CN210630720U - 一种3d打印轻量化晶格结构以及应用该结构的鞋底 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种3D打印轻量化晶格结构以及应用该结构的鞋底，3D打印轻量化晶格结构由3D打印的Weaire‑Phelan结构单元堆积而成。Weaire‑Phelan结构单元按其几何图案整齐、规则的堆积，或者绕其三次旋转轴做60度旋转后堆积。鞋底由3D打印的Weaire‑Phelan结构单元堆积后切割成需要的形状。其减轻鞋重量的同时又可提供足够的支撑和舒适度，使用Weaire‑Phelan的结构理论，所用的材料就最省，整体结构看似复杂，其实单元具有高度的重复性，降低了设计制造的难度，节约了时间和成本。同时，这种结构具有良好力学稳定性和美观性。

Description

一种3D打印轻量化晶格结构以及应用该结构的鞋底

技术领域

本实用新型涉及一种3D打印结构的鞋底，尤其涉及一种3D打印轻量化晶格结构以及应用该结构的鞋底。

背景技术

运动鞋制作是一种技术密集型的生产链，其涉及设计、CAD建模、木模雕刻，试模、开模、修改、生产等多个环节，不仅研发生产周期较长，工艺技术复杂，而且无法排除人工作业，因此，制鞋业被称为最难实现自动化的产业之一。

当今大部分常见的运动鞋都采用包含泡沫材料的鞋底。例如，由乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)或聚氨酯(PU)制成的泡沫会针对鞋底中出现的载荷提供出色的缓冲性能，因此被用作位于鞋底内底区与外底区之间的鞋底夹层的典型材料。

鞋子是人们行走、活动时，用于保护足部的重要穿戴品，在运动过程中，足部除了要承受人体自身的体重外，还要承受鞋子的重量，过重的鞋子不但使得行走或运动不便，还使脚、腿易产生酸软，但鞋在提供足够支撑的同时舒适性也同样重要。鞋的结构一般包括鞋帮和鞋底，鞋底通常包括乙烯醋酸乙烯酯中底和橡胶外底，运动鞋的大部分重量通常在中底内，如何在减轻鞋重量的同时又可提供足够的支撑和舒适度，寻求进一步的轻量化已成为当前运动鞋的设计目标。同时，轻量化也是鞋制造商成本控制的一个重要考虑因素。

“将某个空间分成若干体积相等的单元，怎样分割的单元具有最经济的结构，其交接面的面积最少？”1873年，科学家开尔文(Kelvin)提出了这个疑问(即具有最高的效率的气泡形态问题)。这个问题至今没有终结答案。1993年，爱尔兰物理学家威尔莱和弗兰提出的14面体与12面体的结构组合(即Weaire-Phelan结构)是到目前为止最理想的方案。它的设计应用泡沫结构原理，一个个12与14面体的气泡连续组成的多面体，三维空间内各部分的接触表面积最小，运用到梁结构中，所用的材料就最省。除此之外，整体结构看似复杂，其实单元具有高度的重复性，降低了设计制造的难度，节约了时间和成本。最后，这种结构具有良好力学稳定性(相当于自然界中的微观晶体结构)。显而易见，这种三维关联结构最为适宜做产品轻量化工程的实施结构。

Weaire-Phelan结构是北京国家游泳中心(水立方)在中国北京2008年奥运会设计的灵感来源。此建筑的结构支撑系统——“多面体空间刚架结构”，其力学强度大，重量轻。由于结构中的所有节点接头都接近四面体角，因此框架填充了大量空间，材料量减少，类似于二维六边形蜂窝。

如图1所示，Weaire-Phelan结构具有两种体积相等但形状不同的气泡单元，一个是十二面体(dodecahedron)，另外一个是十四面体(tetrakaidecahedron)(其中包括2个六边形和12个五边形)。

如图2所示，“Weaire-Phelan结构单元”的堆积体具有三次旋转轴，也就是说“Weaire-Phelan结构单元”绕其三次旋转轴旋转120度后，与旋转前完全重合。

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，传统运动鞋依靠多个功能部件才能完成的产品，3D打印鞋通过参数改变运动鞋造型和密度分布即可实现。

3D打印鞋的优点：

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。

上述现有技术的缺点：

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打印原材料目前局限性较大，普遍使用的打印材料仅有TPU(热塑塑料)、尼龙、树脂、橡胶、金属粉末等少数材料，加上目前3D打印成本偏高，因此在实际应用中，3D打印技术还无法完全替代传统制造技术。特别是在制鞋业中，运动鞋中底大多采用发泡材料，重量轻、弹性好的发泡材料可以为足底提供良好的舒适性，3D打印制品的重量和辅助人体运动的功能都无法与传统发泡材料相比，这是制约3D打印运动鞋在制鞋业中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3D打印轻量化晶格结构以及应用该结构的鞋底。

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3D打印轻量化晶格结构，由3D打印的Weaire-Phelan结构单元堆积而成。

本实用新型的应用上述的3D打印轻量化晶格结构的鞋底，鞋底由3D打印的Weaire-Phelan结构单元堆积后切割成需要的形状。

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3D打印轻量化晶格结构以及应用该结构的鞋底，其减轻鞋重量的同时又可提供足够的支撑和舒适度，使用Weaire-Phelan的结构理论，所用的材料就最省，整体结构看似复杂，其实单元具有高度的重复性，降低了设计制造的难度，节约了时间和成本。同时，这种结构具有良好力学稳定性和美观性。

附图说明

图1为现有技术中组成Weaire-Phelan结构的两个基本单元的结构示意图。

图2为现有技术中Weaire-Phelan结构单元的堆积体结构示意图。

图3为本实用新型实施例中Weaire-Phelan结构单元的堆积后的截面结构示意图。

图4为本实用新型实施例中应用3D打印轻量化晶格结构的鞋底的鞋的结构示意图。

图中：

1、十二面体，2、十四面体，3、不旋转的结构立面，4、旋转60度后的结构立面，5、Weaire-Phelan结构填充的鞋底，6、鞋面。

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3D打印轻量化晶格结构以及应用该结构的鞋底，其较佳的具体实施方式是：

3D打印轻量化晶格结构由3D打印的Weaire-Phelan结构单元堆积而成。

所述Weaire-Phelan结构单元按其几何图案整齐、规则的堆积，或者绕其三次旋转轴做60度旋转后堆积。

所述Weaire-Phelan结构单元包括两种体积相等但形状不同的气泡单元，一个是十二面体，另外一个是十四面体，所述十四面体中包括2个六边形面和12个五边形面。

所述Weaire-Phelan结构单元由梁结构相连组成，所述梁粗细为2～4mm，连接而成的Weaire-Phelan结构单元的直径约为5～15mm。

所用材料为尼龙或TPU粉末。

本实用新型的应用上述的3D打印轻量化晶格结构的鞋底，鞋底由3D打印的Weaire-Phelan结构单元堆积后切割成需要的形状。

本实用新型的3D打印轻量化晶格结构以及应用该结构的鞋底，其减轻鞋重量的同时又可提供足够的支撑和舒适度。这种结构使用Weaire-Phelan的结构理论，三维空间内各部分的接触表面积最小，运用到梁结构中，所用的材料就最省。除此之外，整体结构看似复杂，其实单元具有高度的重复性，降低了设计制造的难度，节约了时间和成本。最后，这种结构具有良好力学稳定性和美观性。

具体实施例：

如图3、图4所示，利用计算机3D设计软件进行3D轻量化结构样块或鞋底3D数字建模，将3D轻量化结构样块或鞋底3D数字模型导入3D打印机即可打印。

3D轻量化结构样块或鞋底3D打印机采用SLS选择性激光烧结打印机。

3D轻量化结构样块或鞋底3D打印利用SLS选择性激光烧结技术，打印原料采用TPU粉末(或尼龙粉末)，利用激光器在计算机的操控下对粉末进行逐层扫描照射，实现TPU粉末的烧结粘合，层层堆积实现成型。

3D打印鞋底所采用的TPU粉末是百微米级粒径的粉末，其烧结成型的温度为160°，以上所述的TPU粉末的粒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粉末的粒径和成型温度包含但不限于以上的可能。

图3中，不旋转的结构立面：几何图案较为整齐、规则；旋转60度后的结构立面：虽然由整齐而变的美观和多样化，但其内部力学性质不变，因为内部几何图案仍具有周期性。

用于鞋中底的3D打印轻量化结构样块，利用“Weaire-Phelan结构单元”优化后填充，每一个晶格由梁结构相连组成。小梁粗细为2～4mm，连接而成的晶格结构单元的直径约为5～15mm。为使鞋底侧墙的单元形态，呈现出大小不一的随机美感，在截取“Weaire-Phelan结构单元”堆积体时，绕其三次旋转轴做了60度旋转。旋转后再切割所形成的鞋底截面，多边形的种类明显增多，且周期性平移排列也不再整齐划一，给人以无序、不规则的美学观感。但其内部力学性质，因为内部的几何图案不变，所以仍具有非常好的稳定性，各个方向弹性模量一致。依据一定的空间节律，重复平移排列某一单元，并且能够不留缝隙地填满自身所在空间的结构被称为无限关联结构，其特点是对称。Weaire-Phelan结构能够通过分割的单元具有的最经济的结构，使三维空间内各部分的接触表面积最小，运用到梁结构中，所用的材料就最省，也就为运动鞋提供良好的轻量化特性。

而且，根据本实用新型的其它物性测试，用于鞋中底的3D打印轻量化结构样块的压缩形变是25％或更小，并且在一些情况下在10％至20％的范围内。回弹性大于40％，并且在一些示例中大于50％。用于该示例性的3D打印轻量化结构样块的硬度(硬度计AskerC)可以是60至80，取决于鞋类的类型。该样块的抗拉强度可以是至少10kg/cm2。延伸率断裂伸长率％是200至500，通常高于360。撕裂强度是10kg/cm。

在运动过程中，足部除了要承受人体自身的体重外，还要承受鞋子的重量，过重的鞋子不但使得行走或运动不便，还使脚、腿易产生酸软。以马拉松鞋为例，为专业马拉松运动员追求比赛最高成绩，穿着的马拉松鞋为200g左右，鞋底部分重量超过150g。但鞋子提供足够支撑的同时舒适性也同样重要，如何在减轻鞋重量的同时又可提供足够的支撑和舒适度，寻求进一步的轻量化已成为当前运动鞋的设计目标。在本实用新型的一个示例性构造中，3D打印轻量化鞋底仅重120g，同传统工艺运动鞋鞋底相比减重30g，同时具有良好稳定性与美观性，在长时间的运动中可以起到节省体力的效果。

本实用新型的具有轻量化功能的3D打印鞋底结构，这种结构设计的运动鞋重量极轻，同时具有足够的支撑和舒适度。其内部力学性质，具有非常好的稳定性，各个方向弹性模量一致。通过旋转，鞋底侧墙的单元形态呈现出大小不一的随机美感，非常符合大众人群需求。本实用新型的3D打印鞋底，犹如一座里程碑，它使制鞋艺术正式迈入“立体镶嵌”和“立体装饰”的领域，做到“力”与“美”的统一。同时，轻量化也使鞋制造商成本降低，体现了3D打印技术低能耗、环保无污染的特点。

具体实施例中，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它种类的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、或任何其它的粉末状的矿物、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 (6)

1.一种3D打印轻量化晶格结构，其特征在于，由3D打印的Weaire-Phelan结构单元堆积而成。

2.根据权利要求1所述的3D打印轻量化晶格结构，其特征在于，所述Weaire-Phelan结构单元按其几何图案整齐、规则的堆积，或者绕其三次旋转轴做60度旋转后堆积。

3.根据权利要求2所述的3D打印轻量化晶格结构，其特征在于，所述Weaire-Phelan结构单元包括两种体积相等但形状不同的气泡单元，一个是十二面体，另外一个是十四面体，所述十四面体中包括2个六边形面和12个五边形面。

4.根据权利要求3所述的3D打印轻量化晶格结构，其特征在于，所述Weaire-Phelan结构单元由梁结构相连组成，所述梁粗细为2～4mm，连接而成的Weaire-Phelan结构单元的直径约为5～15mm。

5.根据权利要求4所述的3D打印轻量化晶格结构，其特征在于，所用材料为尼龙或TPU粉末。

6.一种应用权利要求1至5任一项所述的3D打印轻量化晶格结构的鞋底，其特征在于，鞋底由3D打印的Weaire-Phelan结构单元堆积后切割成需要的形状。

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