匹克專利：3D打印緩震結(jié)構(gòu)以及應用該結(jié)構(gòu)的鞋底

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申請日：        2018-06-04        公開/公告日：         2018-09-04
公開/公告號：        CN108477752A        主分類號：         A43B13/18
申請/專利權(quán)人：         福建泉州匹克體育用品有限公司
發(fā)明/設計人：         崔亞光 ; 許志華 ; 黃征 ; 張省 ; 崔強 ; 渠慎濤
分類號：         A43B13/18 ; A43B13/02


【摘要】：
本發(fā)明公開了一種3D打印緩震結(jié)構(gòu)以及應用該結(jié)構(gòu)的鞋底，3D打印緩震結(jié)構(gòu)由多個3D打印的鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充而成。鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元由多個形似鳥類骨骼骨的小梁相連組成均勻多孔的蜂巢狀規(guī)則結(jié)構(gòu)，小梁粗細為2～4mm，鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元的直徑為5～15mm。鞋底的空腔內(nèi)由多個鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充。多個鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元連接成立體形狀的圓角長方體網(wǎng)格，圓角長方體網(wǎng)格周期性排列成連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，形成三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)。具有能夠吸收沖擊能量并減輕沖擊負載的功能，并基于足底壓力分布將該結(jié)構(gòu)應用于鞋底，而且還可實現(xiàn)支撐、透氣、適足、輕量化等不同功能，可為不同體育項目、不同運動特點的使用者提供最合理的力學反饋，作為緩震和回彈的晶格支持使用者完成技術動作，為人體運動提供支持并保護運動愛好者免于運動損傷。

本發(fā)明涉及一種運動鞋，尤其涉及一種3D打印緩震結(jié)構(gòu)以及應用該結(jié)構(gòu)的鞋底。



背景技術：

運動鞋制作是一種技術密集型的生產(chǎn)鏈，其涉及設計、CAD建模、木模雕刻，試模、開模、修改、生產(chǎn)等多個環(huán)節(jié)，不僅研發(fā)生產(chǎn)周期較長，工藝技術復雜，而且無法排除人工作業(yè)，因此，制鞋業(yè)被稱為最難實現(xiàn)自動化的產(chǎn)業(yè)之一。

目前，大部分常見的運動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)制成的泡沫會針對鞋底中出現(xiàn)的載荷提供出色的緩沖性能，因此被用作位于鞋底內(nèi)底區(qū)與外底區(qū)之間的鞋底夾層的典型材料。

人類的體育運動通常都會涉及對足短時間的沖擊力或周期性的高沖擊負載。例如，籃球運動是一項已知的涉及足下高沖擊負載的運動，尤其是在不當?shù)刂刈藙莼虿恍⌒膹目罩兄刂翀杂膊黄交谋砻孢^程。在過去的幾年中，籃球運動動作幅度變得更大，從而導致了對腳內(nèi)側(cè)和腳跟區(qū)域更高的沖擊負載。無論腳是在著地期間保持正確的緩沖，還是不當?shù)刂刈藙?，這種情況都會發(fā)生，造成包括應力性骨折在內(nèi)的一系列運動損傷。因此，可能有效的解決辦法是具有一種緩震結(jié)構(gòu)的鞋底，該結(jié)構(gòu)當使用者正在垂直方向相對高沖擊的運動時，能減少使用者遭受過高的地面沖擊力。

3D打印技術又稱為增材制造技術，與以往的制造方式不同，3D打印以3D數(shù)字模型為基礎，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體結(jié)構(gòu)，免去了工業(yè)制品成型過程中眾多復雜的工序，僅需將3D數(shù)字模型導入3D打印機，通過3D打印機打印完成后，經(jīng)過簡單的后處理即可得到一個3D打印成品。

相比傳統(tǒng)的模具成型技術，3D打印技術(即增材制造技術)能夠不受模具束縛，打印任何形狀，并且具有周期短，精度高的特點。為了配合運動員技術動作，傳統(tǒng)運動鞋依靠多個功能部件才能完成的產(chǎn)品，3D打印鞋通過參數(shù)改變運動鞋造型和密度分布即可實現(xiàn)。

3D打印鞋的優(yōu)點：一是節(jié)省材料，不用剔除邊角料，提高材料利用率，通過摒棄生產(chǎn)線而降低了成本；二是能做到很高的精度和復雜程度，除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設計，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，它大大降低了組裝成本，它甚至可以挑戰(zhàn)大規(guī)模生產(chǎn)方式。

現(xiàn)有技術中，3D打印技術在工業(yè)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較大，普遍使用的打印材料僅有TPU(熱塑塑料)、尼龍、樹脂、橡膠、金屬粉末等少數(shù)材料，加上目前3D打印成本偏高，因此在實際應用中，3D打印技術還無法完全替代傳統(tǒng)制造技術。特別是在制鞋業(yè)中，運動鞋中底大多采用發(fā)泡材料，重量輕、彈性好的發(fā)泡材料可以為足底提供良好的舒適性，3D打印制品的重量和輔助人體運動的功能都無法與傳統(tǒng)發(fā)泡材料相比，這是制約3D打印運動鞋在制鞋業(yè)中大量應用的主要原因。



技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種3D打印緩震結(jié)構(gòu)以及應用該結(jié)構(gòu)的鞋底。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明的3D打印緩震結(jié)構(gòu)，由多個3D打印的鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充而成。

本發(fā)明的應用上述3D打印緩震結(jié)構(gòu)的鞋底，鞋底的空腔內(nèi)由多個所述鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充。

由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的3D打印緩震結(jié)構(gòu)以及應用該結(jié)構(gòu)的鞋底，具有能夠吸收沖擊能量并減輕沖擊負載的功能，并基于足底壓力分布將該結(jié)構(gòu)應用于鞋底。通過調(diào)整該3D打印結(jié)構(gòu)晶格的分布，可為不同體育項目、不同運動特點的使用者提供最合理的力學反饋，作為緩震和回彈的晶格支持使用者完成技術動作，為人體運動提供支持并保護運動愛好者免于運動損傷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的3D打印緩震結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2至圖5分別為本發(fā)明實施例提供的應用3D打印緩震結(jié)構(gòu)的鞋底的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例的3D打印緩震結(jié)構(gòu)的鞋底落地緩沖測試力隨時間變化曲線示意圖。

圖7為傳統(tǒng)EVA鞋底落地緩沖測試力隨時間變化曲線示意圖。

圖中：

1、前掌，2、后掌，3、小梁，4、孔。

具體實施方式

下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。本發(fā)明實施例中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。

本發(fā)明的3D打印緩震結(jié)構(gòu)以及應用該結(jié)構(gòu)的鞋底，其較佳的具體實施方式是：

3D打印緩震結(jié)構(gòu)由多個3D打印的鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充而成。

所述鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元由多個小梁相連組成均勻多孔的蜂巢狀規(guī)則結(jié)構(gòu)。

所述小梁形似鳥類骨骼骨，小梁粗細為2～4mm，連接而成的鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元的直徑為5～15mm。

所述3D打印的原材料為尼龍或TPU粉末。

所述3D打印采用SLS選擇性激光燒結(jié)方法。

應用上述3D打印緩震結(jié)構(gòu)的鞋底，鞋底的空腔內(nèi)由多個所述鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充。

多個所述鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元連接成立體形狀的圓角長方體網(wǎng)格，所述圓角長方體網(wǎng)格周期性排列成連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，形成三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)。

所述3D打印緩震結(jié)構(gòu)設于鞋底的前掌和后掌部位。

本發(fā)明的3D打印緩震結(jié)構(gòu)以及應用該結(jié)構(gòu)的鞋底，具有能夠吸收沖擊能量并減輕沖擊負載的功能，并基于足底壓力分布將該結(jié)構(gòu)應用于鞋底。通過運動生物力學測試，證實其緩震性能優(yōu)于傳統(tǒng)鞋中底材質(zhì)如EVA、PHYLON、PU、硅膠等，而且還可實現(xiàn)支撐、透氣、適足、輕量化等不同功能。通過調(diào)整該3D打印結(jié)構(gòu)晶格的分布，更可為不同體育項目、不同運動特點的使用者提供最合理的力學反饋，作為緩震和回彈的晶格支持使用者完成技術動作，為人體運動提供支持并保護運動愛好者免于運動損傷。

具體實施例，如圖1至圖5所示：

利用計算機3D設計軟件進行3D緩震結(jié)構(gòu)樣塊或鞋底3D數(shù)字建模，將3D緩震結(jié)構(gòu)樣塊或鞋底3D數(shù)字模型導入3D打印機即可打印。

3D緩震結(jié)構(gòu)樣塊或鞋底3D打印機采用SLS選擇性激光燒結(jié)打印機。

3D緩震結(jié)構(gòu)樣塊或鞋底3D打印利用SLS選擇性激光燒結(jié)技術，打印原料采用TPU粉末(或尼龍粉末)，利用激光器在計算機的操控下對粉末進行逐層掃描照射，實現(xiàn)TPU粉末的燒結(jié)粘合，層層堆積實現(xiàn)成型。

3D打印鞋底所采用的TPU粉末是百微米級粒徑的粉末，其燒結(jié)成型的溫度為160°，以上所述的TPU粉末的粒徑和成型溫度均是本發(fā)明可能采用的一種，3D打印鞋底所采用的TPU粉末的粒徑和成型溫度包含但不限于以上的可能。

用于鞋中底的3D打印緩震結(jié)構(gòu)樣塊，其中的腔體利用晶格結(jié)構(gòu)填充，腔體內(nèi)由形似鳥類骨骼骨小梁相連組成均勻多孔的蜂巢狀規(guī)則結(jié)構(gòu)填充，小梁粗細為2～4mm，連接而成的鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元的直徑約為5～15mm。晶格結(jié)構(gòu)是由多個周期性排列的圓角長方體網(wǎng)格構(gòu)成的連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，圓角長方體網(wǎng)格可以是不同大小的立體形狀，其特點是能夠互相形成三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)。蜂巢結(jié)構(gòu)形成的立體型填充在運動鞋腔體中，能夠通過結(jié)構(gòu)形變?yōu)檫\動鞋提供緩沖、透氣性能，此外，此結(jié)構(gòu)壓縮形變后，回復形變能力較強，能為運動鞋提供一定的回彈性。形似鳥類骨骼的小梁縱橫交錯成堅固支柱，這些支柱能使鞋底支撐性更強。

根據(jù)本發(fā)明的其他物性測試，用于鞋中底的3D打印緩震結(jié)構(gòu)樣塊的壓縮形變是25％或更小，并且在一些情況下在10％至20％的范圍內(nèi)?；貜椥源笥?0％，并且在一些示例中大于50％。用于該示例性的3D打印緩震結(jié)構(gòu)樣塊的硬度(硬度計Asker C)可以是60至80，取決于鞋類的類型。該樣塊的抗拉強度可以是至少10kg/cm2。延伸率斷裂伸長率％是200至500，通常高于360。撕裂強度是10kg/cm。

足部的承重，往往認為是第一跖趾關節(jié)、第五跖趾關節(jié)和跟骨三點共同負重。因此足部的壓力反應在圖形上，會有前足和跟骨兩處較大區(qū)域的壓力承載區(qū)。應力性骨折是骨受到不斷沖擊勞損的結(jié)果。因此在鞋底設計時，針對前掌和后掌兩處足底壓力較大的承載區(qū)，相應設計上述3D打印緩震晶格。在人體運動時，地面對人體反作用力的高沖擊負載條件下，前掌和后掌被設計成可屈曲形變，從而在減少(或可能相同)的壓力下導致鞋底部分產(chǎn)生相對短的垂直位移。在該屈曲過程中，穿著該鞋底的運動員，會感受到鞋底變軟并體驗相應的緩沖或“下沉”的感覺，使用者受到的負載將會減少，從而保護使用者腳不受傷。整個過程中，沖擊力量衰減會由鞋底部分前掌和后掌相應區(qū)域的材料壓縮實現(xiàn)。

如圖6、圖7所示，在根據(jù)本發(fā)明的至少一些示例性構(gòu)造中，利用Kistler生物力學測力臺進行了對照測試。受試者穿著具有3D打印緩震結(jié)構(gòu)鞋底的運動鞋和具有傳統(tǒng)EVA鞋底的運動鞋，在測力臺上做規(guī)定的落地緩沖測試動作，即要求受試者從40cm高的臺子上無初速度無擺臂下落。結(jié)果顯示峰值力3D打印緩震結(jié)構(gòu)的鞋底<傳統(tǒng)EVA鞋底，說明3D打印緩震結(jié)構(gòu)使地面對人的沖擊力減小，有著優(yōu)越的緩沖性能。力的加載率同樣是3D打印緩震結(jié)構(gòu)的鞋底<傳統(tǒng)EVA鞋底，這項指標是一項反應力和時間關系的指標，是造成損傷的一個關鍵因素，人體的神經(jīng)控制需要一定的時間才能向關節(jié)周圍的肌肉提供反饋，低的加載率意味著地面反作用力在相對較長的時間達到較大的值，運動員有相對充足的時間通過神經(jīng)控制來改變其動作策略以適應不同的場地情況，從而使得關節(jié)的載荷減小，在一定程度上避免損傷。

3D打印緩震結(jié)構(gòu)和3D打印緩震結(jié)構(gòu)落地緩沖測試數(shù)據(jù)

本發(fā)明的具有沖擊衰減系統(tǒng)的鞋底結(jié)構(gòu)，其能夠處理高空落地的沖擊載荷，且不會犧牲運動員的主觀運動幅度。3D打印緩震結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)EVA鞋底運動鞋，有著更為優(yōu)秀的緩沖性能。同時發(fā)揮3D打印技術的低能耗、環(huán)保無污染的優(yōu)點，擺脫傳統(tǒng)制鞋業(yè)勞動密集型的限制。3D打印緩震結(jié)構(gòu)中，鏤空的蜂巢結(jié)構(gòu)能夠通過結(jié)構(gòu)形變?yōu)檫\動鞋提供緩沖、透氣性能，形似鳥類骨骼的小梁縱橫交錯成堅固支柱，這些支柱能使鞋底支撐性更強。而且3D打印技術的拓撲設計大大降低了鞋底重量，降低了運動中的能量消耗。而且，根據(jù)不同運動項目、不同運動特點人群的足部運動特征，將這些鏤空單元以特定的材質(zhì)、形態(tài)、大小、位置、密度設計于中底上的各主要受力部位，可以為不同運動項目提供相應的鞋底力學反饋，并滿足不同運動特定人群的個性化需求。

具體實施中，可使用各種種類的3D打印(或增彩制造)技術。3D打印或“三維印刷”包括用于通過將材料的連續(xù)層沉積在彼此的頂部上而形成三維物體的各種技術?？墒褂玫氖纠?D打印技術包括但不限于：熔絲制造(FFF)、電子束自由成型制造(EBF)、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、電子束熔煉(EMB)、選擇性激光熔化(SLM)、選擇性熱燒結(jié)(SHS)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、石膏3D印刷(PP)、分層實體制造(LOM)、立體光刻(SLA)、數(shù)字光處理(DLP)以及本領域已知的各種其他種類的3D打印或增材制造技術。

打印材料可以由包括墨汁、樹脂、丙烯酸、聚合物、熱塑性材料、熱固性材料、光固化材料或其組合的材料制成。按照實施方案，打印材料還可以由按照材料的沉積序列打印一個或更多個層而形成為任何期望的厚度，并且打印材料還可以包括填充物材料以將強化方面或美學方面賦予打印材料。例如，填充物材料可以是被設計成賦予期望的顏色或顏色圖案或過度部的粉末狀的材料或染料、金屬或塑料的顆?；蚺倩?、或任何其他的粉末狀的礦物、金屬或塑料，并且可以依賴于期望的性質(zhì)定制打印材料的硬度、強度或彈性。填充物材料可以在打印之前與打印材料預先混合，或可以在打印到鞋面上期間與打印材料混合。因此，按照實施方案，打印材料可以是復合材料。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。

技術特征：
1.一種3D打印緩震結(jié)構(gòu)，其特征在于，由多個3D打印的鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充而成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D打印緩震結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元由多個小梁相連組成均勻多孔的蜂巢狀規(guī)則結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的3D打印緩震結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述小梁形似鳥類骨骼骨，小梁粗細為2～4mm，連接而成的鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元的直徑為5～15mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3D打印緩震結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述3D打印的原材料為尼龍或TPU粉末。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的3D打印緩震結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述3D打印采用SLS選擇性激光燒結(jié)方法。

6.一種應用權(quán)利要求1至5任一項所述3D打印緩震結(jié)構(gòu)的鞋底，其特征在于，鞋底的空腔內(nèi)由多個所述鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應用3D打印緩震結(jié)構(gòu)的鞋底，其特征在于，多個所述鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元連接成立體形狀的圓角長方體網(wǎng)格，所述圓角長方體網(wǎng)格周期性排列成連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，形成三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應用3D打印緩震結(jié)構(gòu)的鞋底，其特征在于，所述3D打印緩震結(jié)構(gòu)設于鞋底的前掌和后掌部位。

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種3D打印緩震結(jié)構(gòu)以及應用該結(jié)構(gòu)的鞋底，3D打印緩震結(jié)構(gòu)由多個3D打印的鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充而成。鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元由多個形似鳥類骨骼骨的小梁相連組成均勻多孔的蜂巢狀規(guī)則結(jié)構(gòu)，小梁粗細為2～4mm，鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元的直徑為5～15mm。鞋底的空腔內(nèi)由多個鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元填充。多個鏤空晶格結(jié)構(gòu)單元連接成立體形狀的圓角長方體網(wǎng)格，圓角長方體網(wǎng)格周期性排列成連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，形成三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)。具有能夠吸收沖擊能量并減輕沖擊負載的功能，并基于足底壓力分布將該結(jié)構(gòu)應用于鞋底，而且還可實現(xiàn)支撐、透氣、適足、輕量化等不同功能，可為不同體育項目、不同運動特點的使用者提供最合理的力學反饋，作為緩震和回彈的晶格支持使用者完成技術動作，為人體運動提供支持并保護運動愛好者免于運動損傷。

技術研發(fā)人員：崔亞光;許志華;黃征;張省;崔強;渠慎濤
受保護的技術使用者：福建泉州匹克體育用品有限公司
技術研發(fā)日：2018.06.04
技術公布日：2018.09.04