IPC分类号：
A43B13/18 | A43B13/14 | A43B13/22 | B33Y80/00 | B29C64/106 | B29C64/386 | B29C64/393 | B33Y10/00 | B33Y50/00 | B33Y50/02 | 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：
中国科学院福建物质结构研究所
原始申请(专利权)人：
中国科学院福建物质结构研究所
当前申请(专利权)人地址：
350002 福建省福州市鼓楼区杨桥西路155号 (福建,福州,鼓楼区)
工商统一社会信用代码：
121000004880831876
发明人：
龙川洲 | 吴立新 | 郑龙辉 | 彭枢强 | 翁子骧
摘要：
本发明涉及一种基于TPMS设计的3D打印鞋底及其设计方法。利用3D打印制件的可设计性，特别对于复杂结构的设计优势，鞋底模型在打印机中一体化成型。鞋底模型采用基于TPMS的单胞晶格，通过填充单元法赋予整个目标鞋底，同时在鞋底侧表面轮廓上设置薄膜。其特点在于保证轻量化、结构化设计目标，提高材料利用率的同时，由于具有连续光滑的整体结构，可以有效避免应力集中，使3D打印鞋底具有良好的支撑性、缓震性和回弹性，侧表面薄膜起到阻挡泥沙碎石，提高鞋底耐久性的作用。参数化的设计可以自由更改鞋底模型的结构和调整体积分数，使鞋底形态多样化满足个性化定制。
技术问题语段：
如何利用3D打印技术设计复杂零件的鞋底结构，并实现鞋底的轻量化和均匀受力，同时避免应力集中和单元破损等问题。
技术功效语段：
本专利方案使用3D打印技术SLA应用于3D打印鞋底，具有以下技术效果：鞋底重量更轻便，材料利用率更高，可达到80％；鞋底表面连续光滑连接且全连通，具有优秀的缓震性和回弹能力；鞋底模型完整性更高，外观和力学性能更好；鞋底侧表面设置等厚度的薄膜，提高耐磨性并防止泥沙碎石进入鞋底内部，提高使用耐久性。填充单元格法生成3D数字模型可以保证鞋底模型完整性，外观和力学性能更好。
权利要求：
1.一种基于TPMS设计的3D打印鞋底，其特征在于，包括：
3D打印鞋底主体，由多个3D打印晶格结构组成，多个3D打印晶格结构由控制周期分布的TPMS曲面组成；生成的3D打印鞋底主体表面上连续光滑且全连通，结构上设计有应力传导路径；
鞋底侧表面薄膜，与3D打印鞋底主体的上、下两个鞋面外轮廓紧密相连，与3D打印鞋底主体结构的单元格外表面完全贴合，曲率变化与晶格外表面相一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底其特征在于，所述3D打印晶格结构由定义厚度的壳体所生成，壳体厚度为1-3mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底其特征在于，所述3D打印鞋底主体采用立体光固化成型法制造。
4.根据权利要求1所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底其特征在于，所述3D打印鞋底主体的生成方法是填充单元格法，通过在上、下两个鞋面之间生成多个有限的不规则六面体单元格，然后在每个单元格内填充设计的TPMS晶格单胞。
5.根据权利要求1所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底其特征在于，所述鞋底侧表面薄膜厚度取1-3mm。
6.采用如权利要求1-5任一所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底的设计方法，其特征在于，
S1、形成TPMS晶格单胞模型：建立基于P型TPMS曲面创建3×3×3壳体结构，取TPMS晶格单胞模型在x,y,z方向上的尺寸分别为lx,ly,lz，单胞周期为kx,ky,kz，P型TPMS曲面的控制方程为：
其中c为等值曲面上的等值参数；通过P型TPMS曲面的控制方程将生成的P型TPMS曲面沿法线方向偏移预定距离形成实体模型，此时的3D数字模型即为TPMS晶格单胞模型；
S2、在上、下两个鞋面之间生成多个有限的不规则六面体单元格：
为创建鞋面，根据人体行走的步态，定义一个基本的上、下面的两条光滑曲线，并将两条曲线进行平行拉伸得到上、下两个鞋面；通过上、下两个鞋面与脚底扫描的轮廓线进行布尔求交集，得到最终的上、下两个鞋底曲面；接着设置等分值，对上、下两个鞋面进行等距分割，并利用grasshopper中Twistedbox运算器在上、下两个鞋面间划分扭曲的六面体单元格，将鞋底空间划分为一个个单胞空间；
S3、将P型TPMS晶格单胞模型填充到单元格中：
为确保TPMS晶格单胞模型填入每一个单元格，把设计的TPMS晶格单胞模型固定在外边界立方体中，由于TPMS晶格单胞模型在立方体的任意两个相对面上一一对应，所以填充后的模型是连续的完整实体；
S4、根据上、下鞋面以及单元格侧表面轮廓，对鞋底侧表面生成预定厚度的薄膜，薄膜在上、下两个鞋面完全相交，在外轮廓完全贴合，与整个鞋底一体成型。
7.采用如权利要求1-5任一所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底的设计方法，其特征在于，
S1、形成TPMS晶格单胞模型：建立基于D型TPMS曲面创建3×3×3壳体结构，取TPMS晶格单胞模型在x,y,z方向上的尺寸分别为lx,ly,lz，单胞周期为kx,ky,kz，D型TPMS曲面的控制方程为：
其中c为等值曲面上的等值参数；通过D型TPMS曲面的控制方程将生成的D型TPMS曲面沿法线方向偏移预定距离形成实体模型，此时的3D数字模型即为TPMS晶格单胞模型；
S2、在上、下两个鞋面之间生成多个有限的不规则六面体单元格：
为创建鞋面，根据人体行走的步态，定义一个基本的上、下面的两条光滑曲线，并将两条曲线进行平行拉伸得到上、下两个鞋面；通过上、下两个鞋面与脚底扫描的轮廓线进行布尔求交集，得到最终的上、下两个鞋底曲面；接着设置等分值，对上、下两个鞋面进行等距分割，并利用grasshopper中Twistedbox运算器在上、下两个鞋面间划分扭曲的六面体单元格，将鞋底空间划分为一个个单胞空间；
S3、将D型TPMS晶格单胞模型填充到单元格中：
为确保TPMS晶格单胞模型填入每一个单元格，把设计的TPMS晶格单胞模型固定在外边界立方体中，由于TPMS晶格单胞模型在立方体的任意两个相对面上一一对应，所以填充后的模型是连续的完整实体；
S4、根据上、下鞋面以及单元格侧表面轮廓，对鞋底侧表面生成预定厚度的薄膜，薄膜在上、下两个鞋面完全相交，在外轮廓完全贴合，与整个鞋底一体成型。
8.采用如权利要求1-5任一所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底的设计方法，其特征在于，
S1、形成TPMS晶格单胞模型：建立基于G型TPMS曲面创建3×3×3壳体结构，取TPMS晶格单胞模型在x,y,z方向上的尺寸分别为lx,ly,lz，单胞周期为kx,ky,kz，G型TPMS曲面的控制方程为：
其中c为等值曲面上的等值参数；通过G型TPMS曲面的控制方程将生成的G型TPMS曲面沿法线方向偏移预定距离形成实体模型，此时的3D数字模型即为TPMS晶格单胞模型；
S2、在上、下两个鞋面之间生成多个有限的不规则六面体单元格：
为创建鞋面，根据人体行走的步态，定义一个基本的上、下面的两条光滑曲线，并将两条曲线进行平行拉伸得到上、下两个鞋面；通过上、下两个鞋面与脚底扫描的轮廓线进行布尔求交集，得到最终的上、下两个鞋底曲面；接着设置等分值，对上、下两个鞋面进行等距分割，并利用grasshopper中Twistedbox运算器在上、下两个鞋面间划分扭曲的六面体单元格，将鞋底空间划分为一个个单胞空间；
S3、将G型TPMS晶格单胞模型填充到单元格中：
为确保TPMS晶格单胞模型填入每一个单元格，把设计的TPMS晶格单胞模型固定在外边界立方体中，由于TPMS晶格单胞模型在立方体的任意两个相对面上一一对应，所以填充后的模型是连续的完整实体；
S4、根据上、下鞋面以及单元格侧表面轮廓，对鞋底侧表面生成预定厚度的薄膜，薄膜在上、下两个鞋面完全相交，在外轮廓完全贴合，与整个鞋底一体成型。
9.根据权利要求6-8任一所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底的设计方法，其特征在于，该方法利用3D设计软件Rhino7.4中的grasshopper插件制作单胞3D打印晶格结构或3D打印鞋底主体数字模型，所采用的制作方法为填充单元格法。
技术领域：
[0001]本发明涉及鞋底设计领域，涉及一种基于TPMS设计的3D打印鞋底及其设计方法。
背景技术：
[0002]3D打印技术作为近几年来发展迅速的新兴技术，又称增材制造技术，是以数字模型文件为基础，用材料的层层相连接来制造物体的工艺。其核心就是将所需成型制件的复杂3D实体通过切片处理转化为简单的2D截面的组合，依据制件的3D计算机辅助设计模型，在3D打印设备上直接成型实体制件。该技术可以实现复杂零件的直接快速成型，缩短传统的铸造和锻造成型的工艺环节，减少工艺消耗，节省大量人力物力，仅需将3D数字模型导入3D打印机，可以使设计师快速地打印出想要的零件，并依据打印的零件对设计做出调整，能够减少研发时间，节省研发成本，最快的实现效益的最大化。
[0003]三周期极小曲面(TriplyPeriodic Minimal Surface,TPMS)是近年来开始兴起的一种贯通的复杂曲面结构，可通过快速设计和修改参数得到特征分布不同、结构多变的多胞TPMS结构。同时，随着3D打印技术的日渐成熟，TPMS结构因具有自支撑性、无尖锐拐角积聚和高比表面积等优点，因此广泛应用于吸能结构、骨支架建模等。
[0004]CN111202306A公开了一种3D打印鞋底的设计方法，通过设置不同密度的支杆结构，由中心点向外延伸筋条到下一个支撑点的方式，逐渐扩展到整个鞋底。得到的鞋底可以根据实际需要控制密度并减轻鞋底重量，但是支杆结构在形态变化上单一，且对于承重的杆件节点处容易出现应力集中，不利于结构均匀受力。CN210988488U公开了一种螺旋极小曲面的鞋底，在缓震吸能上有比较好的性能表现，但是由于其在设计方法上采用将单胞结构在三维空间阵列扩展，然后与目标结构体进行布尔运算，以目标结构作为分割边缘，这样生成的结构体虽然简单快捷，但是缺少可控的设计参数，并且在目标结构体的边缘易出现单元破损导致结构不完整和应力松弛等问题。
发明内容：
[0005]本发明的目的在于改善现有技术的不足，提供一种基于TPMS设计的3D打印鞋底的设计方法，其可以通过鞋底的设计方法计算机生成；本发明的还一个目的是提供一种适用立体光固化成型法的材料；本发明的再一个目的是提供上述基于TPMS鞋底设计方法制备得到的制品。其中，采用所述鞋底的设计方法是基于参数化建模的思想，可以通过改变单元结构的控制参数和尺寸大小，达到改变结构拓扑形态，进而实现制品在宏观性能上的调控变化。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于TPMS设计的3D打印鞋底，包括：
[0007]3D打印鞋底主体，由多个3D打印晶格结构组成，多个3D打印晶格结构由控制周期分布的TPMS曲面组成；生成的3D打印鞋底主体表面上连续光滑且全连通，结构上设计有应力传导路径；
[0008]鞋底侧表面薄膜，与3D打印鞋底主体的上、下两个鞋面外轮廓紧密相连，与3D打印鞋底主体结构的单元格外表面完全贴合，曲率变化与晶格外表面相一致。
[0009]在本发明一实施例中，所述3D打印晶格结构由定义厚度的壳体所生成，壳体厚度为1-3mm。
[0010]在本发明一实施例中，所述3D打印鞋底主体采用立体光固化成型法制造。
[0011]在本发明一实施例中，所述3D打印鞋底主体的生成方法是填充单元格法，通过在上、下两个鞋面之间生成多个有限的不规则六面体单元格，然后在每个单元格内填充设计的TPMS晶格单胞。
[0012]在本发明一实施例中，所述鞋底侧表面薄膜厚度取1-3mm。
[0013]本发明还提供了采用如上述所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底的设计方法，
[0014]S1、形成TPMS晶格单胞模型：建立基于P型TPMS曲面创建3×3×3壳体结构，取TPMS晶格单胞模型在x,y,z方向上的尺寸分别为lx,ly,lz，单胞周期为kx,ky,kz，P型TPMS曲面的控制方程为：
[0015]
[0016]其中c为等值曲面上的等值参数；通过P型TPMS曲面的控制方程将生成的P型TPMS曲面沿法线方向偏移预定距离形成实体模型，此时的3D数字模型即为TPMS晶格单胞模型；
[0017]S2、在上、下两个鞋面之间生成多个有限的不规则六面体单元格：
[0018]为创建鞋面，根据人体行走的步态，定义一个基本的上、下面的两条光滑曲线，并将两条曲线进行平行拉伸得到上、下两个鞋面；通过上、下两个鞋面与脚底扫描的轮廓线进行布尔求交集，得到最终的上、下两个鞋底曲面；接着设置等分值，对上、下两个鞋面进行等距分割，并利用grasshopper中Twistedbox运算器在上、下两个鞋面间划分扭曲的六面体单元格，将鞋底空间划分为一个个单胞空间；
[0019]S3、将P型TPMS晶格单胞模型填充到单元格中：
[0020]为确保TPMS晶格单胞模型填入每一个单元格，把设计的TPMS晶格单胞模型固定在外边界立方体中，由于TPMS晶格单胞模型在立方体的任意两个相对面上一一对应，所以填充后的模型是连续的完整实体；
[0021]S4、根据上、下鞋面以及单元格侧表面轮廓，对鞋底侧表面生成预定厚度的薄膜，薄膜在上、下两个鞋面完全相交，在外轮廓完全贴合，与整个鞋底一体成型。
[0022]本发明还提供了采用如上述所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底的设计方法，区别在于将基于TPMS曲面的晶格替换为D型TPMS晶格，D型TPMS曲面的控制方程为：
[0023]
[0024]
[0025]本发明还提供了采用如上述所述的一种基于TPMS设计的3D打印鞋底的设计方法，区别在于将基于TPMS曲面的晶格替换为G型TPMS晶格，G型TPMS曲面的控制方程为：
[0026]
[0027]在本发明一实施例中，该方法利用3D设计软件Rhino7.4中的grasshopper插件制作单胞3D打印晶格结构或3D打印鞋底主体数字模型，所采用的制作方法为填充单元格法。
[0028]相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0029]1、本方案将3D打印技术SLA应用于3D打印鞋底，由3D数字模型直接生成原型，可视化好、可参数化调整灵活性高、加工速度快、生产周期短且无需切削等二次加工，打印样品只需进行后固化处理即可。鞋底在重量上更加轻便，材料的体积分数可控制在约20％，即与原材料相比，重量和材料利用率可以达到80％。
[0030]2、本方案使用TPMS壳体作为晶格结构单胞，表面连续光滑连接且全连通，避免出现结构的缺陷，且在形态上有优秀的缓震性和回弹性。在满足鞋底支撑强度和结构稳定性的前提下，可以使应力传递更均匀，提高鞋底的缓震能力，同时在多次重复压缩后可恢复原有结构形状，提高鞋底的回弹能力。
[0031]3、本方案使用填充单元格法生成3D数字模型，通过在上、下两个鞋面之间生成多个有限的不规则六面体单元格，然后在每个单元格内填充设计的晶格单胞。相比于传统的根据目标结构轮廓采取布尔切割的方法，保证了鞋底模型的完整性，在外观上和力学性能上有明显提高。同时，扭曲的各个单元格随形于上下鞋面，因此每个单胞的法向与曲面法向相一致，有利于提升受压状况下的力学性能。
[0032]4、本方案在鞋底侧表面设置了等厚度的薄膜，可以提高鞋底整体的耐磨性。同时，可以作为泥沙碎石的挡板，防止其进入晶格鞋底内部，降低了在长期使用过后的鞋底重量并提高了鞋底使用的耐久性。
具体实施方式：
[0041]下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0042]如图1-8所示，本发明一种基于TPMS设计的3D打印鞋底，包括：
[0043]3D打印鞋底主体，由多个3D打印晶格结构组成，多个3D打印晶格结构由控制周期分布的TPMS曲面组成；生成的3D打印鞋底主体表面上连续光滑且全连通，结构上设计有应力传导路径；
[0044]鞋底侧表面薄膜，与3D打印鞋底主体的上、下两个鞋面外轮廓紧密相连，与3D打印鞋底主体结构的单元格外表面完全贴合，曲率变化与晶格外表面相一致。
[0045]本实例中，所述TPMS晶格结构由定义厚度的壳体所生成，壳体厚度为1-3mm。
[0046]本实例中，所述3D打印鞋底采用立体光固化成型法(StereolithographyAppearance，SLA)制造。
[0047]本实例中，所述3D数字模型的生成方法是填充单元格法，通过在上、下两个鞋面之间生成多个有限的不规则六面体单元格，然后在每个单元格内填充设计的TPMS晶格单胞。
[0048]本实例中，所述鞋底侧表面薄膜厚度取1-3mm。
[0049]下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0050]实施例1：
[0051]利用3D设计软件Rhino7.4中的grasshopper插件制作单胞晶格结构或鞋底数字模型，所述制作方法为填充单元格法。
[0052]如图1、2所示，首先是形成TPMS晶格单胞模型。TPMS是在给定边界下局部最小化表面积的曲面，曲面上各点的平均曲率一致，在数学上由隐式方程所控制。欲建立基于P型TPMS曲面创建3×3×3壳体结构，取单胞晶格模型在x,y,z方向上的尺寸分别为lx,ly,lz，本实施例中lx＝ly＝lz＝1，单胞周期为kx,ky,kz，本实施例中kx＝ky＝kz＝1，P型TPMS曲面的控制方程为：
[0053]
[0054]其中c为等值曲面上的等值参数。通过控制方程将生成的P型TPMS曲面沿法线方向偏移一定距离形成实体模型，本实施例中控制形成的模型体积分数为20％，此时的3D数字模型即为单胞晶格模型。
[0055]其次需要在上、下两个鞋面之间生成多个有限的不规则六面体单元格。为了创建鞋面，根据人体行走的步态，定义了一个基本的上、下面的两条光滑曲线，并将两条曲线进行平行拉伸得到上、下两个鞋面。通过上、下两个鞋面与脚底扫描的轮廓线进