基于3D技術的個性化自適應鞋撐研究

康英

【關鍵詞】3D打印;增材;自適應;鞋撐

【中圖分類號】F426.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）10-0030-04

0 引言

3D打印技術最早起源于19世紀末的美國，是為了解決“快速成型”直接用于專業(yè)化的工業(yè)設計和生產(chǎn)。我國在這項前沿技術的研究起步較晚，早期主要集中在一些高校和科研院所針對尖端技術領域的應用研究。經(jīng)過20多年的摸索試驗，該技術已經(jīng)在航空、航天、兵器等國防高新技術領域得到較為成熟的應用。隨著國家對軍民融合戰(zhàn)略意義的提升，一些可以市場化、產(chǎn)業(yè)化、資本化的軍用技術逐漸轉(zhuǎn)化為民用技術，走市場化的道路，進入人們的日常生活領域。例如，隨著我國人民生活水平的不斷提高，穿戴逐漸開始追求時尚、舒適、健康、環(huán)保。具體到腳上穿的這雙鞋，一定要舒適、合腳。行如風，站如松，一雙合腳的皮鞋功不可沒。俗話說：“鞋合不合適腳知道”。腳和鞋的契合度是消費者評價一雙鞋的好壞的核心標準。擁有一個和自己腳一樣的鞋撐，替自己撐幾天鞋，能極大地增加穿新鞋時的舒適感?！澳_知道”組合自適應式鞋撐項目是利用人體工學理論和機械設計原理，基于3D技術集成的應用型創(chuàng)新產(chǎn)品。該產(chǎn)品通過科學的腳部分區(qū)、姿態(tài)定位，預制消費者腳部模型，選用有一定張力性能的材料，制作消費者的鞋撐模型，通過設計鞋撐的自適應結構裝置，制造滿足消費者個性化需求的鞋撐[1]。

1 指標要求

1.1 產(chǎn)品指標要求

產(chǎn)品設計應便于工程制造，外形美觀簡潔;材料選取應符合環(huán)保要求，無毒無害;制造成本應經(jīng)濟;產(chǎn)品重量應輕質(zhì)化，便于攜帶。

1.2 技術指標要求

（1）通過機械傳動裝置撐漲皮鞋內(nèi)側空間至客戶預制腳型，符合客戶定制腳型。

（2）鎖緊裝置靜置一段時間后，使皮革鞋面產(chǎn)生長時間彈性變形。

1.3 關鍵技術

本產(chǎn)品主要關鍵技術是利用3D技術準確描述腳型輪廓的邊界特性;腳模輪廓選取的制造材料及成型方法和工藝措施。

2 項目研究試驗

本課題以研究適應人體腳型與所穿鞋之間舒適性為目的，主要研究內(nèi)容如下：撐漲機械裝置設計和3D環(huán)境自適應腳型的輪廓成型準確描述。通常，皮鞋內(nèi)腔的空間狹窄，機構裝配后進入內(nèi)腔人工調(diào)整困難，必須完全依靠機械裝置一次調(diào)整到位，結構必須具有足夠的張力且定位后能鎖緊，保持足夠長時間的張緊狀態(tài)。項目的工作流程如圖1所示。

自適應鞋撐項目在設計、制造過程中擬采用技術途徑如圖2所示。

2.1 項目總體技術方案概述

3D打印技術根據(jù)所設計的3D模型，通過3D打印設備逐層增加材料制造三維產(chǎn)品的技術，這種逐層堆積成形技術又被稱作增材制造。3D打印綜合了數(shù)字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術，是快速成型技術中的一種。與傳統(tǒng)制造技術相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造過程中去除大量的材料，也不必通過復雜的鑄造工藝就可以得到最終產(chǎn)品，因此在生產(chǎn)上可以實現(xiàn)結構優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。3D打印技術適合于新產(chǎn)品具有復雜外形的零件制造等，也適應于不易加工材料的外形設計驗證、裝配干涉檢查和產(chǎn)品逆向工程研究等。因此，3D打印產(chǎn)業(yè)受到國內(nèi)外越來越廣泛的關注，將成為下一個具有廣闊發(fā)展前景的朝陽產(chǎn)業(yè)[2]。

“腳知道”組合自適應式鞋撐項目是利用人體工學理論和機械設計原理，基于3D技術集成的應用型創(chuàng)新產(chǎn)品。該產(chǎn)品通過科學的腳部分區(qū)、姿態(tài)定位，通過三維激光掃描技術掃描（又稱實體復制技術）人體足部，利用CAD工程設計軟件對點云數(shù)據(jù)進行修整、編輯處理，并獲取所需的三維曲線特征，通過三維曲面表達實物的CAD模型;選用有一定塑性和強度的ABS工程材料，利用熔融擠壓快速成型設備對CAD模型輸出的STL文件進行前處理、成型、后處理等工序，打印“燒結”出用戶所需要的個性化鞋撐模型;通過鞋撐產(chǎn)品的機械式撐緊裝置，利用鞋撐模型材料自身硬度和韌性適度撐開鞋與足部的接觸受力點，使用戶穿鞋的舒適度極大增強，滿足消費者對鞋撐的個性化需求。

2.2 支撐機械裝置設計方案

支撐機械裝置是鞋撐項目的主要構建，承擔鞋撐的主要基礎構件。設計技術要求：結構輕巧，重量輕質(zhì)，結構傳遞簡單、實用。通過螺桿的縱向施力，螺桿端頭的塑料球頭向前運動，在前腳支撐內(nèi)腔溝槽中運動，球面與喇叭形溝槽的接觸，迫使球體對內(nèi)腔側壁有擠壓作用，達到將螺桿軸向力轉(zhuǎn)化為前腳支撐內(nèi)腔體的橫向的張力運動。皮鞋內(nèi)側的接觸面具有一定的硬度，通過接觸面之間的撐力驅(qū)使皮面完成微小的擴張。支撐機械裝置作用力傳遞示意圖如圖3所示。

2.2.1 支撐機械裝置設計

支撐機械裝置按照功能特征分為4個部分，分別為自適應前腳掌腳模、后腳跟螺桿支撐裝置、自適應后腳跟腳模、前腳掌螺桿支撐裝置。自適應前腳掌腳?？紤]結構的體積較大，為了達到減重的技術要求，不宜采用鋁合金或者不銹鋼鋼制金屬材質(zhì)設計制作，采用輕質(zhì)且具有一定硬度的ABS工程塑料制作比較經(jīng)濟。通過注塑成型工藝完成內(nèi)部型腔和外曲面的制作。螺桿支撐體采用45號碳鋼材質(zhì)設計，螺桿端頭通過螺紋與ABS材質(zhì)的支撐球體連接[3]。

2.2.2 自適應腳面輪廓設計、加工實施

項目組采用網(wǎng)絡及實地走訪的形式，隨機抽取西安市居民200人進行問卷調(diào)查。調(diào)查數(shù)據(jù)可知，經(jīng)常使用鞋撐的居民有98人（49%），偶爾使用鞋撐的居民有81人（40.5%），從不使用鞋撐的居民有21人（10.5%）。調(diào)查表明，目前大多數(shù)的人生活中都會用到鞋撐產(chǎn)品，鞋撐在居民日常生活中扮演著重要作用和具有不可替代的功能。其中，在18～27歲青年階段，經(jīng)常使用鞋撐的人有56人，在經(jīng)常使用鞋撐產(chǎn)品這一項分類中占57.14%，位居主導地位，并且18～27歲青年階段中經(jīng)常使用鞋撐人數(shù)在該年齡組中占57.7%，偶爾使用人數(shù)有35人，數(shù)據(jù)也相當可觀?？梢姡谇嗄耆巳褐惺褂眯瑩蔚娜藬?shù)數(shù)量龐大，使用頻率也相對較高。在28～37歲中青年階段，47人在日常生活中使用到鞋撐產(chǎn)品，其中經(jīng)常使用鞋撐人數(shù)有21人，在該年齡組中占40.4%。在38～47歲中年組，鞋撐的不使用人數(shù)最多8人，在不使用這一分類中占38.09%，是在所有調(diào)查年齡組中不使用鞋撐人數(shù)最多的年齡組。分析其原因我們得出在中年階段人體腳型固定，變化程度減弱，并且在鞋子穿著選擇方面多以舒適性材質(zhì)的棉鞋、運動鞋為主，造成對鞋撐產(chǎn)品的使用需求并不強烈。我們選取女青年樣本進行掃描。

自適應腳面輪廓設計、加工實施方案包括4個部分。

（1）通過三維激光掃描儀掃描顧客腳部獲取離散點云數(shù)據(jù)，然后通過三維CAD軟件編輯、整理構建腳部三維數(shù)據(jù)模型。圖4為通過三維掃描形成的原始數(shù)據(jù)（點云）。

（2）通過Pro/E三維設計軟件對采集的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理篩選，構建腳型外輪廓特征曲線（如圖5所示）。

（3）重新構造三維產(chǎn)品數(shù)字化腳掌輪廓模型（如圖6所示）。

（4）按照STL格式傳輸數(shù)據(jù)，通過3D增材打印設備打印出ABS工程塑料材質(zhì)的腳掌模型，并根據(jù)機械支撐裝置前腳掌輪廓外形曲線，修建模型，使其兩者之間外形曲線吻合。

（5）支撐機械裝置只是完成基本力的傳遞，要完成皮鞋內(nèi)側按照預定的方向的作用點擴張，還需要在前腳掌腳模分型面裝配3D成型腳型輪廓體。為了便于裝配和固定牢靠，采用工程粘固化樹脂膠粘接，粘固后靜置固化24 h后即可。輪廓體粘固示意圖如圖7所示。

2.3 工藝方法可行性研究

為了驗證3D打印所用ABS材料成型后表面質(zhì)量和綜合機械性能，可以預先打印制作局部試驗件用于檢測該材質(zhì)的綜合機械性能是否滿足使用要求。按照力傳遞的路徑，用試驗件完成工藝可行性的前期試驗驗證。

3 項目解決的關鍵技術及達到的技術指標

3.1 關鍵技術解決情況

（1）通過三維激光掃描儀掃描顧客腳部獲取離散點云數(shù)據(jù)，設計動態(tài)人體腳步關鍵觸點數(shù)據(jù)模型（如圖8所示）。

（2）3D打印設備熔絲材料的選擇、成型工藝穩(wěn)定性和成型產(chǎn)品的表面質(zhì)量等。

（3）設計滿足高強度和低成本要求的3D打印部件的結構模型（如圖9所示）。

（4）設計3D打印腳型輪廓模型與前腳掌機械裝置間的粘接組合裝配技術。通過切割、電磨使3D打印腳型輪廓模型與前腳掌機械裝置間曲面基本契合，使用粘合劑粘合兩個部件，完成最終產(chǎn)品——“腳知道”組合自適應式鞋撐（如圖10所示）。

3.2 達到的技術指標

按照課題研究預期設計指標，基本滿足不同人群的腳型數(shù)據(jù)采樣、實體成型、鞋樣微撐的技術解決途徑，尤其是滿足特性腳樣的自適應皮鞋穿著舒適的功能要求。同時，根據(jù)目前市場了解調(diào)研情況，將此技術應用到人體局部外形制作領域，具有開拓性嘗試，市場前景廣闊[4]。

4 軍民融合技術轉(zhuǎn)化成果應用

4.1 3D打印技術在軍用領域的應用

3D打印技術的概念產(chǎn)生于19世紀末的美國，主要目的是為了實現(xiàn)產(chǎn)品“快速成型”，摒棄傳統(tǒng)的“減材”加工帶來的一些缺陷。我國在這項前沿技術的研究起步較晚，早期主要集中在清華大學、西安交通大學等重點高校建立相關的實驗室，同時航天科工飛航技術研究院、中航工業(yè)材料研究院等航天航空技術科研院所開展對產(chǎn)品的試驗性應用研究[5]。

4.2 軍轉(zhuǎn)民技術應用的可行性

當前，3D打印技術在軍工行業(yè)得到廣泛應用，同時應該看到該技術廣泛的應用領域和前景。黨的十八大以來，國家將軍民融合提升到一個戰(zhàn)略高度對待，各地為軍民融合高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展開通綠色通道。各省市通過劃撥固定資金、申請專項經(jīng)費等方式，為軍民融合產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供經(jīng)費支持，支持軍民融合高技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。作為科技工作者應該借勢而為，結合自身的專業(yè)知識和對市場調(diào)研需求，開展可行性軍轉(zhuǎn)民技術研究課題。通過市場的資本化帶動軍轉(zhuǎn)民技術的規(guī)?；?，實現(xiàn)利益最大化的社會經(jīng)濟價值[6]。

4.3 本產(chǎn)品軍轉(zhuǎn)民技術分析

本課題是在經(jīng)過對軍轉(zhuǎn)民技術可行充分論證后開展的項目實施。對標該技術的特點，有針對性地選取適合3D打印成型的產(chǎn)品，同時調(diào)研統(tǒng)計了目前市場上對女性皮鞋穿著舒適度的需求，認為通過引進3D打印技術可以快速、精確制作出描述皮鞋與腳掌的配合舒適度自適應鞋撐產(chǎn)品，解決目前女性穿鞋后帶來的困擾。

5 結論

本文緊密圍繞軍民融合技術的轉(zhuǎn)化，尋找軍轉(zhuǎn)民技術的切合點，助力陜西企業(yè)借助“一帶一路”倡議實現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型增效。通過對市場上不同人群腳形調(diào)研、統(tǒng)計、歸類，總結女性人群對腳形與鞋形舒適匹配的功能需求，并采用先進的3D成型設計技術和工藝方法，開發(fā)自適應腳形機械式鞋撐裝置，有效解決女性鞋與腳之間不夠舒適的問題?；?D掃描技術，準確描述個性化人群腳形的輪廓特征曲線，通過數(shù)據(jù)處理，借助3D打印技術完成客戶腳形輪廓取樣，打印成型，快速完成便攜式鞋撐的制作。總之，該技術可以滿足項目的各項技術要求，是一種快速高效的產(chǎn)品設計新方法。

參 考 文 獻

[1]王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]北京兆迪科技有限公司.Pro/ENGINEER中文野火版5.0曲面設計教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3]北京兆迪科技有限公司.Pro/ENGINEER中文野火版5.0高級應用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[4]李元元.機電產(chǎn)品市場營銷學[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5]王毓彤.3D打印材料成型[M].南京：南京師范大學出版社，2016.

[6]辛志杰.3D打印成型綜合技術與實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2021.