IPC分类号：
A43B13/14 | A43B13/20 | B29C64/10 | B33Y80/00 | B29L31/50
国民经济行业分类号：
C1954 | C1953 | C1952 | C1951 | C2444 | C1761 | O8192 | C1959
当前申请(专利权)人地址：
100089 北京市海淀区建材城中路27号13幢一层1017号 (北京,北京,海淀区)
工商统一社会信用代码：
91110108MA019NCT3R
工商注册地址：
北京市海淀区建材城中路27号8幢一层106号
摘要：
本发明公开了一种气囊结构以及该气囊结构应用于鞋底的使用方法以及通过3D打印生产制造气囊以及包含气囊结构的鞋底的制造方法。所述气囊包括顶部，底部以及连接顶部及底部的侧壁，从而形成一个封闭腔体，该气囊内部设有支撑件，至少部分支撑件的边缘与封闭腔体的内壁相连接，该支撑件为三维镂空结构，所述气囊以及支撑件均为弹性材料制成。这种设计使得包含本发明披露气囊结构的鞋底对比现有技术中使用气囊的鞋底结构，能为穿着者提供更强的支撑与回弹。
技术问题语段：
如何将鞋底结构的缓冲性能和反弹特性结合在一起，以实现减震、保护脚部、提供良好回弹力等鞋类整体性能的要求。
技术功效语段：
本发明提供了一种具有气囊的鞋底结构，该鞋底结构具有以下技术效果：首先，气囊内部设有支撑件，使得气囊在受到外部冲击时能够回弹，避免气囊形变过大导致的变形；其次，气囊的封闭腔体具有波纹管结构，可以增加气囊的弹性，提高其回弹能力；最后，鞋底结构中可以包括填充部，使得鞋底具有更好的缓冲支撑和回弹效果。此外，本发明还提供了一种3D打印制造鞋底的方法，该方法可以节约制造成本，实现个性化、定制化的需求，同时避免使用额外的化学粘合剂，实现绿色、环保的理念。
权利要求：
1.一种气囊，其特征在于，所述气囊包括顶部，底部以及连接顶部及底部的侧壁，从而形成一个封闭腔体，该气囊内部设有支撑件，至少部分支撑件的边缘与封闭腔体的内壁相连接，该支撑件为三维镂空结构，所述气囊以及支撑件均为弹性材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种气囊，其特征在于，所述气囊的封闭腔体具有波纹管结构。
3.根据权利要求1所述的一种气囊，其特征在于，所述气囊为圆柱体、长方体、圆锥体、金字塔、棱柱、梯台任一或多种几何形状。
4.根据权利要求1所述的一种气囊，其特征在于，所述气囊的封闭腔体为不规则的几何形状。
5.根据权利要求1所述的一种气囊，其特征在于，所述气囊的侧壁上具有加强筋。
6.根据权利要求1所述的一种气囊，其特征在于，所述支撑件包括多个相同或是不同的相互连接的结构单元，所述结构单元为由多个连接柱及顶点组成的规则或不规则的几何体，所述支撑件的边缘由其中一些结构单元的多个连接柱和/或顶点组成。
7.一种3D打印的鞋底，应用权利要求1-6任一项所述气囊，其特征在于，所述鞋底包括上底面和下底面与气囊，气囊位于上、下底面的中间，所述鞋底同时具有连接上、下底面的侧面从而形成一个鞋底结构，包围中间一个或多个气囊。
8.根据权利要求7所述的一种3D打印的鞋底，其特征在于，所述鞋底结构中还包括填充部，该填充部包覆气囊全部或者部分的表面。
9.根据权利要求8所述的一种3D打印的鞋底，其特征在于，所述填充部为发泡结构。
10.根据权利要求8所述的一种3D打印的鞋底，其特征在于，所述填充部为三维镂空结构，该填充部包括多个相同或是不同的相互连接的结构单元，所述结构单元为由多个连接柱及顶点组成的规则或不规则的几何体。
11.根据权利要求7-10所述的一种3D打印的鞋底，其特征在于，所述鞋底的部分上底面成为气囊的顶部，鞋底的部分下底面成气囊的底部，从而使气囊形成一个封闭腔体。
12.根据权利要求7-11任一所述的一种3D打印的鞋底，其特征在于，所述气囊的尺寸大小随其所在鞋底结构中位置的变化而变化，鞋底结构中不同区域内气囊分布的数量具有不同。
13.根据权利要求7-12任一所述的一种3D打印的鞋底，其特征在于，所述气囊内部气压高于或等于大气压强。
技术领域：
[0003]本发明涉及技术领域为鞋底，特别涉及一种用于鞋底的气囊结构以及通过3D打印生产制造气囊以及包含气囊结构的鞋底的制造方法。
背景技术：
[0004]3D打印是一种快速成型的技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或树脂等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。通过3D打印的先进生产方法实现了使用复杂单元结构制备各种零部件的可能，各种不同的单元结构可以整合入零部件的设计中，实现打印零部件不同的外观和性能的多种可能性。
[0005]特别是将3D打印应用于鞋类制造，免去了原鞋类生产中制模的步骤，大大节省了成本，而且采用弹性材料3D打印的鞋中底其性能也优于普通方式生产的鞋中底。
[0006]鞋类物品的鞋底设计对鞋类的整体性能起到至关重要的作用。理想的鞋底应为穿着者的脚提供支撑和缓冲，并通过减震来保护穿着者活动期间的脚免受冲击力的影响。此外，理想的鞋底应提供良好的回弹力，具有良好的弹性并减少穿着者在动态运动过程中鞋底的能量损失，从而有助于鞋底对于穿着者脚的推进。
[0007]但是鞋底结构的缓冲性能和反弹特性有时可能是互斥的。缓冲所要做的是降低冲击力，令鞋底结构吸收冲击能量，在此情况下，如何将鞋底结构缓冲所吸收的能量即时释放实现反弹的特性是一个难点。所以鞋类制造商一直在尝试研究新材料和新的中底结构，以将两种特性结合在一起。
发明内容：
[0008]本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有良好的支撑能力以及兼具缓冲与反弹特性气囊结构，以及通过3D打印方式制造该鞋底的方法。
[0009]一种气囊，所述气囊包括顶部，底部以及连接顶部及底部的侧壁，从而形成一个封闭腔体，该气囊内部设有支撑件，至少部分支撑件的边缘与封闭腔体的内壁相连接，该支撑件为三维镂空结构，所述气囊以及支撑件均为弹性材料制成。
[0010]上述的技术方案相对于现有技术具有以下优点：由于气囊内部设有支撑件，且气囊本体以及支撑件均为弹性材料制成，当对气囊施加外部冲击时，不仅气囊本体可以利用其内部可压缩性或流动性的流体来实现回弹，而且气囊发生形变的过程中同时支撑件也吸收一定的能量发生形变，并且对气囊本体起到支撑作用，避免气囊本体形变过量，支撑件在形变过程中可暂时存储由外部冲击力带来的能量，当外力消失时，支撑件复位并对于气囊本体的回弹起到一定的推动作用，使得气囊整体能够实现传递、储存能量的效果。
[0011]进一步地，所述气囊的封闭腔体具有波纹管结构。
[0012]进一步地，所述气囊为圆柱体、长方体、圆锥体、金字塔、棱柱、梯台任一或多种几何形状。
[0013]进一步地，所述气囊的封闭腔体为不规则的几何形状。
[0014]进一步地，所述气囊的侧壁上具有加强筋。
[0015]进一步地，所述支撑件包括多个相同或是不同的相互连接的结构单元，所述结构单元为由多个连接柱及顶点组成的规则或不规则的几何体，所述支撑件的边缘由其中一些结构单元的多个连接柱和/或顶点组成。
[0016]另外将上述的气囊应用在鞋底上，所述鞋底包括上底面和下底面与气囊，气囊位于上/下底面的中间，所述鞋底同时具有连接上、下底面的侧面从而形成一个鞋底结构，包围中间一个或多个气囊。
[0017]进一步地，所述鞋底结构中还包括填充部，该填充部包覆气囊全部或者部分的表面。
[0018]进一步地，所述填充部为发泡结构。
[0019]进一步地，所述填充部为三维镂空结构，该填充部包括多个相同或是不同的相互连接的结构单元，所述结构单元为由多个连接柱及顶点组成的规则或不规则的几何体。
[0020]进一步地，所述鞋底的部分上底面成为气囊的顶部，鞋底的部分下底面成气囊的底部，从而使气囊形成一个封闭腔体。
[0021]该鞋底相对于现有技术制造的鞋底相比具有以下优点：气囊本身可提供初始的缓冲支撑，并有助于在穿着者的脚撞到地面时减小初始的撞击感。当垂直冲击力增加时，气囊形变使得支撑件收到压力，支撑件同时对气囊起到支撑并防止气囊形变过大导致的变形。除了缓冲支撑外，支撑件在恢复其原始形状时，即在脚开始离开地面时将能量“弹回”到穿戴者的脚上。这种设计使得本发明方案中的鞋底结构对比现有技术中使用气囊的鞋底结构，能为穿着者提供更强的支撑与回弹。
[0022]本发明也公开了通过3D打印方法制造具有上述气囊的鞋底，具体包括以下步骤：
[0023]步骤a：设计鞋底结构，鞋底结构包括气囊部与封闭面，气囊部包括气囊基底与一个或多个未封闭的气囊，其中一个或多个气囊的至少部分外壁与气囊基底连接为一体结构，封闭面可与气囊部粘合从而封闭所有气囊，同时形成一个封闭的鞋底结构。
[0024]步骤b：通过3D打印设备分别打印气囊部与封闭面；
[0025]步骤c：将气囊部与封闭面可选择性的进行清洗；
[0026]步骤d：将封闭面与气囊部覆盖，通过粘合剂或者是3D打印原料自身的粘性进行粘合，使得气囊与鞋底同时封闭。
[0027]步骤e：选择性的，将用于粘合封闭面与气囊部的3D打印原料进行进一步固化。
[0028]进一步地，所述气囊内设有支撑件，至少部分支撑件的边缘与气囊的内壁相连接，所述支撑件为三维镂空结构，该支撑件包括多个相同或是不同的相互连接的结构单元，所述结构单元为由多个连接柱及顶点组成的规则或不规则的几何体。
[0029]进一步地，所述气囊部还包括填充部，所述填充部包覆气囊全部或者部分的表面，该填充部为发泡结构。
[0030]进一步地，所述固化为加热和/或光照的操作。
[0031]进一步地，所述步骤d在封闭加压环境中操作，使得气囊内部压强高于大气压强。
[0032]该3D打印制造鞋底的方法相对于现有技术制造鞋底的方法相比具有以下优点：首先免去了对于传统制鞋行业需要制模的流程，大大节约了制造成本，而且利用计算机软件设计鞋底更加灵活，机动，在符合人体工学的基础上可实现个性化、定制化，而且在气囊部与封闭面粘合上可选择采用3D打印原料，无需使用额外的化学粘合剂，使得整个制造过程以及产品均实现绿色、环保的理念。
具体实施方式：
[0040]下面结合具体实施方式对发明作进一步详细地说明。
[0041]要理解的是，当一个元件被提到在另一元件“上”、“附着到”另一元件上、“连接到”另一元件上、与另一元件“结合”、“接触”另一元件等时，其可以直接在另一元件上、附着到另一元件上、连接到另一元件上、与另一元件结合和/或接触另一元件或也可存在中间元件。相反，当一个元件被提到“直接在另一元件上”、“直接附着到”另一元件上、“直接连接到”另一元件上、与另一元件“直接结合”或“直接接触”另一元件时，不存在中间元件。本领域技术人员还会理解，提到与另一构件“相邻”布置的一个结构或构件可具有叠加在该相邻构件上或位于该相邻构件下的部分。
[0042]空间相关术语，如“下方”、“低于”、“下部”、“上方”、“上部”等在本文中可为易于描述而使用以描述如附图中所示的元件或构件与另外的一个或多个元件或构件的关系。要理解的是，空间相关术语除附图中描绘的取向外还意在包括器件在使用或运行中的不同取向。例如，如果倒转附图中的器件，被描述为在其它元件或构件“下方”或“下面”的元件则将取向在其它元件或构件“上方”。因此，示例性术语“下方”可包括上方和下方的取向两者。器件可以以其它方式取向(旋转90度或其它取向)并相应地解释本文所用的空间相关描述词。类似地，除非明确地另行指示，术语“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等在本文中仅用于解释说明。
[0043]本发明所披露的气囊20外观，如图1所示，单个气囊20包括顶部21，底部23以及连接顶部21及底部23的侧壁22，从而形成一个封闭腔体，该气囊20内部设有支撑件24(该图中未显示)，至少部分支撑件24的边缘与封闭腔体的内壁相连接，该支撑件24为三维镂空结构，所述气囊20以及支撑件24均为弹性材料制成，使得气囊20以及支撑件24在外力作用下均可以发生形变；当外力撤离时，气囊20以及支撑件24均可复原为本来形状。支撑件24边缘与气囊20内壁相连接并不限定该连接是固定的，支撑件24与气囊20是可以相对移动的。在一些实施例中，支撑件24与气囊20为一体结构，可以由3D打印的方法一体成型。
[0044]在一些实施例中，气囊20内部的压力可以在1-1.5个大气压的范围内。在一些实施例中，可以是空气填充气囊20的内部空间。在其他实施例中，也可以是其他内部气体填充气囊20，例如，氮气或惰性气体。
[0045]有关于如何实现气囊20的回弹、减震：由于气囊20本体以及支撑件24均为弹性材料制成，均可发生形变，当对气囊20施加外部冲击时，不仅气囊20本体可以利用其内部可压缩性或流动性的流体来实现回弹，而且气囊20发生形变的过程中同时支撑件24也吸收一定的能量发生形变，并且对气囊20本体起到支撑作用，避免气囊20本体形变过量，支撑件24在形变过程中可暂时存储由外部冲击力带来的能量，当外力消失时，支撑件24首先复位并对与气囊20本体的回弹起到一定的推动作用，使得气囊20整体能够实现传递、储存能量的效果。
[0046]在一些实施例中，气囊20可以具有任何合适的几何形状，例如图1所示的实施例气囊20呈圆柱形。在一些其他示例气囊20也可以是长方体、圆锥体、金字塔、棱柱、梯台任一或多种几何形状。在其他实施例中，气囊20的形状也可以具有是不规则的几何形状。图2所示的气囊20的一个实施例中，气囊20的封闭腔体具有波纹管结构，使得气囊20形变的范围更大。在图2所示的实施例中，侧壁22上的突起是尖的，在其他实施例中，这些突起可以是圆形的。
[0047]在一些实施例中，气囊20内部的支撑件24为三维镂空结构，如图4所示，支撑件24包括多个相同或是不同的相互连接的结构单元，所述结构单元为由多个连接柱及顶点组成的规则或不规则的几何体，所述支撑件的边缘由其中一些结构单元的多个连接柱和/或顶点组成。规则几何体可以包括但不限于四面体，八面体，二十面体，立方体，长方体，十二面体，内侧菱形三面体等，至少部分支撑件的边缘与气囊20的封闭腔体的内壁相连接。
[0048]这里需要说明的是，可以通过改变气囊20整体的形状、大小、侧壁厚度以及支撑件24形状、大小，连接柱的直径的值来调节气囊20的性能。另外也可根据气囊20的不同应用场景对上述变量进行调整。
[0049]在一些实施例中，气囊20的侧壁22高度可以在0.5-3cm的范围内。在一些实施例中，底部23或者顶部21的直径可以在0.5-2cm的范围内。在一些实施例中，气囊20的侧壁22的厚度可以在1至8mm的范围内。在一些实施例中，气囊支撑件24的连接柱的直径可以在0.5至6mm的范围内。
[0050]在一些实施例中，气囊20还可以具有改善其机械强度的加强结构。例如，图3所示的气囊20在侧壁22的外表面上具有加强筋25。这里需要说明的是，加强筋25也可以设置在侧壁22的内部。在气囊的生产实施例中，气囊20和加强筋25可以是整体结构，由3D打印的生产方法一体成型。
[0051]关于气囊20的应用，将气囊20固定在物品的受力区域内，该物品受到压力传递给气囊20，在外力作用下气囊20与其内部的支撑件24同时或依次发生形变，当外力消失后支撑件24与气囊20本体同时或依次复原。将上述的气囊20应用在鞋底10上，如图5所示，所述鞋底10结构中设置气囊20以提升鞋底10的缓冲、回弹性能。
[0052]本发明披露一种具有气囊20的鞋底10，如图5所示，所述鞋底10包括上底面和下底面与气囊20，气囊20位于上、下底面的中间，所述鞋底10同时具有连接上、下底面的侧面从而形成一个封闭的鞋底10结构，包围中间一个或多个气囊20。
[0053]在一些实施例中，所述鞋底10结构中还包括填充部，该填充部在鞋底10的上、下表面之间填充多个气囊20之间的空隙，且对气囊20起到限位作用，根据气囊20位置的不同，气囊20表面可以是完全被填充部包覆(位于鞋底10结构中央位置的气囊20)，或者气囊20表面的部分被填充部包覆(例如位于鞋底10结构边缘位置的气囊20)。
[0054]在一些实施例中，所述填充部为发泡结构，由传统的发泡材料制成，例如聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、苯乙烯-丁二-苯乙烯共聚物(SBS)、聚氨酯(PU)等。在一些其他实施例中，所述填充部为三维镂空结构，该填充部包括多个相同或是不同的相互连接的结构单元，所述结构单元为由多个连接柱及顶点组成的规则或不规则的几何体。规则几何体可以包括但不限于四面体，八面体，二十面体，立方体，长方体，十二面体，内侧菱形三面体等。需要说明的是，填充部中的结构单元与气囊20中的支撑件24中的结构单元结构/形状可以相同，但是整体大小和连接柱的直径不同。在另一些实施例中，填充部中的结构单元与气囊20中的支撑件24中的结构单元结构/形状也可以不同。填充部的三维镂空结构与气囊以及鞋底均为弹性材料制成，可以由3D打印技术一体成型。
[0055]在一些实施例中，所述鞋底10中的部分气囊20是通过与鞋底上/下底面组合形成的封闭腔体，例如鞋底10的部分上底面成为气囊20的顶部21，或者鞋底10的部分下底面成气囊20的底部23，从而使气囊20形成一个封闭腔体。
[0056]由于鞋底10不同区域在使用时所受到的压力大小不同，为了更好地提升鞋底10的性能，在一些实施例中，在鞋底10的不同位置的设置不同几何形状/尺寸的气囊20，如图5中示出的鞋底。在图5中，鞋底10的气囊基底11上设有四个不同形状/尺寸的气囊20。这四个气囊20可以具有不同的形状，不同的体积，不同的高度，不同的内部支撑结构，以适合于所处鞋底10不同位置的形状以及厚度。这些气囊20之间的差异可以被设计为提供不同的缓冲和回弹效果。此类鞋底也可以使用不同设计的气囊20进行定制，以最适合穿着者的喜好和用法。定制可以考虑穿戴者脚部形状以及穿戴者的运动习惯(足部发力点的区别)。
[0057]在一些实施例中，具有不同形状/尺寸的气囊20在其内部空间中的支撑结构也不相同。在一些实施例中，鞋底10结构可区分为脚掌部、足弓部和后跟部，由于鞋底10在使用过程中，脚掌部与后跟部所受到的压力较大，所以需要增强该区域的减震、回弹性能。如图5所示，集中在脚掌部和后跟部区域内设置气囊20(数量分布上较多，体积较大)，而且在脚掌部和后跟部区域内的气囊20侧壁22可适当加厚，气囊20内部支撑件24的连接柱的直径也可适当加粗，以提高其减震、回弹性能。
[0058]气囊20本身可提供初始的缓冲支撑，并有助于在穿着者的脚撞到地面时减小初始的撞击感。当垂直冲击力增加时，气囊20形变使得支撑件24收到压力，支撑件24同时对气囊20起到支撑并防止气囊20形变过大导致的变形。除了缓冲支撑外，支撑件24在恢复其原始形状时，即在脚开始离开地面时将能量“弹回”到穿戴者的脚上。这种设计使得本发明方案中的气囊对比现有技术中使用于鞋底的气囊，能为穿着者提供更强的支撑与回弹。
[0059]本发明披露的气囊可以由任意适合的3D打印方法制造，其中3D打印方法可以包括光固化成型的打印方式，熔融沉积成型的打印方式或激光烧结成型的打印方式。
[0060]具有气囊的鞋底的制造方法，可以分为两种，其区别即气囊是否可独立形成封闭腔体。
[0061]在一些实施例中，气囊独立形成封闭腔体，可通过3D打印一体式制造单独的气囊，然后将气囊与鞋底结构通过粘合/镶嵌的方法固定。例如，在一些实施例中，首先设计鞋底整体结构(将气囊在鞋底上的位置确定)，制造鞋底模具，然后分别制造气囊以及鞋底，将鞋底10通过发泡材料制成，气囊通过3D打印一体式制造，最后将气囊固定在鞋底上。
[0062]在一些实施例中，气囊并不是独立形成封闭腔体，而是和其应用的鞋底为一体式结构，本发明披露一种利用光固化3D打印将气囊与鞋底结构一体成型的制造方法，如图6所示，具体的步骤包括：
[0063]步骤a、设计鞋底结构，鞋底结构包括气囊部与封闭面，气囊部包括气囊基底与一个或多个未封闭的气囊，其中一个或多个气囊的至少部分外壁与气囊基底连接为一体结构，封闭面可与气囊部粘合从而封闭所有气囊，同时形成一个封闭的鞋底结构(本领域技术人员可以在Rhino、Grasshopper、Solidworks、Catia或UG等软件中制作所述三维模型)；
[0064]步骤b：通过3D打印设备分别打印气囊部与封闭面；
[0065](可选的)步骤c：将气囊部与封闭面进行清洗；
[0066]步骤d：将封闭面与气囊部覆盖，通过粘合剂或者是3D打印原料自身的粘性进行粘合，使得气囊与鞋底同时封闭。
[0067](可选的)步骤e：将用于粘合封闭面与气囊部的3D打印原料进行进一步固化。
[0068]在一些实施例中，在步骤a中对于制作的三维模型添加打印支撑结构(由于本发明披露的鞋底可以使用光固化3D打印技术打印，在约束液面式(bottom-up)类型光固化3D打印技术中，打印件为逐层成型，光固化由树脂料槽底部开始，每完成一层固化，成型台携带已固化的打印件向上移动一层的高度，整个打印过程需要成型台不断向上运动，附着在成型台上的打印件会受到重力以及未固化液体(如光敏树脂)的影响，成型台在每层打印完成向上移动的过程中都可能使得打印件产生晃动，甚至造成打印的偏差。在光固化3D打印的材料为弹性体材料时，成型台向上移动而造成的打印件晃动问题会尤为凸出。因此对于此类弹性材料的光固化3D打印，打印过程中的支撑结构尤为重要。中国专利申请CN201910735447.6和CN201910736413.9中公布的支撑结构的设计以及移除方法均可适用于本专利