足弓分区结构渐变相连的3D打印鞋垫及设计制造方法
文献发布时间：2023-06-19 19:18:24
技术领域
本发明涉及3D打印矫形鞋垫技术领域，尤其是一种足弓分区结构渐变相连的3D打印鞋垫及设计制造方法。
背景技术
目前，市面上已经出现有分区的鞋垫，包括用于对脚掌进行足部治疗的底层，底层包括足弓区、脚趾区、脚掌前区、脚掌中区和后跟区，这五个区域由五种不同的立体网状结构填充。
然而，这样一种分区域结构的鞋垫各部分形变程度不一，特别是在足弓处，在穿着一定时间后，由于不同结构连接处有明显界面而界面处不易形变，从而易导致该鞋垫穿着者足弓疼痛引发不适。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的足弓分区结构渐变相连的3D打印鞋垫及设计制造方法，在采用分区域结构3D打印鞋垫基础之上，对各个区域连接处进行结构优化，进而在满足不同区域立体网状结构受力均衡，同时也使得鞋垫的舒适性和耐用性提高。
本发明所采用的技术方案如下：
一种足弓分区结构渐变相连的3D打印鞋垫，包括：
足弓区域，采用第一立体网格结构，
足弓外侧区域，采用多立方体结构，
渐变区域，为足弓区域、足弓外侧区域的重叠区域，此区域中，采用厚度渐变结构，第一立体网格的厚度向第二立体网格处逐渐降低，第二立体网格的厚度向第一立体网格的厚度逐渐降低；且渐变区域中，第二立体网格厚度较薄的一侧覆盖在第一立体网格上。
作为上述技术方案的进一步改进：
第一立体网格结构的晶胞单位采用Magics软件的Dode网格结构。
所述第一立体网格三轴方向受力相同，晶胞空腔为正四面体结构，且晶胞连接处中心设置8根交叉的节点。
所述第二立体网格结构的晶胞单位采用Magics软件的Rhombi网格结构。
所述第二立体网格晶胞的空腔为二十六面体。
一种权利要求1所述的足弓分区结构渐变相连的3D打印鞋垫的设计制造方法，包括如下步骤：
扫描得到整体鞋垫模型，在SolidWorks软件中进行锥度切割，切割得到具有圆锥度的足弓部分模型，布尔计算出足弓外侧区域，将足弓区域与足弓外侧区域进行装配，此时得到足弓区域、足弓外侧区域和前述两区域的垂直投影重叠区域；垂直投影重叠区域即设计为渐变区域。
作为上述技术方案的进一步改进：
扫描切割模型的具体步骤为：
根据患者足部特征进行数字化设计得到鞋垫整体模型的STL文件；
在鞋底平面上划定一个圆形区域，在足弓最高处上方预期高度处选取一个与鞋底平面平行的参考面，在参考面上划定一个圆形区域，参考面上的圆形区域大小可调；
选取两个圆形为轮廓进行放样操作，得到有锥度的类圆柱体零件，
导出STL文件，并导入Material Magic软件中，将放样产生的有锥度的类圆柱体与鞋垫主体进行布尔运算，两个零件取交集得到足弓区域；
选鞋垫主体为主体，选上述类圆柱体为要减的零件，布尔运算得到足弓外侧区域；形成的包括从鞋底区域至上方外侧区覆盖区域为渐变区域；
在工具栏软件力学结构库选取脚掌各个部位对应的结构单元，足弓外侧区域内部采用第一立体网格结构，足弓区域内部采用第二立体网格结构；
导入切片软件打印得到成品。
渐变区域底面硬度大于其顶面硬度。
本发明的有益效果如下：
本发明针对分区鞋垫可能产生的分界处形变情况，将常规的不同结构分块设置，改为不同结构叠加设置，叠加处采用两种相邻材料厚度渐变的方式交叠，且交叠设置的渐变区域位置由扫描后运算获得，保证了这块区域是脚掌不同受力位置交界的准确位置，在受到脚掌各处的压力时，渐变区域中较硬的部分提供支撑力，较软的部分提供舒适的脚感，长期受力不易发生分裂，即使略有位移，由于上层结构和下层结构是斜面相贴，因此两者之间不会出现大的间隙，从而保障了脚掌的舒适度、鞋垫的耐久度。
本发明中的分区结构中，脚掌部分对应的足弓外侧区域采用多立方体结构，这种相邻面拼接形成的立体网状结构具有较大的孔隙，在足底外侧加压时，能够承受较大身体重量而轻微形变并具有复位能力，外力易沿着趋于球体的多面体的多个侧壁进行传递。在此前提下，镂空结构自重轻、透气性高，适用于足弓外侧区域的承力。
本发明中的足弓区域垫高，用于支撑足弓的内凹位置，对应的网格结构三轴方向受力相同，晶胞空腔采用正四面体结构，并在正四面体结构内部填充八根交叉的节点，相较于其他中空结构，网格密度有所增强，强度随之增强。因为正四面体相对比较容易形变，但本发明中的材质易于复位，因此具有支撑力和弹性，适合作为足弓区域的支撑。
本发明的鞋垫在厚度渐变设计过程中，采用分区域设计的方式，先得到足弓区域，再得到组工外侧区域，两者装配得到重叠位置的渐变区域，相较于直接测量得到的简便区域，装配方式保证了渐变区域定位的准确性。
附图说明
图1为本发明的鞋垫整体结构示意图，图中示出足弓区域、足弓外侧区域和渐变区域的位置。
图2为本发明的鞋垫剖视图。
图3为本发明的第一立体网格结构示意图。
图4为本发明的第二立体网格结构示意图。
图5为本发明的设计制造流程框图。
其中：1、渐变区域；2、足弓外侧区域；3、足弓区域；
21、第一立体网格结构；31、第二立体网格结构；
211、第一立体网格框架；212、第一立体网格空腔；311、第二立体网格框架；312、第二立体网格空腔。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图5所示，本实施例的足弓分区结构渐变相连的3D打印鞋垫，包括：
足弓区域3，采用第一立体网格结构21，
足弓外侧区域2，采用多立方体结构，
渐变区域1，为足弓区域3、足弓外侧区域2的重叠区域，此区域中，采用厚度渐变结构，第一立体网格的厚度向第二立体网格处逐渐降低，第二立体网格的厚度向第一立体网格的厚度逐渐降低；且渐变区域1中，第二立体网格厚度较薄的一侧覆盖在第一立体网格上。
第一立体网格结构21的晶胞单位采用Magics软件的Dode网格结构。
第一立体网格三轴方向受力相同，晶胞空腔为正四面体结构，且晶胞连接处中心设置8根交叉的节点。
第二立体网格结构31的晶胞单位采用Magics软件的Rhombi网格结构。
第二立体网格晶胞的空腔为二十六面体。
本实施例的权利要求1的足弓分区结构渐变相连的3D打印鞋垫的设计制造方法，包括如下步骤：
扫描得到整体鞋垫模型，在SolidWorks软件中进行锥度切割，切割得到具有圆锥度的足弓部分模型，布尔计算出足弓外侧区域2，将足弓区域3与足弓外侧区域2进行装配，此时得到足弓区域3、足弓外侧区域2和前述两区域的垂直投影重叠区域；垂直投影重叠区域即设计为渐变区域1。
扫描切割模型的具体步骤为：
根据患者足部特征进行数字化设计得到鞋垫整体模型的STL文件；
在鞋底平面上划定一个圆形区域，在足弓最高处上方预期高度处选取一个与鞋底平面平行的参考面，在参考面上划定一个圆形区域，参考面上的圆形区域大小可调；
选取两个圆形为轮廓进行放样操作，得到有锥度的类圆柱体零件，
导出STL文件，并导入Material Magic软件中，将放样产生的有锥度的类圆柱体与鞋垫主体进行布尔运算，两个零件取交集得到足弓区域3；
选鞋垫主体为主体，选上述类圆柱体为要减的零件，布尔运算得到足弓外侧区域2；形成的包括从鞋底区域至上方外侧区覆盖区域为渐变区域1；
在工具栏软件力学结构库选取脚掌各个部位对应的结构单元，足弓外侧区域2内部采用第一立体网格结构21，足弓区域3内部采用第二立体网格结构31；
导入切片软件打印得到成品。
渐变区域1底面硬度大于其顶面硬度。
本发明的具体结构及设计方法如下：
鞋垫形状如图1所示，分为足弓区域3、足弓外侧区域2、渐变区域1。其中，足弓区域3、足弓外侧区域2分别采用两种硬度不同的材质，硬度的不同通过采用不同结构的网格实现。
在足弓区域3和足弓外侧区域2之间交界处，为一道弧形的渐变区域1。渐变区域1的结构由两侧不同硬度的结构交叠而成，如图2所示，交叠位置处，第一立体网格结构21叠在第二立体网格结构31上方，第一立体网格结构21、第二立体网格结构31的接触面为斜面，分别从第一立体网格结构21的底面斜向上延伸、第二立体网格结构31的顶面斜向下延伸。
如图3所示为第一立体网格结构21的局部示意图。这种结构从图中可以直观看出，每个单元网格立体面多，晶胞空腔为二十六面体，整体趋于一个球体。这种结构具有较大的孔隙结构，承压能力稍弱，但由于其自身具备的软度和弹性，能够对足弓外侧部分起到支撑作用的同时，还能够通过形变提高脚掌的舒适程度，适合作为足底除了足弓以外的承压。
如图4所示，为第二立体网格结构31的局部示意图。这种结构的组成单元三轴方向受力相同，晶胞空腔为正四面体结构，并且警报连接处中心存在八根交叉的节点，网格密度增大，强度随之增大，能够承受更大的力。同时该种结构具有弹性，因此适合作为足弓部分的支撑。
在上述两种对应足弓、足弓外侧的不同结构已经设计好的前提下，需要考虑着两种结构在拼接使用在同一张鞋垫上时的连接可靠程度。
由于本发明中的斜面拼接是两种不同材质的拼接，如果拼接面积过小，两种不同材质的连接面积小，在受到同等大小外力的前提下，更容易发生错位或开裂；本发明中将拼接面调整为整个渐变区域1的大小，能够尽量提高拼接面的连接强度、提高受力稳定性。
本发明中，采用三维建模足弓、组工外侧区域并重叠组合的方式找到两种立体结构的拼接位置，拼接处采用斜面叠加拼接，取代常规的同一水平面上的相邻块拼接方式。本发明中的拼接区域没有明显的缝隙，不会出现一段时间的使用后，分区域结构之间界面过硬且与两侧结构形变程度不一致的情况，本发明中通过形状优化结构连接处，达到不同区域结构的合理渐变，从而解决了传统分区域结构3D打印矫形鞋垫不同区域结构连接处过硬等弊端，使得鞋垫耐久度和舒适度有效提高。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。