CN114643713A - 三角星蜂窝***参数化3d打印足底压力分布鞋底 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底，其制备方法主要包括步骤：扫描足部获取足底分布压力图；使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模；创建三角星镂空蜂窝***，并根据最大压力区准确定义干扰点范围，调整三角星蜂窝单胞的参数；应用TPU材料；采用FDM 3D打印机进行打印。其制备***包括机械超材料结构***、参数设计***、TPU材料应用和数字制造***。本发明快速有效地进行定制化矫正鞋底设计，通过简单地操作grasshopper中的参数指令调整出个性化鞋底，以满足极好的足底压力分布需求，解决了人体足底压力问题，缓解了不平衡足以及作用与人体的力所对人体健康造成的伤害。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底。
背景技术
鞋底是鞋类组成部分，影响鞋类生物力学、动态行为等；通过材料和结构可以改善鞋子的性能，而性能优越的鞋子可以通过重新分配足部压力来提供舒适和缓冲为人体和脚部健康提供保护。近年来，晶格(lattin)结构是鞋类中底设计中最受认可的结构之一，FDM作为一种流行的3D打印方法，具有成本效益、绿色制造、适用于多种材料的特点，但是，由于精度差，无法打印无支撑的格子结构等复杂结构。
因此，需要探索一种创新的支持3D参数设计的建模方法，可以替代晶格结构鞋底，同时通过控制鞋底参数变量来适应FDM 3D打印方法和个人定制，开发3D打印参数鞋底，从而能够减轻用户或患者的足底压力。
Rhinoceros自带基于节点的可视化语言Grasshopper，通过连接内部电池组件效率的编程方法，构建遵循一组规则的程序的方法，让设计人员可以轻松更改可视化操作节点以快速执行参数化设计。参数驱动算法创建的3D模型可以基于Grasshopper(Liu,X.,et,al,2020)提供的晶胞结构生成，以控制决定其刚度的局部几何密度(晶胞)变量会对足底压力产生影响(Kuwer Bugin,et al,2020；Singhal,T.,et,al,2018)。创建了一种算法，用于精细化功能性和可定制的中底，例如具有数字制造的晶格结构(Tang,Y.,et,al,20210,Jeong,J.,et,al,2021,Tian,Y.,et,al,2019)，其中涉及扫描数据并结合其他特定的建模软件，对于没有熟练计算机辅助技术的设计师来说是一个操作挑战，同时建模过程过于复杂和耗时，无法实现快速制作个性和定制。在之前的研究中，我们已经证实了由TPU制成的3D打印三角星形多孔外底具有良好的表面压力分布(chen xiaokui,et al.2022)。
目前市面上许多防震，减压的鞋底设计基本都是应用晶格结构机械超材料原理，这是一个复杂3D几何体设计过程，设计者需要具备专业的电脑辅助设计技能，以及高精密度的3D打印技术，而这种制作的机器往往是非常昂贵的，不利于功能鞋底的普及，费时和高成本是弊端。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法和制备***，该方法基于改进的三角星形泊松比图案鞋底设计的算法和一种先进的3D数字生产技术FDM制造，是一种可调节足底压力的3D打印矫正鞋底的生产方法，解决了人体足底压力问题，缓解不平衡足以及作用与人体的力所对人体健康造成的伤害。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法，主要包括如下步骤：
步骤一：扫描足部获取足底分布压力图；
步骤二：使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模；
步骤三：创建三角星镂空蜂窝***，并根据最大压力区准确定义干扰点范围，调整三角星蜂窝单胞的参数；
步骤四：应用TPU材料；
步骤五：采用FDM 3D打印机进行打印。
进一步地，上述使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模主要包括如下步骤：
S1：打开Rhino和Grasshopper插件；
S2：生成参数化三角星单元结构组；
S3：建模三角星镂空鞋底外轮廓平面图；
S4：根据扫描足底压力分布图，在其中心处定位干涉点，并进行参数化设计；
S5：挤出参数化鞋底厚度；
S6：算法3D参数化鞋底模型建立。
进一步地，上述的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法，通过操作grasshopper中的Cull Pattern电池以及相关数据，调整三角星蜂窝单胞参数。
进一步地，上述三角星蜂窝单胞的参数包括密度、角度、杆长和数量。
一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备***，包括：机械超材料结构***、参数设计***、TPU材料应用和数字制造***。
进一步地，上述机械超材料结构***使用三角星镂空蜂窝结构***。
进一步地，上述参数设计***使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模。
进一步地，上述数字制造***采用FDM 3D打印机。
一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底，使用上述的制备方法制造。
进一步地，上述的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底，包括足前部、足中部和足后部，利用算法干扰足前部、足中部和足后部的压力范围，调整三角星蜂窝单胞的参数，控制足前部、足中部和足后部的抗震能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法，基于改进的三角星形泊松比图案鞋底设计的算法和一种先进的3D数字生产技术FDM制造的可调节足底压力的3D打印矫正鞋底生产方法，解决了人体足底压力问题，缓解了不平衡足以及作用与人体的力所对人体健康造成的伤害；
2.本发明采用控制Grasshopper中Cull Pattern模式分量的方法，通过遵循算法逻辑简单地改变一些变量来满足功能和美学的个性化和定制要求，这些变量与密度、旋转角度、形状和几何形状的厚度有关，在鞋底的功能和美学范围内，可以根据个人脚部压力情况，通过算法对鞋底的特定高压局部区域进行力学条件更改，由此可见，本发明的三角星形多孔鞋底设计方法和创新过程，可以帮助鞋设计师、鞋制造商、患者或用户更轻松快捷地定制功能性和美观性的鞋底；
3.本发明采用TPU材料FDM数字制造技术生产的3D打印三角星镂空鞋底，具有轻质化、耐磨、耐穿、安全、舒适、防震和康复等性能，该发明的优化技术涉及结构设计、算法建模、柔性材料选择和绿色可持续生产FDM数字制造等方面，三角星镂空蜂窝结构***设计强化其产品各项性能，简单高效的算法3D建模方式可以通过简单操作其中的一些参数实现多功能可调节性，TPU材料具有轻质可调节性能的特点，该发明适用于低成本的FDM数字制造技术可实现个性化定制功能鞋底生产；
4.本发明的算法参考了使用者有效的足底压力分布图，使用Rhino软件和Grasshopper插件进行设计，创建负泊松比三角星镂空蜂窝***，并根据其最大压力区准确定义干扰点范围，从而调整三角星蜂窝单胞的密度、角度、杆长等参数，该发明发泡鞋底2D蜂窝结构不需要额外支撑点，适合经济和先进的FDM生产技术，三角星镂空蜂窝***具有独特的泊松比、轻质、防震等优越性能，从而提升鞋底功能；
5.本发明在制作工艺方面，FDM是一种熔融沉积技术，可以通过热熔的方式根据指令将材料挤出并层层叠在打印床上，从而塑造3D立体固体物体的过程，该机器操作简易，置办成本低，还能兼容各种材料，提供打印多种色彩的定制制作，通过调整打印机器的打印参数，控制成品的最终性能，实现可持续环保生产、低成本、便利性、高效率和设备价格亲民化。
附图说明
图1是本发明三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备***示意图。
图2是3D打印三角星镂空算法设计鞋底制造流程图。
图3是根据算法建模的三角星镂空鞋底的3D建模流程。
图4是三角星镂空蜂窝***工作原理图。
图5是三角星参数化镂空鞋底设计原理示意图。
图6是基于封闭表面定制压力区设计的3D打印三角星镂空鞋底。
图7是基于3D几何压力点的按摩式设计的3D打印三角星镂空鞋底。
图8是基于3D打印三角星镂空算法设计的3D打印三角星镂空鞋底。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
首先，对本实施例中涉及的术语进行解释：
算法(Grosshopper algorithms)：参数化设计是将工程本身编写为函数与过程，通过修改初始条件并经计算机计算得到工程结果的设计过程，实现设计过程的自动化。Grasshopper指令可以打开
插件窗口。Grasshopper是一个图形算法编辑器，与Rhino的3D建模工具紧密集成。Rhinoceros自带基于节点的可视化语言Grasshopper，通过连接内部电池组件效率的编程方法，构建遵循一组规则的程序的方法，让设计人员可以轻松更改可视化操作节点以快速执行参数化设计。
三角星镂空微结构***(3-pointed star shape porous microstructuresystem)：具有许多的孔隙，被比作手性蜂窝，我们称之为三星(或)三手性蜂窝，是非常流行的负泊松比的微结构***。它潜在拉伸行为通过柔性韧带线连接和多边形块旋转的机制变形，单轴载荷***特性的变化将直接影响***的泊松比，这意味着泊松比可以通过铰链和机构杆的灵敏度进行调整，例如通过调整星形穿孔机械的几何参数，如大小、开口状态、星形点数、孔间距等，从而调整这些***的力学性能。
FDM数字制造技术：FDM是“Fused Deposition Modeling”的缩写，即熔融沉积法，是一种将各种丝材加热熔化进而堆积成型方法。FDM工作原理是：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层层的薄片轮廓。当每一层截面成型完成后工作台便下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
TPU材料：TPU(Thermoplastic polyurethanes)名称为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，TPU是由二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)等二异氰酸酯类分子和大分子多元醇、低分子多元醇(扩链剂)共同反应聚合而成的高分子材料。它的分子结构是由二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)和扩链剂反应得到的刚性嵌段以及二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)等二异氰酸酯分子和大分子多元醇反应得到的柔性链段交替构成的。
足底压力分布：足底压力分布是指脚底与支撑面之间的力分布。足底高压力对足部发育而言是一项重要的危险因素，其与足部畸形、足底组织厚度的减少和关节活动受限有关。正常的足部压力分布情况是，最高的压力分布在足跟和跖骨头，最低的压力分布在骰骨。具有足部疾病的压力分布因个案有所差异，讲足底压力分布调整到正常的状态有利于对人体提供保护和舒适感。
本实施例提供了一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法，采用一款可以广泛应用的算法设计，快速有效地进行定制化矫正鞋底设计，通过简单地操作grasshopper中的参数指令调整出个性化鞋底，以满足极好的足底压力分布需求，为人体足部提供舒适感，为人体健康提供保护。该三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法主要包括如下步骤：
步骤一：扫描足部获取足底分布压力图；
步骤二：使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模；
步骤三：创建三角星镂空蜂窝***，并根据最大压力区准确定义干扰点范围，调整三角星蜂窝单胞的参数；
步骤四：应用TPU材料，TPU材料属于高性能新颖材料；
步骤五：采用FDM 3D打印机进行打印。
本实施例的3D打印三角星镂空算法设计鞋底制造流程图参照附图2。该算法的参考了使用者有效的足底压力分布图，使用Rhino软件和Grasshopper插件进行设计，创建负泊松比三角星镂空蜂窝***，并根据其最大压力区准确定义干扰点范围，从而调整三角星蜂窝单胞的密度、角度、杆长等参数，该发明发泡鞋底2D蜂窝结构不需要额外支撑点，适合经济和先进的FDM生产技术，采用特殊鞋材TPU Varioshore材料生产可以更好实现并加强其轻质化、耐磨、耐穿、防震等性，可实现高效定制化功能鞋底。
TPU材料FDM数字制造技术生产的3D打印三角星镂空鞋底，具有耐穿、安全、舒适和康复等性能，该发明的优化技术涉及结构设计、算法建模、柔性材料选择和绿色可持续生产FDM数字制造等方面，三角星镂空蜂窝结构***设计强化其产品各项性能，简单高效的算法3D建模方式可以通过简单操作其中的一些参数实现多功能可调节性，TPU材料具有轻质可调节性能的特点，该发明适用于低成本的FDM数字制造技术可实现个性化定制功能鞋底生产。
本实施例中，使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模主要包括如下步骤：
S1：打开Rhino和Grasshopper插件；
S2：生成参数化三角星单元结构组；
S3：建模三角星镂空鞋底外轮廓平面图；
S4：根据扫描足底压力分布图，在其中心处设定干涉点，并进行参数化设计；
S5：挤出参数化鞋底厚度；
S6：算法3D参数化鞋底模型建立。
3D打印三角星镂空算法设计鞋底制造流程图参照附图2。三角星镂空蜂窝***工作原理图参照附图4。三角星镂空结构***是机械超材料，其特点是在单轴拉伸、压缩下，呈现出双轴方向膨胀或压缩的反视觉现象。当表面受压时，材料分子向压力中心聚拢，受压位置的刚性加强。
3D建模设计的方法有很多，涉及软件Rhino、Fusion360、SketchUp等等也可以实现最终设计，但是后期的修改工作非常繁琐，本实施例的设计由算法完成，并可以通过简单操作其中的参数改变从而获得定制化功能参数，实现定制化数字生产，意味着只有建立一个基本模型，便可以通过调正cull Pattern等算法实现无限各种性能定制，这样的优化功能让不懂电脑甚至设计的人只要掌握几个简单调节功能键位置和建模生产知识，便可以设计适合使用者的鞋底。
本实施例的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法，通过操作grasshopper中的Cull Pattern电池以及相关数据，调整三角星蜂窝单胞参数，包括密度、角度、杆长、数量等。
本实施例还提供了一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备***，参照附图1，该制备***包括：机械超材料结构***、参数设计***、TPU材料应用和数字制造***。
作为优选的，本实施例的机械超材料结构***使用三角星镂空蜂窝结构***，参数设计***使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模，数字制造***采用FDM 3D打印机。
除此之外，本实施例还提供了一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底，使用本实施例的制备方法制造。参照附图5，该三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底，包括足前部、足中部和足后部，利用算法干扰足前部、足中部和足后部的压力范围，调整三角星蜂窝单胞的参数，控制足前部、足中部和足后部的抗震能力。
附图5是三角星参数化镂空鞋底(底部平面图)的设计原理(基本款)示意图。根据人体工程学，当人体在直立或行走的时候，重力注意落在足前部和足后部，足中部压力最小。运用算法干扰高压力范围，根据最大压力值的大小，调整无限元(单胞)的密度，从而控制鞋底某区域的防震能力，实现个性化定制，提供足部保护与舒适。
工作原理：正常的人体在行走或站立的过程中，鞋对人体产生缓和足底以及地面反压力的作用，正常情况下人体的重量一般落在足前和后跟中部范围，此时形成极高的压力区将反作用于人体；不符合人体工程学的鞋底在长期的使用过程对身体健康造成极大的影响；该发明旨在人体高压力区进行吸能性能优化，如增加压力区的刚性、缓冲强度，以降低足底接触面所承受的反作用力，减轻足部负担以及增加舒适感。
在本实施例的目的是根据算法和正常人体生物力学峰值压力局部(先忽略针对个体进行扫描步骤)数据过程不断优化三角星多孔外底设计，不仅可以简单轻松地建模复杂的模型，而且可以实现个性化和定制化需求。用户和患者对重新分配足底压力以提供舒适和治疗感到满意，并且适用于FDM制造方法。
为了开发基于算法的个性化参数化三角星镂空鞋底，本实施例涉及Rhinoceros3D软件和Grasshopper插件的应用，通过汲取源自基于Grasshopper算法的通用JPGE图像，定义尺寸为230x 90mm的顶视图鞋底轮廓几何形状的3D建模过程，遵循基于六边形(Hexagonal)几何生成多孔三角星系图案(Pattern)，首先将图案***重叠在鞋底轮廓的低部基于美观与人体力学角度勾勒参数化鞋底外轮廓，基于导入适用人体足底压力分布图确定压力区，然后在后跟和前脚中央区域设置两个干涉点鞋底，从而影响局部几何(细胞)密度，接着修剪鞋底轮廓外多余的图案以生成星形多孔鞋底形状，通过挤压鞋底厚度并将文件保存为STL格式，转换为G-Code代码3D打印格式进行打印。基于这个基本的参数化三角星形多孔鞋底3D建模模型，发明人还推广了另外两种设计，一种是3毫米厚的受压圆锥形3D几何压力点的按摩式三角星镂空鞋底，另一种是干涉点影响区域的封闭表面定制压力区三角星镂空鞋底，本实施例的厚度为各为7.5和10毫米。3D打印的三角星形鞋底原型是使用VarioshoreTPU材料采用FDM 3D打印方法，基于50％填充、240挤出温度和50床温打印条件制备的。
基于封闭表面定制压力区设计的3D打印三角星镂空鞋底参照附图7，基于3D几何压力点的按摩式设计的3D打印三角星镂空鞋底参照附图6，基于3D打印三角星镂空算法设计的3D打印三角星镂空鞋底参照附图8。
本实施例的鞋底设计通过简单地改变一些变量来满足功能和美学的个性化和定制要求，这些变量与密度、旋转角度、形状和几何体在压力大的区域的厚度有关。控制Grasshopper中的电池Cull Pattern分量的方法。在鞋底的功能和美学范围内，通过算法对鞋底的特定高压局部区域进行更改，并优化功能的基本高压力区按摩的压力点和封闭足跟细节设计，并以7.5和10毫米的厚度打印。此外，还生产了另外10毫米的3D几何压力点的按摩式三角星镂空鞋底和影响区域的封闭表面定制压力区三角星镂空鞋底用于比较，因此本研究将使用6种设计。所得原型表明，随着厚度的增加，重量和打印时间也会增加；7.5毫米的参数化三角星形多孔鞋底原型重量最重、厚度最大、打印时间最短，10毫米厚度三角星镂空蜂窝发泡鞋底原型重量最重、厚度最大、打印时间最短。由此产生的三角星形多孔鞋底设计方法和创新过程可以帮助鞋设计师、鞋制造商、患者或用户更轻松快捷地定制功能性和美观性的鞋底，为3D打印保健鞋底设计的普及做出贡献。
本实施例利用Grasshopper程序通过算法方法对三角星形参数鞋底进行建模，可以简单方便地实现复杂的参数设计，满足功能个性和定制需求，基本设计可以更改和修改，也可以从FDM打印机直接快速制造。这种新颖的设计允许多功能设计，可以适应不同用户的足部压力情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
步骤一：扫描足部获取足底分布压力图；
步骤二：使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模；
步骤三：创建三角星镂空蜂窝***，并根据最大压力区准确定义干扰点范围，调整三角星蜂窝单胞的参数；
步骤四：应用TPU材料；
步骤五：采用FDM 3D打印机进行打印。
2.根据权利要求1所述的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法，其特征在于，所述使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模主要包括如下步骤：
S1：打开Rhino和Grasshopper插件；
S2：生成参数化三角星单元结构组；
S3：建模三角星镂空鞋底外轮廓平面图；
S4：根据扫描足底压力分布图，在其中心处设定干涉点，并进行参数化设计；
S5：挤出参数化鞋底厚度；
S6：算法3D参数化鞋底模型建立。
3.根据权利要求1所述的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法，其特征在于，通过操作grasshopper中的CullPattern电池以及相关数据，调整三角星蜂窝单胞参数。
4.根据权利要求1或3所述的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备方法，其特征在于，所述三角星蜂窝单胞的参数包括之间密度、角度、杆长和数量。
5.一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备***，其特征在于，包括：机械超材料结构***、参数设计***、TPU材料应用和数字制造***。
6.根据权利要求5所述的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备***，其特征在于，所述机械超材料结构***使用三角星镂空蜂窝结构***。
7.根据权利要求5所述的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备***，其特征在于，所述参数设计***使用Rhino软件和Grasshopper插件参数化鞋底建模。
8.根据权利要求5所述的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底的制备***，其特征在于，所述数字制造***采用FDM 3D打印机。
9.一种三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底，其特征在于，使用权利要求1-3任一项所述的制备方法制造。
10.根据权利要求9所述的三角星蜂窝***参数化3D打印足底压力分布鞋底，其特征在于，包括足前部、足中部和足后部，利用算法干扰足前部、足中部和足后部的压力范围，调整三角星蜂窝单胞的参数，控制足前部、足中部和足后部的抗震能力。
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