一种三维打印生物医疗鞋垫及打印方法与流程

本发明涉及三维打印技术生物医疗领域，特别是一种三维打印生物医疗鞋垫及打印方法。
背景技术：
人体运动时，脚部需要足够的柔韧性来吸收震荡，适应坚硬的地面，同时，也需要相应的刚度来抵抗潜在但巨大的推进力，这对脚部的健康就有了较高的要求。目前，很多的患者脚部会出现一定的问题，比如长跑运动员可能会出现跖骨头疼痛，体操运动员脚部与地面有高冲击性的人员容易患中字骨发炎，还有一些先天性的莫顿趾，或者是第二跖骨受力过度而得的莫顿趾。对于以上病症，医生大都使用全面接触式鞋垫作为治疗方案，相比之前的平坦式鞋垫其压力峰值的确降低了70％，但是这种鞋垫都是统一生产的，不一定满足所有患者的需求。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种三维打印生物医疗鞋垫，该三维打印生物医疗鞋垫能针对患者的病症，同时提高患者脚部的舒适度。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三维打印生物医疗鞋垫，包括至少三个足底应力集中区a、b、c；其中，足底应力大小排序为a＞b＞c；每个足底应力集中区内均填充有若干个气孔，且a、b、c中的孔隙率大小依次递增，a、b、c中的密度依次递减。包括三个足底应力集中区a、b、c；a区的孔隙率为88.23％，b区的孔隙率为72.84％，c区的孔隙率为65.76％。a区的孔径范围为0.48-0.70mm，b区的孔径范围为0.71-0.92mm，c区的孔径范围为0.94-1.86mm。一种三维打印生物医疗鞋垫的打印方法，包括如下步骤。步骤1，三维建模：通过反求技术扫描患者脚部模型，再对扫描图片建立三维模型。步骤2，实体模型转换：将步骤1建立的三维模型导入ansys中，转换为实体模型。步骤3，有限元等效应力分析：在ansys中对实体模型进行有限元分析，得到实体模型的等效应力情况，也即足底压力分布，足底压力分布包括三个应力集中区a、b、c；其中，足底应力大小排序为a＞b＞c。步骤4，鞋垫气孔设计：采用三角周期性极小化曲面方程对每个应力集中区分别进行造孔，在solidworks中形成打印模型；其中，a、b、c中的孔隙率大小依次递增，a、b、c中的密度依次递减。步骤5，鞋垫打印：将步骤4形成的打印模型进行增材制造。步骤2中，三维模型在导入ansys之前，先利用geomagicstudio12.0进行去噪，光顺，切割处理，从而得到三角网格模型，再将三角网格模型导入ansys中转换成实体模型。步骤3中，在对实体模型进行有限元分析之前，需根据步骤2转换后的实体模型建立符合脚型的鞋垫，并建立对应的地板模型。步骤3中，实体模型有限元分析的具体方法为：先对组成元素单元类型进行设定，再根据实际情况施加载荷与约束进行加载，求解出足底压力分布。步骤5中，采用静电纺丝工艺，将步骤4形成的打印模型进行打印。本发明具有如下有益效果：1.本发明结构简单新颖，三维打印的鞋垫的曲面设计和鞋垫表面的凹凸设计，符合人体运动时的功能学要求，提高人们运动时的舒适度。2.针对不同患者的脚部形状，三维打印的医疗鞋垫真正地做到了“因脚制宜”，对于鞋垫形状要求比较高，也能轻松，快捷，高效的完成。3.本发明采用静电纺丝工艺的3d打印机打印制成，减少了连接件的使用，制造精度能达到纳米级，鞋垫整体美观，舒适。附图说明图1显示了本发明中足底压力分布图。图2显示了本发明中足底压力分布区域图。图3显示了本发明中三种孔径分布图。图4显示了应力f作用下三种孔径模型的形变图。图5显示了本发明三维打印生物医疗鞋垫的结构图。具体实施方式下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。如图5所示，一种三维打印生物医疗鞋垫，包括至少三个足底应力集中区a、b、c；其中，足底应力大小排序为a＞b＞c。每个足底应力集中区内均填充有若干个气孔，且a、b、c中的孔隙率大小依次递增，a、b、c中的密度依次递减。a区的孔径范围为0.48-0.70mm，a区的孔隙率为88.23％，b区的孔径范围为0.71-0.92m，b区的孔隙率为72.84％；c区的孔径范围为0.94-1.86mm，c区的孔隙率为65.76％。一种三维打印生物医疗鞋垫的打印方法，包括如下步骤。步骤1，三维建模：通过反求技术扫描患者脚部模型，得到的脚的一系列二维ct图片，再对扫描图片导入mimics中建立三维模型。步骤2，实体模型转换：先利用geomagicstudio12.0将步骤1建立的三维模型进行去噪，光顺，切割等后处理，从而得到三角网格模型，再将三角网格模型导入导入ansys中，转换为实体模型。接着，根据实体模型建立符合脚型的鞋垫，并建立对应的地板模型。步骤3，有限元等效应力分析：在ansys中对实体模型进行有限元分析，得到实体模型的等效应力情况，也即足底压力分布。实体模型有限元分析的具体方法优选为：先对组成元素单元类型进行设定，再根据实际情况施加载荷与约束进行加载，求解出足底压力分布。上述组成元素单元中，脚的单元类型设定为刚性体，鞋垫的单元类型设定为solid187，地板的单元类型设定为刚性体，足底和鞋垫接触面(足底部分)单元类型设定为targe170，足底和鞋垫接触面(鞋垫部分)单元类型设定为conta174，鞋垫和地板接触面(鞋垫部分)单元类型设定为conta174，鞋垫和地板接触面(地板部分)单元类型设定为targe170。足底压力分布包括三个应力集中区a、b、c，如图1和图2所示；其中，足底应力大小排序为a＞b＞c，也即a区是应力比较集中的区域，b区是应力一般的区域，c区是应力分散的区域。另外，a区有两块，一块在脚掌部位，一块在交底部位；b区也有两块，且每个b区均包覆在a区的外围；除a区和b区以外的部分，均为c区。步骤4，鞋垫气孔设计具体造孔方法：根据应力状态和质心质量的约束条件，优化模型的载荷分布和平衡性，建立隐式曲面方程生成符合密度应力可控的内部多孔结构。根据材料的强度与孔隙率、孔径成负相关，在足底压力峰值部分，缩小孔隙率和孔径，以保证实物模型更好的效果。因而，采用三角周期性极小化曲面方程对每个应力集中区分别进行造孔，在solidworks中形成打印模型。其中，a、b、c中的孔隙率大小依次递增，a、b、c中的密度依次递减。三角周期性极小化曲面方程(tpms)分为p-tpms，d-tpms，g-tpms三种标准类型，复杂的多孔结构物理模型是三种标准的融合，数学模型是在标准的隐式曲面函数基础上加入一个函数或常数。采用三角周期性极小化曲面方程作为造孔单元模型的构造函数，可以实现对复杂多孔结构模型的精确数字化表达。实验数据结果表明，曲面d和g的形态结构具有比较相近的力学性能特性，而曲面函数p结构的弹性模量和屈服强度比起d和g两类结构要高。故本发明的三角周期性极小化曲面方程以p曲面的隐函数方程作为基础，加入函数变量后公式如下：fp＝acos(x)+bcos(y)+ccos(z)+k(1)其中，k＝az(2)式(2)中，fp为p曲面的隐函数方程，理论上fp＝0；k是关于z的一个线性函数，最终所设计模型中孔隙的形态变化沿z轴方向进行线性变换。其中x＝2πx，y＝2πy，z＝2πz，(x,y,z)是曲面上的任意点；a，b，c分别是在笛卡尔坐标系中x，y，z轴方向上幅值因子，a，b，c的值随模型缩放大小比例的确定而确定。根据足底受力情况在鞋垫上设计不同的孔隙率和孔径的孔，如图3a，3b，3c所示分别是对公式(2)中的参数a进行不同的赋值，得到不同变化趋势的多孔结构模型，具体的参数如表1所示。其中图3a，直观上可以看出孔径大，孔隙率大；图3b，直观上可以看出孔径较大，孔隙率较大；图3c，直观上可以看出孔径小，孔隙率小。参数a赋值要求：根据步骤3中分析得到的三个区域的足底压力分布值，参照表1进行赋值。为了更好的说明本发明，所以本实施列只选取了三种孔径分布，实际情况的孔径分布会更多。图3a，3b，3c三种孔的分布会使得同种材料制成的鞋垫强度不一样，其中图3c所组成的鞋垫部分强度最高(a值取0.04)，图3b次之(a值取0.08)，图3a的强度最低(a值取0.16)。当对三种孔径分布的模型施加相同大小力的时候，产生的形变如图4a，4b，4c所示。由于图3a模型的强度比较的低，在应力f的作用下，模型发生的形变会比较的明显，具体的如图4a所示；强度逐渐增强的模型图3b，3c，在应力大小为f的作用下，发生的形变如图4b，4c所示。表1不同a值对应的多孔结构孔径大小模型模型a模型b模型ca值0.160.080.04孔径范围(mm)0.94-1.860.71-0.920.48-0.70孔隙率(％)88.2372.8465.76应力范围(n)38-128135-281301-506进一步的，所述根据足底受力情况在鞋垫上设计不同的孔隙率和孔径的孔，根据足底压力分布图，在不同的应力分布区植入不同的孔。在足底压力分布图的a区域植入孔径分布为图3a，在足底压力分布图的b区域放入孔径分布为图3b，在足底压力分布图的c区域放入孔径分布为图3c。这样就形成了本发明的鞋垫模型，如图5所示。为了更好的说明本发明，所以本实施列只选取了三种足底压力分布，实际情况的压力分布情况会更多，从而对应的a值也很多，对应的孔径孔隙率也会复杂多样。步骤5，鞋垫打印：采用静电纺丝工艺，将步骤4形成的打印模型进行增材制造。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。当前第1页12