CN210453803U - 一种匹配足形和区域密度可变的柔性3d打印鞋垫 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，鞋垫内包括脚趾部分、前掌部分、后跟部分、足中部内侧部分和足中部外侧部分等多个不同密度的3D打印填充区域。通过足形扫描和软件的布尔运算得到完全符合穿着者脚型的鞋垫上表面。站立时，脚对鞋面的不同受力区域，进行鞋垫内部填充密度的调整，不同区域具有不同的柔性填充密度，以达到定制的缓冲和支撑效果。鞋垫的表面和内部具有孔隙，以帮助空气流动提升透气性和刺激足底血液循环。鞋垫边界可通过软件调节其参数化的曲线，以提供最佳的鞋内配合，防止脚掌在鞋内滑动。

Description

一种匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫

技术领域

本实用新型涉及一种3D打印鞋垫，尤其涉及一种匹配足形和区域密度可变的柔性3D 打印鞋垫。

背景技术

鞋垫是鞋与脚紧贴最多的部分，鞋垫品质的优劣，直接影响到穿着者的健康和舒适度。在现代运动科学理念下，人们希望鞋垫能起到缓解足部疲劳，缓震，提供支撑，矫正足部缺陷等功能。

传统鞋垫不足以满足新的市场需求，于是催生了专业化更强，适应面更具体的鞋垫商品，也就是所谓的功能性鞋垫。目前市面上的鞋垫依此大体上可以分为缓震类鞋垫、支撑类鞋垫以及完全定制类三种。不同类的区别很大，比如缓震类的鞋垫会比较软，主要用于吸收承载身体重量、吸收走路时脚和地面产生的作用力与反作用力。支撑类的鞋垫一般是预成型的，足弓部位一般是弹性材料或硬质材料，主要目的是提供良好的支撑和矫正扁平足。

完全定制类主要面向专业运动员或有足部疾病的消费者，这类鞋垫完全是根据脚型和站立姿势热塑成型，同时搭配特定的材料。因为是完全适合自己的脚型，所以此类鞋垫的支撑性和缓震性都非常良好，还能提供良好的足部矫正能力。此类鞋垫价格一般为 200美元以上，其中大部分价格是专业的测量师/医师的人工费用。同时，其定制流程也极为复杂,传统鞋垫制造设备对鞋垫的复杂曲面加工耗时大，成本高，且对操作者的要求也很高。另外，对软性材料几乎无法加工，在材料的选择上便已经非常局限，单独一种材料很难提供理想的功能性，专业类运动鞋垫一般都是多种材料复合而成的，过程繁琐，成本较高。

现有技术中：

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，传统鞋垫依靠多个功能部件才能完成的产品，3D打印鞋垫通过参数改变鞋垫造型和密度分布即可实现。

3D打印鞋垫的优点：

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。

现有技术的缺点：

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打印鞋垫原材料目前局限性较大，普遍使用的打印材料仅有PP,尼龙加玻纤，硬质EVA等硬质材料，用以打印从后跟处向前3/4的鞋垫区域。这种3D打印鞋垫不能覆盖全掌，造成脚掌再鞋内滑动，在长途行走，脚底用力不均的情况下，就容易造成脚部的各种不适或伤痛。而半硬质材料的3D打印鞋垫，其底层硬质部分同样是3/4的鞋垫区域，在底层鞋垫上表面复合一层约 2mm厚的软性材料，如EVA、RUBBER、硅胶、牛皮等，缓冲和吸收足部受到的压力。这种方式的功能性比纯硬质鞋垫好，但其使用了不同的材料，以及传统工艺进行贴合。不可避免的使工艺复杂化并提升了成本，而且引入了胶水等处理剂，有污染环境的隐患。最后，现有的软质/柔性3D打印鞋垫还处于实验阶段，直接以软性尼龙，橡胶等进行打印，打印全长鞋垫，不需要表面复合物质。但这类软质鞋垫，由于没有内部结构的密度变化，使其功能单一，仅有一定的缓震作用，稳定性、透气性、支撑性较差，得不到市场的商业化机会，难以走出实验室。另外，加上目前3D打印成本偏高，因此在实际鞋垫制造应用中，3D打印技术还无法完全替代传统制造技术。以上这些是制约3D打印鞋垫大量应用的主要原因。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型的匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，鞋垫内包括多个不同密度的3D打印填充区域。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，不同区域具有不同的柔性填充密度，可以达到定制的缓冲和支撑效果，并能提供最佳的鞋内配合，防止脚掌在鞋内滑动。

附图说明

图1为本实用新型实施例中脚和鞋垫的模型示意图；

图2为本实用新型实施例中鞋垫立体示意图；

图3为本实用新型实施例中鞋垫内与足底重合区域的下方垂直部分示意图；

图4为本实用新型实施例中鞋垫仰视(密度分布)示意图；

图5为本实用新型实施例中鞋垫仰视(图案分布)示意图。

图中：

1、鞋垫模型，2、脚型，3、鞋垫，4、匹配穿着者足型的鞋垫上表面(后跟)，5、匹配穿着者足型的鞋垫上表面(前掌)，6、鞋垫侧面，7、鞋垫脚趾足底压力的载荷区域，8、鞋垫前掌足底压力的载荷区域，9、鞋垫足弓足底压力的载荷区域，10、鞋垫后跟足底压力的载荷区域，11、脚趾(高密度)，12、前掌(高密度)，13、后跟(高密度)，14、足中部内侧(中密度)，15、足中部外侧(中密度)，16、其它区域，17、波纹，18、网格，19、角折线，20、阿基米德和弦曲线，21、同心线，22、平行线， 23、立方。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。本实用新型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。

本实用新型的匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，其较佳的具体实施方式是：

鞋垫内包括多个不同密度的3D打印填充区域。

所述3D打印填充区域包括脚趾部分、前掌部分、后跟部分、足中部内侧部分和足中部外侧部分。

所述3D打印填充区域的平面图案包括直线、曲线、螺旋或六边形，所述3D打印填充区域的立体图案包括立方、蜂巢或螺旋二十四面体。

所述3D打印填充区域的材料包括墨汁、树脂、丙烯酸、聚合物、热塑性材料、热固性材料、光固化材料中的任一种或多种材料。

所述鞋垫的表面和内部具有孔隙。

本实用新型的上述的匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫的打印方法，包括步骤：

A、利用三维足形扫描仪：进行足型数据采集，鞋垫使用者赤脚站立扫描，调整脚部摆放位置，保持身体正直，重心平衡。通过软件将扫描仪扫描的脚部点云数据，输出为 STL格式的足部模型。

B、利用计算机3D设计软件进行鞋垫3D数字建模：根据上一步三维足形扫描仪获取的脚长、第一跖趾部位长度、第五跖趾部位长度、第一跖趾里宽、第五跖趾外宽、腰窝里宽、腰窝外宽、脚趾宽度、踵心宽度，以及前后掌高度等指标进行推导出鞋垫楦型的建模。

C、利用足底压力平板设备：采集使用者站立和步行的足底压力区域分布，作为鞋垫内部填充密度的依据。

D、导入脚扫描STL文件到鞋垫的参数模型：将脚部扫描模型精确定位在鞋垫轮廓内后，进行布尔运算，模拟足部踩在鞋垫后压缩形变的状态。掏空鞋垫内与足底重合的部分，即形成匹配个人足型的鞋垫上表面。

E、鞋垫内与足底重合区域的下方垂直部分，是足底压力主要的载荷区域，将这些区域分别导出为STL的模型，之后在打印的切片软件中进行导入和填充密度调整。

F、在Slic3r的3D打印切片程序中，创建AMF文件，导入匹配个人足型的鞋垫轮廓和足底压力载荷区域。

G、切片并3D打印。

本实用新型的匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，能达到个性化定制，并具有透气的作用。其中，通过足形扫描和软件的布尔运算得到完全符合穿着者脚型的鞋垫上表面。站立时，脚对鞋面的不同受力区域，进行鞋垫内部填充密度的调整，不同区域具有不同的柔性填充密度，以达到定制的缓冲和支撑效果。鞋垫的表面和内部具有孔隙，以帮助空气流动提升透气性和刺激足底血液循环。鞋垫边界可通过软件调节其参数化的曲线，以提供最佳的鞋内配合，防止脚掌在鞋内滑动。

具体实施例；

如图1至图5所示：

利用三维足形扫描仪，进行足型数据采集，鞋垫使用者赤脚站立扫描，调整脚部摆放位置，保持身体正直，重心平衡。通过软件将扫描仪扫描的脚部点云数据，输出为STL 格式的足部模型。

利用计算机3D设计软件进行鞋垫3D数字建模，参照《中国标准鞋楦设计手册》中的脚型与楦型关系的计算公式，根据上一步三维足形扫描仪获取的脚长、第一跖趾部位长度、第五跖趾部位长度、第一跖趾里宽、第五跖趾外宽、腰窝里宽、腰窝外宽、脚趾宽度、踵心宽度，以及前后掌高度等指标进行推导出鞋垫楦型的建模。

足型和鞋垫数据示例

脚型指标	脚型数据	鞋垫楦型指标	鞋垫数据
				脚长	264.6	楦底长	274.6
第一跖趾部位长度	186.6	第一跖趾部位长度	192.1
				第五跖趾部位长度	168.1	第五跖趾部位长度	168.3
第一跖趾里宽	40.2	第一跖趾里段宽度	42.6
				第五跖趾外宽	53.9	第五跖趾外段宽度	55.4
腰窝里宽	26.6	腰窝里段宽度	31.0
				腰窝外宽	38.0	腰窝外段宽度	40.7
脚趾宽度	34.8	拇指里段宽度	35.8
				踵心宽度	58.4	踵心宽度	59.4

利用足底压力平板设备，采集使用者站立和步行的足底压力区域分布，作为鞋垫内部填充密度的依据。

导入脚扫描STL文件到鞋垫的参数模型，将脚部扫描模型精确定位在鞋垫轮廓内后，进行布尔运算，模拟足部踩在鞋垫后压缩形变的状态。掏空鞋垫内与足底重合的部分，即形成匹配个人足型的鞋垫上表面。

鞋垫内与足底重合区域的下方垂直部分，是足底压力主要的载荷区域。将这些区域分别导出为STL的模型，之后在打印的切片软件中进行导入和填充密度调整。

在Slic3r(开源)的3D打印切片程序中，创建AMF文件，导入匹配个人足型的鞋垫轮廓和足底压力载荷区域。根据足底压力设备的采集数值，在各区域设定其内部填充的形状和密度。填充形状包括平面和立体两类，平面图案起到支撑作用，立体图案起到缓震作用。平面图案包括直线、曲线、螺旋、六边形等。立体图案包括立方、蜂巢、螺旋二十四面体等。密度参照足底压力设备的采集数据，或可根据足底的平均体重分配，正常约为后足60％、中足8％、前足28％、脚趾4％。

切片并3D打印：

3D打印鞋垫优先采用FDM熔融沉积制造打印机,因为其打印系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。打印材料使用柔性TPU线材，材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。材料线径为1.75mm，熔融温度为250°，以上所述的TPU线材的直径和成型温度均是本实用新型可能采用的一种，3D打印鞋底所采用的TPU线材的粒径和成型温度包含但不限于以上的可能。

本实用新型来的有益效果：

本实用新型寻求一种个性化定制的3D打印柔性鞋垫，其舒适性与亲肤性远远超过现有的3D打印鞋垫。其上表面匹配使用者的脚型，而其各区域的密度可随使用者的足底压力分布进行调整，达到最佳的支撑或缓震的功能。而且3D打印技术的拓扑设计大大降低了鞋垫重量，提高了透气性。它真正实现了个性化定制，设计师可以参数化设计更多的矫正结构，根据不同运动项目、不同运动特点人群的足部运动特征，将不同区域的形态、大小、位置、密度设计于鞋垫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。同时，整个制造过程，低成本低能耗，环保无污染。

实施例中，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，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，其特征在于，鞋垫内包括多个不同密度的3D打印填充区域；

所述3D打印填充区域包括脚趾部分、前掌部分、后跟部分、足中部内侧部分和足中部外侧部分。

2.根据权利要求1所述的匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，其特征在于，所述3D打印填充区域的平面图案包括直线、曲线、螺旋或六边形，所述3D打印填充区域的立体图案包括立方、蜂巢或螺旋二十四面体。

3.根据权利要求2所述的匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，其特征在于，所述3D打印填充区域的材料包括树脂、丙烯酸与聚合物中的任一种材料。

4.根据权利要求3所述的匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，其特征在于，所述聚合物包括热塑性材料、热固性材料与光固化材料中的任一种材料。

5.根据权利要求3或4所述的匹配足形和区域密度可变的柔性3D打印鞋垫，其特征在于，所述鞋垫的表面和内部具有孔隙。

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