基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法及系统

本发明涉及3d打印，具体而言，涉及基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法及系统。

背景技术：

1、3d打印属于快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

2、多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成，相对连续介质材料而言,多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点。

3、通过3d打印技术，将多孔材料打印成鞋子，相较于其他定制鞋，不仅降低了成本与缩短了制作周期，并且由于多孔材料适应性强，还能够通过不同的结构来实现减震，抗扭，耐磨，回弹，透气等功能，但现有技术中，并未不具备相关的技术设计，因此，急需设计基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，通过3d打印技术来实现多功能定制鞋的制造。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于应力的具有随机变梯度多孔结构鞋子的制备技术，意在将有限元分析法与3d打印技术相结合，运用3d扫描技术，扫描使用者足部形态特征，生成适合的外形；运用足部压力测试仪，生成应力分布图；运用参数化建模技术，将各种最小曲面晶格单元按应力分布进行随形变梯度排布，形成鞋的鞋体和鞋底、鞋垫等结构。

2、为了实现上述技术目的，本申请提供了基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，包括以下步骤：

3、扫描足部外形，生成鞋子轮廓外形；

4、采集足底应力分布，通过边界拟合，获取足底应力的边界分布，生成应力功能区，其中，应力功能区用于适应足底应力分布；

5、将应力功能区拟合到鞋子轮廓外形中，依据应力功能区之间的应力之间的大小关系，获取梯度过渡变化，生成鞋子轮廓外形的梯度变化区；

6、基于3d打印技术，将具有应力功能区和梯度变化区的鞋子轮廓外形，通过gyroid多孔结构材料，打印成具有gyroid变梯度多孔结构且适用于足部外形的鞋子，其中，gyroid多孔结构材料用于表示具有gyroid多孔结构的弹性材料。

7、优选地，在获取足底应力的边界分布的过程中，通过获取足底各处的应力分布图，进行点云提取，通过对点云密度进行分析，获取足底应力分布的初始范围边界；

8、通过对初始范围边界，进行二元n次样条拟合，获取足底应力的边界分布，其中，n为大于等于3的整数。

9、优选地，在生成应力功能区的过程中，基于足底应力的边界分布，通过获取应力最大值，获取用于表征应力值对于舒适程度影响的调节因子；

10、通过调节因子调节，不同应力区域的舒适程度，生成应力功能区。

11、优选地，在获取调节因子的过程中，调节因子表示为：

12、

13、其中，max表示应力最大值，y[g(x，y，z)]代表所对应边界上的应力值。

14、优选地，在生成应力功能区的过程中，应力功能区包括：高回弹区和硬支撑区，其中，高回弹区适应于应力最小值，硬支撑区用于适应于应力最大值。

15、优选地，在获取梯度变化区的过程中，梯度变化区表示为：

16、fn(x，y，z)＝s(x，y，z)·f1(x，y，z)+(1-s(x，y，z))·f2(x，y，z)

17、其中，s(x，y，z)为两个应力功能区之间的应力边界，f1(x，y，z)为一个应力功能区的空间表达式；f2(x，y，z)表示区别于f1(x，y，z)的另外一个应力功能区的空间表达式。

18、优选地，在获取应力边界的过程中，应力边界用于控制两个应力功能区之间的梯度过渡顺滑变化，表示为：

19、

20、式中，g(x，y，z)表示应力功能区的空间图形函数，α表示梯度过渡快慢的决定因子，其中，若g＝x2+y2+z2-r2时，则应力功能区之间在空间半径为r的球体面上形成梯度过渡。

21、优选地，在使用gyroid多孔结构材料的过程中，gyroid多孔结构材料的孔隙设置在200-1000微米，优选为500微米。

22、优选地，在打印适用于足部外形的鞋子的过程中，通过高孔隙率的gyroid多孔结构材料制备高回弹区，通过低孔隙率的gyroid多孔结构材料制备硬支撑区，通过梯度变化孔隙率的gyroid多孔结构材料制备梯度变化区，其中，高孔隙率为50～80％,优选为65％；所述低孔隙率为20～50％，优选为45％；所述梯度变化孔隙率的变化范围为20～80％，优选为45％～65％。

23、本发明公开了基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备系统，用于实现具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，包括：

24、扫描模块，用于扫描足部外形，生成鞋子轮廓外形；

25、应力功能区划分模块，用于采集足底应力分布，通过边界拟合，获取足底应力的边界分布，生成应力功能区，其中，应力功能区用于适应足底应力分布；

26、梯度变化区划分模块，用于将应力功能区拟合到鞋子轮廓外形中，依据应力功能区之间的应力之间的大小关系，获取梯度过渡变化，生成鞋子轮廓外形的梯度变化区；

27、3d打印模块，用于基于3d打印技术，将具有应力功能区和梯度变化区的鞋子轮廓外形，通过gyroid多孔结构材料，打印成具有gyroid变梯度多孔结构且适用于足部外形的鞋子。

28、本发明公开了以下技术效果：

29、本发明将数学计算与建模技术结合，减少了生产成本和缩短了制作周期。

30、本发明提出将人体足形、足部应力测量方法在鞋履设计的应用方法，增加3d打印定制化的服务范围。

31、本发明采用多孔结构，可利用多孔结构本身的物理特性，如gyroid结构的高孔隙度和表面积，轻量且具有一定强度的特性，为鞋履提供了更多可实现的优良性质。

32、本发明利用了参数化建模的方法，可根据需要随时调整相应数据。

技术特征：

1.基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，其特征在于：

9.根据权利要求8所述基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，其特征在于：

10.基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-9中任意一个权利要求所述的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法，包括：

技术总结
本发明公开了基于应力的具有变梯度多孔结构鞋子的制备方法及系统，属于3D打印技术领域，包括：扫描足部外形，生成鞋子轮廓外形；采集足底应力分布，通过边界拟合，获取足底应力的边界分布，生成应力功能区；将应力功能区拟合到鞋子轮廓外形中，依据应力功能区之间的应力之间的大小关系，获取梯度过渡变化，生成鞋子轮廓外形的梯度变化区；基于3D打印技术，将具有应力功能区和梯度变化区的鞋子轮廓外形，基于TPU等类型的弹性材料，打印成具有Gyroid变梯度多孔结构且适用于足部外形的鞋子；本发明提出将人体足形、足部应力测量方法在鞋履设计的应用方法，增加3D打印定制化的服务范围。

技术研发人员：刘少平,陈盛贵,杨捷,张杰伦,段娜,刘科江
受保护的技术使用者：广州番禺职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15