CN211021191U - 一种3d打印的分级回弹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打印的分级回弹结构以及应用该结构的鞋底，所述分级回弹结构包括面网格、多个3D打印的分级回弹晶格单元、环边、底网格和斜撑杆；所述分级回弹晶格单元由缓震部件和缓震回弹部组成；所述缓震部件由n根竖杆、n根斜拉杆、4n根斜撑杆组成平面受力结构(n≥3)；所述缓震回弹部件为单根弹性竖柱结构。本实用新型是基于足底压力分布，将3D打印二级回弹结构应用于鞋底，不仅能通过其两次缓震充分吸收运动产生的冲击能，而且能提供较强的回弹力，支持不同运动项目、不同运动特点的运动者完成技术动作，保护运动者免于运动损伤，另外还具备舒适透气、可定制化、轻量化等功能。

Description

一种3D打印的分级回弹结构以及应用该结构的鞋底

技术领域

本实用新型属于运动鞋技术领域，尤其涉及一种3D打印的分级回弹结构以及应用该结构的鞋底。

背景技术

随着全民运动健身的扩展和普及，人们对运动鞋的品质、款式更新速度要求也在不断提高。传统运动鞋制作属于技术密集型产业链，涉及多种工艺，且工艺技术复杂，直接导致了研发生产周期长，即使是大型运动鞋制造商，设计生产一双运动鞋也需要18个月。

人们在体育运动中，脚底在接触地面瞬间受到的冲击力是人体自身重力的数倍，足底承受较大的足部压力，造成一系列运动损伤。有效的解决办法是采用具有缓震结构的鞋底，减少运动者足底遭受的冲击。目前，大部分常见运动鞋中底材料都采用乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)或聚氨酯(PU)等发泡材料，能够提供较好的缓震效果。

但是这类依靠柔软材料自身弹性实现缓震的材料缓震鞋底，容易因时间流逝而出现塌陷、变形等问题，从而缓震效果逐渐减弱；另一方面，鞋底缓震性能越强，回弹性能则相应地减弱，在竞速体育等需要鞋底具有高回弹性的场合，普通的缓震鞋底无法做到既“缓“又”弹“。相比而言，利用不易变形的材料，制作出缓震回弹结构的机械缓震鞋底，性能表现更平均，寿命也较长。

3D打印技术又称为增材制造技术，仅需将3D数字模型导入3D打印机，打印完毕，经过简单的后处理即可得到一个3D打印成品。相比模具成型技术，3D打印技术可以直接打印任何形状，并且具有周期短，精度高的特点。为运动员制作定制化运动鞋时，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。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述背景技术中现有的运动鞋制造和使用所面临的问题，提供一种3D打印的分级回弹结构以及应用该结构的鞋底。

本实用新型采用的技术方案为：一种3D打印的分级回弹结构，包括面网格、多个3D打印的分级回弹晶格单元、环边、底网格和斜撑杆；

所述分级回弹晶格单元由缓震部件和缓震回弹部组成；所述缓震部件由n根竖杆、n根斜拉杆、4n根斜撑杆组成平面受力结构(n≥3)：n根竖杆竖直分布，分布点不在同一条直线上；每根斜拉杆一端与对应的竖杆上端连接，另一端与其他斜拉杆在空间一点交接，交接点的高度低于竖杆高度；所述缓震回弹部件为单根弹性竖柱结构，弹性竖柱下端连接在斜拉杆的交接点处；每2个所述分级回弹晶格单元共用2根竖杆；

所述面网格由多根上面杆连接而成，每根上面杆两端分别连接2根弹性竖柱的上端点，形成网格结构；

所述环边由多根环边杆连接而成，每根环边杆两端分别连接结构最外沿的弹性竖柱的下端点，形成环状结构；

所述底网格由多根底面杆连接而成，每根底面杆两端分别连接2根竖杆的下端点，形成网格结构；

所述竖杆与相连的任意杆件之间均设有斜撑杆，所述弹性竖柱与相连的任意杆件之间均设有斜撑杆，形成三角稳定结构。

作为优选，所述分级回弹结构的形状可设计成圆柱体、立方体等空间立体形状。

作为优选，所述分级回弹晶格单元的材料为尼龙或TPU粉末。

作为优选，所述3D打印采用SLS选择性激光烧结方法。

作为优选，所述竖杆、斜拉杆、弹性竖柱、上面杆、环边杆、底面杆、斜撑杆的直径范围均为1.5～5mm；所述竖杆的高度范围5～18mm，竖杆间的距离范围5～30mm；所述弹性竖柱的高度范围3～15mm；所述斜拉杆与竖杆的夹角范围15～80°。

应用上述一种3D打印的分级回弹结构的鞋底，所述鞋底的前掌与后掌的空腔内由3D打印的分级回弹结构填充。

有益效果：本实用新型缓震部件采用平面受力结构，在压缩变形时首先实现了“速缓“：利用柔软易压缩的结构性质迅速降低冲击力；缓震回弹部件由单根弹性竖柱组成，随后实现了”慢沉“和”速弹”：利用较为刚弹的结构性质提供稳定的支撑性和较强的回弹力。本实用新型是基于足底压力分布，将3D打印二级回弹结构应用于鞋底，不仅能通过其两次缓震充分吸收运动产生的冲击能，而且能提供较强的回弹力，支持不同运动项目、不同运动特点的运动者完成技术动作，保护运动者免于运动损伤，另外还具备舒适透气、可定制化、轻量化等功能。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种3D打印的分级回弹结构的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的侧视图。

图4为本实用新型实施例提供的一种3D打印的分级回弹晶格单元的结构示意图。

图5为本实用新型实施例提供的一种应用3D打印二级回弹结构的鞋底的结构示意图。

图6为图5的侧视图。

图7为本实用新型实施例的一种3D打印的分级回弹结构的压缩试验测试力随位移变化曲线示意图。

图8为传统鞋底泡沫材料的压缩试验测试力随位移变化曲线示意图。

图中1.面网格，2.环边，3.底网格，4.斜撑杆，5.竖杆，6.斜拉杆，7.弹性竖柱，8.上面杆，9.环边杆，10.底面杆，11.前掌，12.后掌。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步地详细描述。

如图1-4所示，一种3D打印的分级回弹结构包括面网格1、多个3D打印的分级回弹晶格单元、环边2、底网格3、斜撑杆4组合而成，分级回弹结构的形状可设计成圆柱体、立方体等空间立体形状。

所述分级回弹晶格单元由缓震部件和缓震回弹部组成。

所述缓震部件由3根竖杆5、3根斜拉杆6、12根斜撑杆4组成平面受力结构：3根竖杆5分布点呈三角形，竖杆5的直径范围1.5～5mm，高度范围5～18mm，竖杆5间的距离范围5～30mm；3根斜拉杆6一端分别与3根竖杆5上端连接，另一端在空间同一点交接，交接点高度低于竖杆5高度，斜拉杆6的直径范围1.5～5mm，与竖杆5的夹角范围15～80°。

所述缓震回弹部件为单根弹性竖柱结构，弹性竖柱7下端连接在3根斜拉杆6的交接点处，弹性竖柱7的直径范围1.5～5mm，高度范围3～15mm。

每2个所述分级回弹晶格单元共用2根竖杆5。

所述面网格1由多根上面杆8连接而成，每根上面杆8两端分别连接2根弹性竖柱7的上端点，形成网格结构，上面杆8的直径范围1.5～5mm。

所述环边2由多根环边杆9连接而成，每根环边杆9两端分别连接结构最外沿的弹性竖柱7的下端点，形成环状结构，环边杆9的直径范围1.5～5mm。

所述底网格3由多根底面杆10连接而成，每根底面杆10两端分别连接2根竖杆5的下端点，形成网格结构，底面杆10的直径范围1.5～5mm。

所述竖杆5与相连的任意杆件之间均设有斜撑杆4，弹性竖柱7与相连的任意杆件之间均设有斜撑杆4，形成三角稳定结构，斜撑杆4直径范围1.5～5mm。

所述3D打印的原材料为尼龙或TPU粉末。

所述3D打印采用SLS选择性激光烧结方法。

如图5和图6所示，应用上述一种3D打印的分级回弹结构的鞋底，所述鞋底的前掌11与后掌12的空腔内由3D打印的分级回弹结构填充。

本实用新型基于足底压力分布，将3D打印的分级回弹结构应用于鞋底，不仅能通过其两次缓震充分吸收运动产生的冲击能，而且能提供较强的回弹力，支持不同运动项目、不同运动特点的运动者完成技术动作，保护运动者免于运动损伤，另外还具备舒适透气、可定制化、轻量化等功能。

具体方法为：

利用计算机3D设计软件进行3D缓震结构样块或鞋底3D数字建模，将3D缓震结构样块或鞋底3D数字模型导入3D打印机即可打印。

3D缓震结构样块或鞋底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。

用于鞋中底的3D打印分级回弹结构样块，由面网格、多个3D打印的分级回弹晶格单元、环边、底网格组合而成。分级回弹晶格单元由缓震部件和缓震回弹部件组成。缓震部件采用平面受力结构，可以实现结构的快速缓震功能；缓震回弹部件由单根弹性竖柱组成，利用弹性竖柱的高弹性能，实现结构的二级稳定缓震和回弹。

因此，结构样块在压缩变形时，缓震部件首先实现了“速缓“：利用柔软易压缩的结构性质迅速降低冲击力。缓震回弹部件随后实现了”慢沉“和“速弹”：利用较为刚弹的结构性质提供稳定的支撑性，和较强的回弹力。两种部件的组合使得结构样块充分满足既“缓”又“弹”的需求。

如图7和图8所示，根据本实用新型的一些示例性构造中，利用万能试验机测试台进行了对照测试。对3D打印分级回弹结构与同尺寸的传统泡沫结构做压缩试验，测试力随变形变化曲线示意图。结果显示3D打印分级回弹结构在1-9mm的变形中，更为柔软，缓震性能更优；9-11mm的变形中，更为刚弹，稳定性和回弹能力更优。

3D打印的分级回弹结构和传统泡沫结构压缩试验测试数据

结构类型	压缩9mm的测试力(N)	压缩11mm的测试力(N)
			3D打印的分级回弹结构	498	1088
传统泡沫结构	522	649

具体实施中，可使用各种种类的3D打印(或增彩制造)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。因此，按照实施方案，打印材料可以是复合材料。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本事例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种3D打印的分级回弹结构，其特征在于：包括面网格、多个3D打印的分级回弹晶格单元、环边、底网格和斜撑杆；

所述分级回弹晶格单元由缓震部件和缓震回弹部组成；所述缓震部件由n根竖杆、n根斜拉杆、4n根斜撑杆组成平面受力结构，n根竖杆竖直分布，分布点不在同一条直线上，其中n≥3；每根斜拉杆一端与对应的竖杆上端连接，另一端与其他斜拉杆在空间一点交接，交接点的高度低于竖杆高度；所述缓震回弹部件为单根弹性竖柱结构，弹性竖柱下端连接在斜拉杆的交接点处；每2个所述分级回弹晶格单元共用2根竖杆；

所述面网格由多根上面杆连接而成，每根上面杆两端分别连接2根弹性竖柱的上端点，形成网格结构；

所述环边由多根环边杆连接而成，每根环边杆两端分别连接结构最外沿的弹性竖柱的下端点，形成环状结构；

所述底网格由多根底面杆连接而成，每根底面杆两端分别连接2根竖杆的下端点，形成网格结构；

所述竖杆与相连的任意杆件之间均设有斜撑杆，所述弹性竖柱与相连的任意杆件之间均设有斜撑杆，形成三角稳定结构。

2.根据权利要求1所述一种3D打印的分级回弹结构，其特征在于：所述分级回弹结构的形状为圆柱体或立方体。

3.根据权利要求1所述一种3D打印的分级回弹结构，其特征在于：所述分级回弹晶格单元的材料为尼龙或TPU粉末。

4.根据权利要求1所述一种3D打印的分级回弹结构，其特征在于：所述竖杆、斜拉杆、弹性竖柱、上面杆、环边杆、底面杆、斜撑杆的直径范围均为1.5～5mm；所述竖杆的高度范围5～18mm，竖杆间的距离范围5～30mm；所述弹性竖柱的高度范围3～15mm；所述斜拉杆与竖杆的夹角范围15～80°。

5.应用权利要求1、2、3或4所述一种3D打印的分级回弹结构的鞋底，其特征在于：所述鞋底的前掌与后掌的空腔内由3D打印的分级回弹结构填充。

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