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”直接用于專業化的工業設計和生產。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。經過20多年的摸索試驗，該技術已經在航空、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略意義的提升，一些可以市場化、產業化、資本化的軍用技術逐漸轉化為民用技術，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。“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新產品。該產品通過科學的腳部分區、姿態定位，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 產品指標要求

產品設計應便于工程制造，外形美觀簡潔;材料選取應符合環保要求，無毒無害;制造成本應經濟;產品重量應輕質化，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，使皮革鞋面產生長時間彈性變形。

1.3 關鍵技術

本產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，主要研究內容如下：撐漲機械裝置設計和3D環境自適應腳型的輪廓成型準確描述。通常，皮鞋內腔的空間狹窄，機構裝配后進入內腔人工調整困難，必須完全依靠機械裝置一次調整到位，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。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品，因此在生產上可以實現結構優化、節約材料和節省能源。3D打印技術適合于新產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、裝配干涉檢查和產品逆向工程研究等。因此，3D打印產業受到國內外越來越廣泛的關注，將成為下一個具有廣闊發展前景的朝陽產業[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新產品。該產品通過科學的腳部分區、姿態定位，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據進行修整、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，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，在前腳支撐內腔溝槽中運動，球面與喇叭形溝槽的接觸，迫使球體對內腔側壁有擠壓作用，達到將螺桿軸向力轉化為前腳支撐內腔體的橫向的張力運動。皮鞋內側的接觸面具有一定的硬度，通過接觸面之間的撐力驅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。自適應前腳掌腳模考慮結構的體積較大，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設計制作，采用輕質且具有一定硬度的ABS工程塑料制作比較經濟。通過注塑成型工藝完成內部型腔和外曲面的制作。螺桿支撐體采用45號碳鋼材質設計，螺桿端頭通過螺紋與ABS材質的支撐球體連接[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人進行問卷調查。調查數據可知，經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%）。調查表明，目前大多數的人生活中都會用到鞋撐產品，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，經常使用鞋撐的人有56人，在經常使用鞋撐產品這一項分類中占57.14%，位居主導地位，并且18～27歲青年階段中經常使用鞋撐人數在該年齡組中占57.7%，偶爾使用人數有35人，數據也相當可觀。可見，在青年人群中使用鞋撐的人數數量龐大，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品，其中經常使用鞋撐人數有21人，在該年齡組中占40.4%。在38～47歲中年組，鞋撐的不使用人數最多8人，在不使用這一分類中占38.09%，是在所有調查年齡組中不使用鞋撐人數最多的年齡組。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的棉鞋、運動鞋為主，造成對鞋撐產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據，然后通過三維CAD軟件編輯、整理構建腳部三維數據模型。圖4為通過三維掃描形成的原始數據（點云）。

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

（3）重新構造三維產品數字化腳掌輪廓模型（如圖6所示）。

（4）按照STL格式傳輸數據，通過3D增材打印設備打印出ABS工程塑料材質的腳掌模型，并根據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據，設計動態人體腳步關鍵觸點數據模型（如圖8所示）。

（2）3D打印設備熔絲材料的選擇、成型工藝穩定性和成型產品的表面質量等。

（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據采樣、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，根據目前市場了解調研情況，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打印技術的概念產生于19世紀末的美國，主要目的是為了實現產品“快速成型”，摒棄傳統的“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、中航工業材料研究院等航天航空技術科研院所開展對產品的試驗性應用研究[5]。

4.2 軍轉民技術應用的可行性

當前，3D打印技術在軍工行業得到廣泛應用，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略高度對待，各地為軍民融合高技術產業發展開通綠色通道。各省市通過劃撥固定資金、申請專項經費等方式，為軍民融合產業發展提供經費支持，支持軍民融合高技術產業的發展。作為科技工作者應該借勢而為，結合自身的專業知識和對市場調研需求，開展可行性軍轉民技術研究課題。通過市場的資本化帶動軍轉民技術的規模化，實現利益最大化的社會經濟價值[6]。

4.3 本產品軍轉民技術分析

本課題是在經過對軍轉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打印成型的產品，同時調研統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化，尋找軍轉民技術的切合點，助力陜西企業借助“一帶一路”倡議實現企業轉型增效。通過對市場上不同人群腳形調研、統計、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。基于3D掃描技術，準確描述個性化人群腳形的輪廓特征曲線，通過數據處理，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：機械工業出版社，2013.

[4]李元元.機電產品市場營銷學[M].第2版.北京：機械工業出版社，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：化學工業出版社，2021.