一种多结构3d打印矫形鞋垫的制作方法
阅读说明：本技术 一种多结构3d打印矫形鞋垫的制作方法 (Method for manufacturing multi-structure 3D printing orthopedic insole ) 是由 阿依夏穆姑力·穆合塔尔 杨义浒 林峰 朱澍 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多结构3D打印矫形鞋垫的制作方法,包括以下步骤：获取个人足部三维数据,建立足部三维模型和确定足底的三维曲面；根据得到的相关数据确定足型并将足底分区,且将鞋垫一样对应分成相同数量的制作区域；根据压力数据和足型来确定鞋垫中对应的各制作区域所使用的制作材料、制作结构和密度；根据足部三维模型和足底的三维曲面生成鞋垫结构模型；将鞋垫结构模型导入3D打印机中,根据鞋垫结构模型和鞋垫各制作区域所使用的制作材料、制作结构和密度,按各制作区域的次序打印出鞋垫。本发明根据每个人的足部形状、不同病状的足型以及压力分布情况,对鞋垫不同区域进行局部材料性能的个性化调节,使鞋垫可适应各种足型进行个性化定制。(The invention discloses a method for manufacturing a multi-structure 3D printing orthopedic insole, which comprises the following steps: acquiring personal foot three-dimensional data, establishing a foot three-dimensional model and determining a three-dimensional curved surface of a sole; determining foot shape according to the obtained related data, dividing the sole into regions, and correspondingly dividing the insole into the same number of manufacturing regions; determining the manufacturing materials, manufacturing structures and densities used in corresponding manufacturing areas in the insole according to the pressure data and the foot shape; generating an insole structure model according to the three-dimensional foot model and the three-dimensional curved surface of the sole; and (3) importing the insole structure model into a 3D printer, and printing the insole according to the sequence of each manufacturing area according to the manufacturing materials, the manufacturing structures and the densities used by the insole structure model and each manufacturing area of the insole. According to the foot shape, the foot shape with different symptoms and the pressure distribution condition of each person, the invention carries out personalized adjustment on the local material performance of different areas of the insole, so that the insole can adapt to various foot shapes for personalized customization.)
技术领域
本发明涉及3D打印技术及矫正鞋垫制造技术领域，尤其涉及一种多结构3D打印矫形鞋垫的制作方法。
背景技术
足是人体运动系统的重要组成部分，足部疾病及损伤成为困扰人们的问题，矫正鞋垫能够有效治疗及预防足部疾病及损伤风险，已成为物理矫正的主要手段。
当前市面上的鞋垫多为模具制造，但每个人的脚都不同，模具加工难以做到针对个人个性化定制。现有的定制鞋垫主要有传统石膏模型制作和计算机辅助设计与制作两种模式。传统石膏模型制作是通过使用石膏绷带手工取出脚部模型，翻模修型，高温板材或EVA加热成型，并最终打磨成品。但是传统方式制作时间长，操作环境粉尘多，需要大量经验；另一种是计算机辅助设计与制作方式、也就是通过减材制造，将块状塑胶材料雕刻而成，加工废料多，噪音大，粉尘多；以上两种加工方法一般都为单种材料加工，难以根据客户的不同病症和制作需求来调节鞋垫各个位置的硬度。
3D打印技术是一种快速成型增材制造技术，它根据三维模型数据，通过叠加堆积式制造工序，逐层自动打印与模型完全一致的三维实体结构。3D打印作为一种新兴的加工工艺，摆脱模具制造，能够实现每次制造的产品都不一样，并且有着设备结构简单、生产环境良好、可制造复杂结构等优点，非常适合制造人工穿戴类产品的个性化定制。
人的脚由骨骼、韧带、肌肉、肌腱构成。在人站立、行走和运动的时候，脚担负着支撑和平衡身体的重任。鞋垫是鞋的主要部件—内底，鞋垫和脚紧密接触，主要功能有：改善鞋内环境、稳定支撑，减轻脚底负荷，固定和保护，下肢长度的补长，预防或矫正畸形，甚至改善肢体功能等。随着人们生活水平的提高与对自身健康及运动需求关注的日益重视，有许多诸如儿童、老人、孕妇、运动员、糖尿病人、扁平足、内外翻足病人等人群对鞋垫有着特殊的个性化要求。
目前鞋垫的个性化定制主要有传统石膏模型制作和计算机辅助设计与制作两种模式。传统石膏模型制作通过手工石膏绷带取模、修型，板材高温成型，最终打磨完成；计算机辅助设计与制作则通过摄像设备扫描获取足部模型，计算机软件设计，最终数控机床加工完成。近年来随着3D打印技术的发展，也逐渐有许多企业和研究机构开展了鞋垫的3D打印制作，鞋垫的3D打印技术较于数控机床的加工技术，更为经济、便捷、高效，而且随着鞋垫的3D打印材料多样化，制作出来的鞋垫性能更具个性化，尽管现有技术中有3D打印鞋垫，但是该整个鞋垫的材料和结构基本为同一种，不能针对足底不同区域进行局部材料性能的个性化调节。
发明内容
本发明针对上述现有的技术缺陷，提供一种多结构3D打印矫形鞋垫的制作方法，其根据每个人的足部形状、不同病状的足型以及压力分布情况，对鞋垫不同区域进行局部材料性能的个性化调节，制作出一种定制化并能够满足不同人需求的3D打印矫形鞋垫。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多结构3D打印矫形鞋垫的制作方法，包括以下步骤：
S1、通过三维扫描仪获取个人足部三维数据，包括脚掌的长度和宽度，建立足部三维模型和确定足底的三维曲面；
S2、通过压力测试仪获取个人足部的压力数据，根据压力数据结合步骤S1中得到的足部三维数据确定足型并将足底分区，且将所需制作的鞋垫跟足底分区一样对应分成相同数量的制作区域；
S3、根据足底各区的压力数据和足型来确定鞋垫中对应的各制作区域所使用的制作材料、制作结构和密度；
S4、根据足部三维模型和足底的三维曲面生成鞋垫结构模型；
S5、将鞋垫结构模型导入多喷头熔融沉积的3D打印机中，在每一喷头中分别装入制作鞋垫的不同材料或相同材料，根据鞋垫结构模型和鞋垫各制作区域所使用的制作材料、制作结构和密度，使用相应喷头上的鞋垫材料按各制作区域的次序打印出鞋垫。
进一步的，步骤S2中，根据压力数据来分析足部的健康状况，以此确定足型，并根据足型将足底分为至少两个区域。
进一步的，步骤S2和S3中，当足型为扁平足时，将足底和鞋垫均对应分为两个区域，包括足弓内侧和除了足弓内侧以外的其它区域；在鞋垫的足弓内侧采用50％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A，而其它区域采用25％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A。
进一步的，步骤S2和S3中，当足型为足跟不稳患者时，将足底和鞋垫均对应分为三个区域，包括后跟杯U型区域、足跟内侧和除了上述两者以外的其它区域；在鞋垫的后跟杯U型区域处采用50％填充率的蜂窝结构且制作材料为TPU95A，足跟内侧采用100％填充率的蜂窝结构且制作材料为TPU95A，而其它区域采用30％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPE。
进一步的，步骤S2和S3中，当足型为爪形足时，将足底和鞋垫均对应分为三个区域，包括跖骨垫区域、减去拇指部分的分指垫区域和除了上述两者以外的其它区域；在鞋垫的跖骨垫区域和分指垫区域均采用50％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPE，而其它区域采用25％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A。
进一步的，步骤S2和S3中，当足型为跟骨骨刺、前足痛或糖尿病足时，将足底和鞋垫均对应分为三个区域，包括横弓区域、足跟区域和除了上述两者以外的其它区域；在鞋垫的横弓区域采用20％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A，足跟区域采用30％填充率的菱形结构且制作材料为TPU95A，而其它区域采用30％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A。
进一步的，所述蜂窝结构为层叠的多层蜂窝状结构，其每层均制成蜂窝状并依次层叠。
进一步的，所述菱形结构为层叠的多层菱形网格状结构，其第一和第二层的线条交叉形成菱形的网格，以第一和第二层的线条布局依次重复层叠，形成多层纵横交错的菱形网格状结构。
进一步的，所述高密度弹性结构为层叠的多层正方形网格状结构，其第一和第二层的线条交叉形成正方形网格状，第三层和第四层线条的交点位于第一和第二层线条所形成的方框中间，以第一到第四层的线条布局依次重复层叠，形成多层纵横交错的正方形网格状结构。
进一步的，相邻区域连接处的厚度和打印材料的层叠层数相同，在相邻区域连接处的每层均设置有连接两区域的衔接墙，且相邻两层的衔接墙交错设置。
进一步的，步骤S4中，根据足部三维模型和足底的三维曲面并结合标准鞋垫的制作数据生成鞋垫结构模型。
本发明具有以下有益效果：
本发明中方法根据每个人的足部形状、不同病状的足型以及压力分布情况，先将足底分区，并将所需制作的鞋垫跟足底分区一样对应分成相同数量的制作区域，再根据足底各区的压力数据来确定鞋垫中对应的各制作区域所使用的制作材料、制作结构和密度，在后期3D打印出鞋垫时根据鞋垫各区域的材料、结构和密度依次打印出来，从而通过采用不同结构、不同材料和/或不同密度的方式来改变鞋垫各区域的局部软硬度，实现了对鞋垫不同区域进行局部材料性能的个性化调节，制作出一种定制化并能够满足不同人需求的3D打印矫形鞋垫，以此使鞋垫可适应各种足型进行个性化定制。
另外本发明的3D打印矫形鞋垫由多喷头熔融沉积的3D打印系统制作而成，具有经济、便捷和高效的特点，也便于鞋垫各区域之间在打印时的材料切换。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为实施例的具体例子1中的分区示意图；
图2为实施例的具体例子2中的分区示意图；
图3为实施例的具体例子3中的分区示意图；
图4为实施例的具体例子4中的分区示意图；
图5为实施例中相邻区域连接处的局部剖视图。
具体实施方式
为了更充分的理解本发明的技术内容，下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步介绍和说明；需要说明的是，正文中如有“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的部件等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例所示的一种多结构3D打印矫形鞋垫的制作方法，包括以下步骤：
a、通过三维扫描仪获取个人足部三维数据，包括脚掌的长度和宽度，建立足部三维模型和确定足底的三维曲面；
b、通过压力测试仪获取个人足部的压力数据，根据压力数据结合步骤a中得到的足部三维数据确定足型并将足底分区，且将所需制作的鞋垫跟足底分区一样对应分成相同数量的制作区域；具体的，根据压力数据可分析出足部的健康状况，以此确定出其是具有哪种足部疾病的足型，并根据足型将足底分为至少两个区域；
c、根据足底各区的压力数据和足型来确定鞋垫中对应的各制作区域所使用的制作材料、制作结构和密度；
d、根据足部三维模型和足底的三维曲面生成鞋垫结构模型；在一具体实施例中，其还可以根据足部三维模型和足底的三维曲面并结合标准鞋垫的制作数据来生成鞋垫结构模型，该标准鞋垫的数据为在常规技术中制作鞋垫时各区域的厚度等；
e、将鞋垫结构模型导入多喷头熔融沉积的3D打印机中，在每一喷头中分别装入制作鞋垫的不同材料或相同材料，根据鞋垫结构模型和鞋垫各制作区域所使用的制作材料、制作结构和密度，使用相应喷头上的鞋垫材料按各制作区域的次序打印出鞋垫；具体的，熔融沉积的3D打印工艺是通过将材料加热从喷头中的喷嘴挤出，冷却堆叠成型的一种增材制造技术，其挤出为线状熔融物，能够短时间固化，堆叠过程中在不同区域中采用的打印材料通过接触而热熔粘接，未接触的部分可实现悬空搭桥。
依据上述方法的具体制作例子1：
当通过压力数据结合足部三维数据确定足型为扁平足时，扁平足患者通常有内足弓塌陷情况需要给予较大强度的支撑，即在内足弓区域给予相对其它区域更强的支撑材料，从而将足底和鞋垫均对应分为两个区域，具体包括足弓内侧1和除了足弓内侧以外的其它区域(如图1所示)，并在鞋垫的足弓内侧采用50％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A，而其它区域采用25％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A，利用更高的密度提供更高的硬度，从而在足弓内侧施加力的区域用TPU95A材料使足弓内侧区域更加坚硬，进而使足弓处于正常力线状态。
普通3D打印填充结构为正方形网格状，需要打印较短的线间距才能达到不硌脚的效果，但同时会增加材料成本和时间成本，并且各层之间无间距，导致纵向无法具有弹性结构；而该实施例中的高密度弹性结构为层叠的多层正方形网格状结构，其第一和第二层的线条交叉形成正方形网格状，即次层线条与首层成垂直排列，具体为每层线条在单一方向延伸，相邻层线条的延伸方向相互垂直，第三层和第四层线条的交点位于第一和第二层线条所形成的方框中心，以第一到第四层的线条布局依次反复层叠，形成多层纵横交错的正方形网格状结构，实现更少加工时间和更少材料的前提下，网格密度更高，避免了硌脚的问题。
依据上述方法的具体制作例子2：
当通过压力数据结合足部三维数据确定足型为足跟不稳患者时，将足底和鞋垫均对应分为三个区域，包括后跟杯U型区域2、足跟内侧3和除了上述两者以外的其它区域(如图2所示)；在鞋垫的后跟杯U型区域处采用50％填充率的蜂窝结构且制作材料为TPU95A，足跟内侧采用100％填充率的蜂窝结构且制作材料为TPU95A，而其它区域采用30％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPE；TPE具有高弹性、高柔软度和轻便的特点，TPU95A相比TPE，具有更高的硬度，足跟不稳患者在鞋垫后跟杯U型区域用TPU95A材料蜂窝结构来稳固足跟；在足跟内侧施加力的区域用TPU95A材料使足跟内侧区域更加坚硬、进而使足跟处于正常力线状态。
普通3D打印填充结构为正方形网格状，需要打印较短的线间距才能达到不硌脚的效果，但同时会增加材料成本和时间成本，并且各层之间无间距，导致纵向无法具有弹性结构；而该实施例中的高密度弹性结构为层叠的多层正方形网格状结构，其第一和第二层的线条交叉形成正方形网格状，即次层线条与首层成垂直排列，具体为每层线条在单一方向延伸，相邻层线条的延伸方向相互垂直，第三层和第四层线条的交点位于第一和第二层线条所形成的方框中心，以第一到第四层的线条布局依次反复层叠，形成多层纵横交错的正方形网格状结构，实现更少加工时间和更少材料的前提下，网格密度更高，避免了硌脚的问题。
蜂窝结构为层叠的多层蜂窝状结构，其每层均制成蜂窝状并依次层叠，蜂窝结构既可以提升鞋垫的透气性、轻便型，也可以起到很好的稳固作用。
依据上述方法的具体制作例子3：
当通过压力数据结合足部三维数据确定足型为爪形足时，爪形足是指趾间关节屈曲挛缩，跖趾关节过伸，足趾缩成爪形形状；从而将足底和鞋垫均对应分为三个区域，包括跖骨垫区域4、减去拇指部分的分指垫区域5和除了上述两者以外的其它区域(如图3所示)；在鞋垫的跖骨垫区域和分指垫区域均采用50％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPE，而其它区域采用25％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A；在3D打印鞋垫结构上跖骨垫和分指垫区域使用高弹性的TPE柔性材料，并使四趾垫高与脚拇指区分开来，横弓托起减少，其余区域用TPU95A材料用柔软的或中等密度制作，重新平均分布足的负重使之与脚部全面接触。
普通3D打印填充结构为正方形网格状，需要打印较短的线间距才能达到不硌脚的效果，但同时会增加材料成本和时间成本，并且各层之间无间距，导致纵向无法具有弹性结构；而该实施例中的高密度弹性结构为层叠的多层正方形网格状结构，其第一和第二层的线条交叉形成正方形网格状，即次层线条与首层成垂直排列，具体为每层线条在单一方向延伸，相邻层线条的延伸方向相互垂直，第三层和第四层线条的交点位于第一和第二层线条所形成的方框中心，以第一到第四层的线条布局依次反复层叠，形成多层纵横交错的正方形网格状结构，实现更少加工时间和更少材料的前提下，网格密度更高，避免了硌脚的问题。
依据上述方法的具体制作例子4：
当通过压力数据结合足部三维数据足型为类似跟骨骨刺、前足痛或糖尿病足时，将足底和鞋垫均对应分为三个区域，包括横弓区域6、足跟区域7和除了上述两者以外的其它区域(如图4所示)；在鞋垫的横弓区域采用20％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A，足跟区域采用30％填充率的菱形结构且制作材料为TPU95A，而其它区域采用30％填充率的高密度弹性结构且制作材料为TPU95A。
上述中，根据压力分布情况在鞋垫不同区域通过使用同种材料不同结构硬度，从而实现压力的均匀分布。例如糖尿病患者一生中发生糖尿病足溃疡的风险为15％-20％，糖尿病足是目前非创伤性下肢截肢的主要原因。3D打印个性化定制鞋垫是糖尿病足的重要预防和治疗手段，通过矫形鞋垫可以大大降低因糖尿病周围神经和血管损伤而发生足部皮肤破溃、感染甚至截肢的发生率；压力异常增大，是导致足溃疡最直接和最关键的因素，而检测患者足底压力分布根据压力峰值在适当区域进行免荷减压处理。
普通3D打印填充结构为正方形网格状，需要打印较短的线间距才能达到不硌脚的效果，但同时会增加材料成本和时间成本，并且各层之间无间距，导致纵向无法具有弹性结构；而该实施例中的高密度弹性结构为层叠的多层正方形网格状结构，其第一和第二层的线条交叉形成正方形网格状，即次层线条与首层成垂直排列，具体为每层线条在单一方向延伸，相邻层线条的延伸方向相互垂直，第三层和第四层线条的交点位于第一和第二层线条所形成的方框中心，以第一到第四层的线条布局依次反复层叠，形成多层纵横交错的正方形网格状结构，实现更少加工时间和更少材料的前提下，网格密度更高，避免了硌脚的问题。
菱形结构为层叠的多层菱形网格状结构，其第一和第二层的线条交叉形成菱形的网格，以第一和第二层的线条布局依次重复层叠，形成多层纵横交错的菱形网格状结构；即其每层的线条均是单向延伸设置，是一种首层与次层线条呈非垂直方向层叠，其余层次与首层次层打印方式交替循环打印的结构，例如相邻层之间的线条夹角为40°，相比普通的方形结构，能够在固定方向更具延展性，可以使鞋垫沿着特定的方向进行弯曲延展，鞋垫的屈伸方向将影响足部沿正确的方向屈伸，达到缓解疼痛及矫正的效果。
上述的各个具体例子中，同时因鞋垫各位置的厚度不一，其所打印的层数也会不一致，各层之间存在悬空搭桥的线条，并且在制作中一般使相邻的制作区域连接处的厚度和打印材料的层叠层数相同，在相邻区域连接处的每层均设置有连接两区域的衔接墙8，作为粘接点，衔接墙连接两区域填充线条的端点，起到防止区域网格松散的目的，且相邻两层的衔接墙交错设置(如图5所示)，即各层之间的粘接点错开分布，形成两区域之间的齿形咬合，一方面可以提升区域之间的粘接力，另一方面可以使其受到纵向压力时，更具弹性，使打印结构具有高弹性，避免衔接处的硌脚问题。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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