中和与平衡，从而获得更好的力学性能。
进一步地，所述相邻结构单元的加强方向相同或平行，所述加强方向为加强柱的延伸方向。
进一步地，所述结构单元所构成立方体的边长为5-30mm。
进一步地，所述加强柱的横截面为圆形，该圆形的直径为1.5-9mm。
进一步地，所述连接柱的直径为1-9mm。
进一步地，所述复合面心立方晶格点阵结构由3D打印一体成型。
另外本发明记载了一种复合面心立方晶格点阵结构的鞋底，所述鞋底由复合面心立方晶格点阵结构填充而成，该鞋底的上、下表面分别设有鞋底贴合部、鞋面贴合部。
进一步地，所述鞋底由3D打印一体成型。
进一步地，所述复合面心立方晶格点阵结构的尺寸大小以及连接柱与加强柱的直径大小随着其所在鞋底位置而变化。
进一步地，所述鞋底的上、下表面的延伸方向为鞋底的横向，对应的所述复合面心立方晶格点阵结构中的结构单元的加强方向为鞋底的纵向，所述加强方向为加强柱的延伸方向。
进一步地，所述加强柱横截面为圆形，该圆形的直径大小随着加强柱所在结构单元在鞋底的位置而变化，所述结构单元所在位置越靠近鞋底该结构单元中的加强柱直径数值越大。
附图说明
图1为传统的面心立方晶格点阵结构单元结构的结构示意图；
图2为本发明中单元结构的结构示意图；
图3为本发明中复合面心立方晶格点阵结构的结构示意图；
图4为本发明中应用复合面心立方晶格点阵结构的鞋底的局部结构示意图；
图5为本发明中应用复合面心立方晶格点阵结构的鞋底另一角度的局部结构示意图；
图6为本发明中复合面心立方晶格点阵结构与其他结构在HG/T3843-2006硫化橡胶短时间静压缩试验方法的数据对比图；
图7为本发明中复合面心立方晶格点阵结构与其他结构在ASTM F1614-99运动鞋材料系统减震性能标准试验方法的数据对比图；
10、结构单元；11、体中心；12、连接柱；13、加强柱；20、鞋底；21、鞋面贴合部； 22、鞋底贴合部。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对发明作进一步详细地说明。
要理解的是，当一个元件被提到在另一元件“上”、“附着到”另一元件上、“连接到”另一元件上、与另一元件“结合”、“接触”另一元件等时，其可以直接在另一元件上、附着到另一元件上、连接到另一元件上、与另一元件结合和/或接触另一元件或也可存在中间元件。相反，当一个元件被提到“直接在另一元件上”、“直接附着到”另一元件上、“直接连接到”另一元件上、与另一元件“直接结合”或“直接接触”另一元件时，不存在中间元件。本领域技术人员还会理解，提到与另一构件“相邻”布置的一个结构或构件可具有叠加在该相邻构件上或位于该相邻构件下的部分。
空间相关术语，如“下方”、“低于”、“下部”、“上方”、“上部”等在本文中可为易于描述而使用以描述如附图中所示的元件或构件与另外的一个或多个元件或构件的关系。要理解的是，空间相关术语除附图中描绘的取向外还意在包括器件在使用或运行中的不同取向。例如，如果倒转附图中的器件，被描述为在其它元件或构件“下方”或“下面”的元件则将取向在其它元件或构件“上方”。因此，示例性术语“下方”可包括上方和下方的取向两者。器件可以以其它方式取向(旋转90度或其它取向)并相应地解释本文所用的空间相关描述词。类似地，除非明确地另行指示，术语“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等在本文中仅用于解释说明。
面心立方晶格是一种自然界的晶体结构。面心立方晶格的晶胞是由多个相同的立方体组成，而每个立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个原子。如图1所示，原始的面心立方晶格的结构单元，其中结构单元仅包含四根从体中心至立方体任意两个相对面的两组空间垂直对角线上顶点的连接柱。
本发明所披露的复合面心立方晶格点阵结构10，如图2、3所示，由多个结构单元10相互连接而成，所述结构单元10的体中心11自上下左右前后六个方向相互连接构成晶格点阵结构，所述结构单元10为一种复合面心立方晶格单元，即该结构单元10是在立方晶格的基础上增加了两根从其体中心11衍射至立方晶格两个相对侧面的加强柱13，形成一种复合结构。加强柱13能够增加该复合结构在加强柱13方向上的支撑刚度，达到支撑性能和稳定性的中和与平衡，从而使得复合结构获得更好的力学性能。具体的，所述每一个结构单元10包含四根从体中心至立方体11任意两个相对面的两组空间垂直对角线上顶点的连接柱12(空间垂直是指两条对角线通过平移相交后是相互垂直的关系)，以及两根从体中心11至所述两个相对面的加强柱13。具体的，可见图2中，结构单元10在空间上形成一个立方体，该立方体的八个顶点分别为a、b、c、d、e、f、g，其中四根连接柱12分别两两一组从体中心11 至立方体任意两个相对面(abcd与edfg)延伸，并且每组的连接柱12分别延伸至所述两个相对面的空间垂直对角线(ac与dg)的四个顶点(a,c,d,g)上，具体的，从体中心11上方延伸的两个连接柱12分别至顶点a、c上，从体中心下方延伸的两个连接柱12分别至顶点d、 g上。这样的结构，使得任意两两一组连接柱12的顶点相连后，其两条连接线平移相交后均呈X型，使得结构单元10具有良好的力学性能。
在一些实施例中，所述每一个结构单元10包含四根从体中心11至立方体任意两个相对面的两组空间垂直对角线上顶点的连接柱12，形成立方体结构，且具有两根从该体中心11 至所述两个相对面的面中心的加强柱13。原立方体中任意两两一组连接柱的顶点相连后，其两条连接线平移相交后均呈X型，该结构本身具有良好的支撑刚性，但是缺乏稳定性，易发生扭曲，那么在立方体的体中心11上增加从体中心至所述两个相对面的面中心的两根增强柱 13能够改善这类问题，即形成一种X型结构和加强柱的复合点阵单元结构，能够加强该结构单元10在加强柱方向的支撑刚度，达到支撑性能和稳定性的中和与平衡，从而获得更好的力学性能。
在一些实施例中，所述结构单元10所构成立方体的边长为5-30mm，其中结构单元10中的加强柱13与连接柱12的横截面均为圆形，所述加强柱13的直径为1.5-9mm，所述连接柱 12的直径为1-9mm。
另外本发明记载了一种复合面心立方晶格点阵结构的鞋底20，如图4、5所示，所述鞋底20整体由复合面心立方晶格点阵结构填充而成，在该鞋底20的上表面设有鞋面贴合部21，以及鞋底20的下表面设有鞋底贴合部22，分别用于连接鞋面以及鞋大底。具体的，鞋面贴合部21以及鞋底贴合部22为连续的表面，增加其与鞋面、鞋大底的接触面积，有利于二者的贴合。优选的，鞋面贴合部21位于鞋底20上表面的边缘，且具有向鞋底20上方延伸的弧形面，该弧形面增加了鞋面贴合部21与鞋面的贴合面积。
在一些实施例中，所述复合面心立方晶格点阵结构的尺寸大小以及连接柱12与加强柱 13的直径大小随着其所在鞋底20的具体位置而变化。由于根据鞋底20不同的位置在鞋底被穿着时所受到的压力大小不同。具体的，鞋底20中所对应的前脚掌、脚后跟所受压力大于足弓所受到的压力，故在鞋底20中所对应的脚后跟处以及前脚掌处可以适当加粗加强柱13、连接柱12的直径，在鞋底20中所对应的足弓处可适当增加连接柱12、加强柱13的长度。
在一些实施例中，为了优化鞋底20整体的力学性能，通过在鞋底20纵向方向上的改变加强柱12的粗细来实现优化鞋底整体的支撑力，具体的，加强柱12横截面为圆形，该圆形的直径大小随着加强柱12所在结构单元10在鞋底的位置而变化，所述结构单元10所在位置越靠近鞋底20该结构单元10中的加强柱12直径数值越大。
在一些实施例中，组成鞋底20的结构单元的边长为5-8mm，其中结构单元10中的加强柱13与连接柱12的横截面均为圆形，所述加强柱13的直径为1.5-2mm，所述连接柱12的直径为1-1.5mm。
本发明所述的鞋底20可用于多种鞋类产品上，例如专业的运动鞋，普通的运动鞋，具有矫正作用的鞋(私人定制)，可以通过调整结构单元10的结构以及加强柱13的角度方向来调节鞋底20的力学性能，来满足鞋底20不同的应用场景。
在一些实施例中，由于鞋底20被穿着使用时所受到的力大部分是向下的压力，即鞋底 20所受到的，大部分的是在纵向上的力。为了进一步增加复合面心立方晶格点阵结构对于鞋底20整体的支撑力，避免鞋底20结构的发生较大的形变，故在结构单元10在连接时，将加强柱13沿着鞋底20的纵向方向进行排布延伸，具体如图5所示，使得加强柱13的延伸方向尽可能与鞋底20在被穿着时受到力的方向相平行，且所有结构单元10的加强柱12方向一致或平行。
在一些实施例中，所述鞋底的上、下表面的延伸方向为鞋底的横向，对应的所述复合面心立方晶格点阵结构中的结构单元的加强方向为鞋底的纵向，所述加强方向为加强柱的延伸方向，所述结构单元10中的加强柱13两根从体中心11延伸至两个相对面上(非面中心)，使得该加强柱13的加强方向可与鞋底上、下表面形成一定的角度，且根据结构单元10所在鞋底的具体位置来调节该结构单元10加强方向与鞋底上、下表面的具体角度，来满足该鞋底的不同使用需求。
在一些实施例中，通过改变结构单元10来调节鞋底20的力学性能，具体的，全部或是部分的结构单元10立方体结构的边平移，使得结构单元10形成平行六面体结构。同样的，加强柱13可选择的进行倾斜，来满足该鞋底的不同使用需求。
在一些实施例中，部分的结构单元10中的加强方向(加强柱13的延伸方向)是鞋底的横向方向。具体的，鞋底20在横向方向上，结构单元10的加强方向一层为横向，一层为纵向，交替排布，来满足该鞋底的不同使用需求。
通过分别对加强柱沿着鞋底纵向方向延伸的鞋底与加强柱沿着鞋底横向方向延伸的鞋底, 以及无加强柱的鞋底进行支撑力测试，在其他变量保持相同的情况下，可以发现受力面上的晶体点阵结构在变形量一致，具有加强柱的结构单元形变量均小于无加强柱的，且纵向加强的结构单元的形变量小于横向加强，即说明加强柱13纵向延伸的鞋底20相对于加强柱13横向延伸的鞋底20具有更好的支撑力。(实验参考依据：HG/T3843-2006硫化橡胶短时间静压缩试验方法(GB1684-1985)，实验数据如图6所示)
通过分别对加强柱沿着鞋底纵向方向延伸的复合点阵结构与无加强柱的立方体点阵结构进行减震性能测试，当点阵结构的重量大于50g，即相对密度大于25％时，复合点阵结构相较于无加强柱的立方体点阵结构具有更小的冲击时间，那么由于冲击时间越短，其相对的能量回复率越大，故具复合点阵结构有较好的减震效果。(实验参考依据：ASTMF1614-99，实验数据如图7所示)
在一些实施例中，所述复合面心立方晶格点阵结构，以及应用该复合面心立方晶格点阵结构的鞋底20均由3D打印一体成型，具体的，该3D打印技术可以是光固化3D打印，具体的打印步骤包括：
步骤一、在计算机软件中建立复合面心立方晶格点阵结构、鞋底20的三维模型，本领域技术人员可以在Rhino、Grasshopper、Solidworks、Catia或UG等软件中制作所述三维模型；
(可选的)步骤二、对于制作的三维模型添加打印支撑结构(由于本发明披露的复合面心立方晶格点阵结构、鞋底20可以使用光固化3D打印技术打印，在约束液面式(bottom-up) 类型光固化3D打印技术中，打印件为逐层成型，光固化由树脂料槽底部开始，每完成一层固化，成型台携带已固化的打印件向上移动一层的高度，整个打印过程需要成型台不断向上运动，附着在成型台上的打印件会受到重力以及未固化液体(如光敏树脂)的影响，成型台在每层打印完成向上移动的过程中都可能使得打印件产生晃动，甚至造成打印的偏差。在光固化3D打印的材料为弹性体材料时，成型台向上移动而造成的打印件晃动问题会尤为凸出。因此对于此类弹性材料的光固化3D打印，打印过程中的支撑结构尤为重要。中国专利申请 CN201910735447.6和CN201910736413.9中公布的支撑结构的设计以及移除方法均可适用于本专利中的复合面心立方晶格点阵结构、鞋底20的打印，上述申请以引用的方式并入本文。)
步骤三、利用光固化3D打印技术设备使用弹性树脂材料将前述步骤制作的三维模型打印出本发明的复合面心立方晶格点阵结构、鞋底20。
(可选的)步骤四、对打印成型的复合面心立方晶格点阵结构、鞋底20进行清洗，清除表面未固化的多余树脂；如使用支撑，移除支撑结构；
(可选的)步骤五、如使用具有多重固化机制的弹性树脂材料，光固化完成的打印件进行进一步固化；进一步固化的条件可能为热固化(其中包括加温固化，常温固化，烤箱固化，水浴固化等多种适用固化条件)或进一步的光固化。
在一些实施例中，上述步骤四的移除支撑结构可以在第五步进一步固化后进行。
需要进一步说明的是，本发明所披露的复合面心立方晶格点阵结构可以应用于除鞋底20 外的其他领域产品，在本实施方式中并不做限制，特别的是根据复合面心立方晶格点阵结构所用的材料的性能不同，结合其结构能够满足不同产品对于的力学性能要求。一般来说，用于光固化3D打印该复合面心立方晶格点阵结构的材料包括两大类可光固化树脂，一类是传统光固化树脂，一类为双重固化树脂。其中传统可光固化树脂主要包括可光固化树脂单体或寡聚物、光引发剂。而双重固化树脂除了可光固化树脂单体或寡聚物、光引发剂以外，还具备光固化步骤结束后仍然未固化的成分，该未固化成分在光固化步骤之后的后固化步骤中可以进行进一步固化。
具体的，光固化树脂单体和/或寡聚物可以为含碳碳双键的丙烯酸酯类材料，具体的单体可以是丙烯酸酯，寡聚物可以是聚氨酯甲基丙烯酸酯和/或聚氨酯丙烯酸酯，其中光引发剂可以是安息香、二苯基乙酮(二苯乙酮)、二苯甲酮、芳酰基膦氧化物(如2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦或称为TPO)、硫代丙氧基硫杂蒽酮中的一种，或多种的混合物。
特别的，未固化成分可以是氰酸酯、异氰酸酯、TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)、环氧树脂、有机硅树脂中的一种或多种的混合物。
可光固化树脂中的可光固化树脂单体或寡聚物在步骤b中受到光辐射在光引发剂的催化作用下发生聚合反应，液态的树脂固化形成打印件或打印中间体(由可光固化树脂固化成型，其中含有未固化成分)，在固化过程中，未固化成分能够与其自身和/或可光固化树脂单体或寡聚物形成共混聚合物、互穿聚合物网络、半互穿聚合物网络或顺序互穿聚合物网络，实现进一步的固化。如中国专利申请CN106796392A(公开号)《由具有多重硬化机制的材料制备聚氨酯三维物体的方法》以及CN106687861A(公开号)《由具有多重硬化机制的材料制备三维物体的方法》中公布了具体采用双重固化树脂进行光固化3D打印的方法可适用于本专利中的复合面心立方晶格点阵结构的打印，上述申请以引用的方式并入本文。
以上所述，仅是本发明较佳可行的实施示例，不能因此即局限本发明的权利范围，对熟悉本领域的技术人员来说，凡运用本发明的技术方案和技术构思做出的其他各种相应的改变都应属于在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种复合面心立方晶格点阵结构，包括多个相互连接的结构单元，其特征在于，所述结构单元的体中心自上下左右前后六个方向相互连接构成晶格点阵结构，所述结构单元为一种复合面心立方晶格单元，其中每一个结构单元包含四根从体中心至立方体任意两个相对面的两组空间垂直对角线上顶点的连接柱，以及两根从体中心至所述两个相对面的面中心的加强柱。
2.根据权利要求1所述的一种复合面心立方晶格点阵结构，其特征在于，所述相邻结构单元的加强方向相同或平行，所述加强方向为加强柱的延伸方向。
3.根据权利要求1所述的一种复合面心立方晶格点阵结构，其特征在于，所述结构单元所构成立方体的边长为5-30mm。
4.根据权利要求1所述的一种复合面心立方晶格点阵结构，其特征在于，所述加强柱的横截面为圆形，该圆形的直径为1.5-9mm。
5.根据权利要求1所述的一种复合面心立方晶格点阵结构，其特征在于，所述连接柱的横截面为圆形，该圆形的直径为1-9mm。
6.根据权利要求1所述的一种复合面心立方晶格点阵结构，其特征在于，所述复合面心立方晶格点阵结构由3D打印一体成型。
7.一种应用权利要求1-6任一所述的复合面心立方晶格点阵结构的鞋底，所述鞋底由复合面心立方晶格点阵结构填充而成，该鞋底的上、下表面分别设有鞋底贴合部、鞋面贴合部。
8.根据权利要求6所述的鞋底，其特征在于，所述鞋底由3D打印一体成型。
9.根据权利要求6所述的鞋底，其特征在于，所述复合面心立方晶格点阵结构的尺寸大小以及连接柱与加强柱的直径大小随着其所在鞋底位置而变化。
10.根据权利要求6所述的鞋底，其特征在于，所述鞋底的上、下表面的延伸方向为鞋底的横向，对应的所述复合面心立方晶格点阵结构中的结构单元的加强方向为鞋底的纵向，所述加强方向为加强柱的延伸方向。
11.根据权利要求6所述的鞋底，其特征在于，所述加强柱横截面为圆形，该圆形的直径大小随着加强柱所在结构单元在鞋底的位置而变化，所述结构单元所在位置越靠近鞋底该结构单元中的加强柱直径数值越大。
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