3d打印的定制鞋底
技術領域
1.本發明涉及用于鞋類的三維（3d）打印的定制鞋底和使用增材制造來制造所述鞋底的方法。
2.特別地，本發明涉及包括個性化打印結構的鞋底，所述鞋底是定制的并且通過直接獲自用戶的足部的個人生物特征數據，將此類數據轉化為掃描的足跡，并隨后使用現有技術的增材制造技術如選擇性激光燒結（被稱為sls）、立體光刻打?。ū环Q為sl或sla）和熔融沉積成型（被稱為fdm）來打印該三維鞋底來獲得。
3.發明背景鞋底被稱為鞋外底類型，通常由一片材料制成。鞋底單元通常由1種材料如橡膠、乙烯乙酸乙烯酯（eva）、聚氨酯
……
模塑和制造。這些類型的鞋底通常使用注塑技術來制造。這種類型鞋底的缺點是其沿鞋底的硬度均勻且缺乏定制版型。只有通過用特制中底插入和/或組合所述鞋底才可能實現定制版型。
4.三維（3d）打印是用于由數字模型制造三維固體物體（如鞋底）的增材打印方法。3d打印技術被認為是增材方法，因為它們涉及施加連續的材料層。這不同于通常依賴于去除材料以產生最終物體的傳統機械加工方法。用于3d打印的材料通常需要固化或熔合，對于一些材料，這可以使用熱輔助擠出或燒結來實現，而對于其它材料，這可以使用uv激光和/或數字光投影技術來實現。
5.增材制造方法利用各種材料和工藝技術以便分層構建物體。例如在熔融沉積成型（fdm）中，熱塑性聚合物線材（長絲）被液化并通過噴嘴分層沉積在可移動的構建平臺上。在固化時，形成固體物體?；谖矬w的cad制圖來實現噴嘴與構建平臺的控制。
6.立體光刻（被稱為sl或sla）3d打印是一種增材制造方法，其基于液體以便分層構建物體。在立體光刻設備（sla）中，通過使用紫外（uv）激光束逐層選擇性固化聚合物樹脂來創建物體。sla中使用的材料是液體形式的可固化光敏聚合物。
7.存在利用熱塑性粉末以便分層構建物體的增材制造方法。在這里，薄的粉末層通過涂布機施加并隨后通過能量源選擇性熔融。在這種情況下，周圍的粉末支撐組件的幾何形狀?；诜勰┑脑霾闹圃旆椒ㄊ鞘袌錾献罱洕脑霾姆椒?。因此，它們主要由工業用戶使用?；诜勰┑脑霾闹圃旆椒ǖ囊粋€實例是選擇性激光燒結（sls）。在激光燒結方法中，通過激光束引入能量以選擇性熔融熱塑性粉末。
8.增材制造因此是制造定制鞋底的理想技術。但是，用于制造定制鞋底的鞋底料通常是需要組合的若干鞋底結構的組合和/或需要插在鞋中的中底。
9.例如，us20140109440公開了一種包括具有至少部分透明的側壁的杯形外底的鞋，該側壁界定了在杯形外底中心部分中形成的中底外殼。鞋面附接到杯形外底上，并且激光燒結的中底可移除地插入該杯形外底的中底外殼中。這種鞋底的制造需要多個制造階段，并且具有需要組合以具有定制鞋（底）的若干結構的組合。
10.此外，定制的3d打印鞋底具有多孔結構，這使得它們對使鞋底的機械行為適應足部的特定特性來說是理想的，但是該多孔結構具有污垢和/或灰塵滲入鞋底的缺點。此外，
具有多孔結構的鞋底類型缺乏對足部的機械支撐，因此需要側壁結構。
11.為了解決上述問題，需要進一步改善用于制造鞋底的現有技術的增材制造方法（3d打?。?。
12.發明目的本發明的目的是通過在直接獲自用戶或在作為先前測量的結果的數據庫中可獲得的特定與實測數據的基礎上定制的鞋類鞋底的生產來改善鞋類（杯形）鞋底領域的當前工藝水平。此類測量可用于鞋底的設計和生產。
13.本發明的另一目的是提供一種用于鞋類的定制鞋底，其以連續的方式與足部的特定特征一致。
14.本發明的另一目的是提供一種用于鞋類的鞋底，其易于在1個單個的3d生產步驟（打?。┲幸杂懈偁幜Φ某杀局圃?，由此避免對中底和/或外底的需要。
15.本發明的再一目的是提供一種鞋底，其能夠節省材料，并因此更尊重環境和生態。
16.定義和術語在本發明的上下文中，以下術語具有以下含義：1）本文中所用的術語“聚氨酯”不限于僅包含氨基甲酸酯或聚氨酯鍵的那些聚合物。制備聚氨酯領域的普通技術人員將充分理解，聚氨酯聚合物還可包含脲基甲酸酯、碳二亞胺、尿丁啶二酮（uretidinedione）和除氨基甲酸酯鍵之外的其它鍵。
17.2）本文中所用的術語“熱塑性”在廣義上是指可在提高的溫度下再加工的材料，而“熱固性”是指在提高的溫度下表現出高溫穩定性而不具有此類可再加工性的材料。
18.3）選擇性激光燒結（sls）是一種增材制造（am）技術，其使用激光作為功率源來燒結粉末狀（聚合物）材料，使激光自動瞄準由3d模型限定的空間中的點，并將材料熔合在一起以產生固體結構。激光至少熔融粒子的外表面，由此使（聚合物）芯彼此熔合并熔合至前一層，并由此將粉末狀（聚合物）材料轉變為具有所需三維形狀的塊。根據本發明的sls方法旨在在粉狀末（聚合物）材料之間產生熔融和生成共價鍵，由此附加地使用自由基固化源。
19.4）立體光刻打?。╯la、sl）是使用光化學（光化化學）方法以逐層方式制造3d物體的3d打印技術的一種形式，通過該方法，光使液體聚合物樹脂中的化學單體連接（固化）在一起以形成聚合物。光源（激光、uv光、可見光
……
）用作功率源，以使液體聚合物樹脂固化，使光源自動瞄準由3d模型限定的空間中的點，并將材料熔合在一起以產生固體結構。在工業中用于這種類型的3d打印技術的替代縮寫由此是dlp （數字光處理或數字光投影儀）、lcd （液晶顯示器）、cdlp （連續數字光處理）、clcd （連續液晶顯示器）和clip （連續液體相間打印和/或連續光誘導處理和/或連續光誘導聚合）。所有這些技術和由其衍生的技術均落入本發明的范圍內以使用根據本發明的可固化基于聚氨酯的樹脂。
20.5）熔融沉積成型（fdm）或熔融長絲制造（fff）是用于制造3d物體的3d打印技術的一種形式，其中熱塑性聚合物線材（長絲）被液化并通過噴嘴分層沉積在可移動的構建平臺上。熱塑性聚合物可以是熱塑性聚氨酯（tpu）。
21.6）本文中所述的術語“多材料打印”是在3d打印步驟過程中使用超過1種打印材料的3d打印技術。使用多材料打印允許制造由材料的復雜且不均勻的布置組成的物體。
22.7）術語“壓縮硬度”，也稱為壓縮載荷撓曲（cld），是指根據iso 3386/1測得的在10%壓縮下的壓縮載荷撓曲。
23.8）術語“室溫”是指大約20℃的溫度，這意味著是指在18℃至25℃范圍內的溫度。此類溫度將包括18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃和25℃。
24.9）“鞋底”是已知的，并且被稱為具有高“側壁”的鞋外底。側壁托住或“罩住”鞋的上部，因此名為“鞋底”。
25.10）“蜂窩”結構或幾何形狀必須解釋為具有中空小室（開口）的均勻2維陣列的結構/幾何形狀。蜂窩結構的幾何形狀在本文中可廣泛地變化，但是在本文中所述結構的共同特征是在薄的垂直壁（意味著小室是柱狀的）之間形成的中空小室（開口）的陣列。最常見的小室是六邊形的。蜂窩結構的幾何形狀不同于具有中空小室的3維陣列的多孔支承結構的幾何形狀，其中小室的形狀不是柱狀。
26.11）“肖氏硬度”是（熱塑性）材料硬度的量度，反映了材料對彈簧加載的針狀壓頭穿透的阻力。硬度由肖氏標度表示。肖氏a標度用于測試軟質熱塑性材料，而肖氏d標度用于測試較硬的熱塑性材料。肖氏硬度根據din53505測得。
27.發明詳述傳統的鞋底總是由易于模塑的材料，如橡膠、聚氨酯（pu）和天然乳膠制成。
28.本發明涉及包括非多孔支承結構的3d打印的定制鞋底。
29.最終目標是提供一種制造用于鞋類的鞋底的方法，其中所述方法和/或鞋底的特征如下：
·
以連續方式對足部的特定特征定制的鞋底。
30.·
易于在1個單個的3d生產步驟（打?。┲幸杂懈偁幜Φ某杀局圃?，由此避免對中底和/或外底的需要的鞋底。
31.·
由熱塑性材料制成的鞋底，該材料在其使用壽命之后是可熱回收的并可以重新熔融處理。
32.·
具有允許節省材料的設計并因此更尊重環境和生態的鞋底。
33.·
可以原樣使用并直接附接到鞋面的鞋底。
34.根據本發明的3d打印的鞋底的優點在于，所述鞋底可以在不需要進一步附接或插入另外的鞋底部件的情況下原樣使用。這可以通過在3d打印步驟過程中使用“多材料打印”來實現。
35.根據本發明的鞋底的進一步的優點在于如下事實：原樣定制鞋底以適配掃描的足跡。不需要進一步組裝，打印的結構可以直接用作鞋底并與鞋的上部組合。
36.任何適用于增材制造技術的熱塑性聚合物材料均可用于制造根據本發明的鞋底，并且任何類型的增材制造技術均可用于打印根據本發明的鞋底。
37.本發明因此公開了一種使用增材制造技術（3d打?。┬纬捎糜谛惖亩ㄖ菩祝?）的方法，所述鞋底至少包括側壁（2）、底表面（4）和中心部分（3），并且其中所述側壁（2）界定中心部分（3），所述中心部分（3）具有開口，優選為至少一種蜂窩結構的形式，并且其中至少該鞋底的側壁（2）和底表面（4）具有不帶開口的實心結構，并且其中整個鞋底在直接獲自用戶的特定與實測數據的基礎上定制，并由此使用熱塑性聚合物在1個單個的3d打印步驟（增材制造）中打印。
38.本發明因此公開了用于鞋類的鞋底（1），所述鞋底至少包括側壁（2）、底表面（4）和中心部分（3），并且其中所述側壁（2）界定中心部分（3）。
39.根據實施方案，鞋底（1）的中心部分（3）具有至少一種蜂窩結構。蜂窩結構的優點是能夠將所用材料的量最小化，以實現最輕的重量和最低的材料成本。由于蜂窩結構的幾何形狀，在薄的垂直壁之間形成了中空小室的陣列，這使得容易去除例如未反應的聚合物材料（例如粉末）的殘留物。蜂窩狀結構的另一優點是形成具有最小密度和相對高的平面外壓縮性質與平面外剪切性質的鞋底。
40.根據實施方案，該鞋底的中心部分（3）可包含至少一種蜂窩結構，該蜂窩結構在側壁之間沿中心部分的整個長度（縱向）和寬度（橫向）延伸。
41.根據實施方案，該鞋底的中心部分（3）可包含至少一種蜂窩結構，該蜂窩結構在側壁（2）之間僅在該中心部分（3）的一部分長度（縱向區域）和/或一部分橫向（側向區域）上延伸，其余部分具有不帶開口的實心結構。這種設計出于支撐和/或矯形的原因可能是有益的。
42.根據實施方案，本發明的鞋底（1）至少包括側壁（2）、底表面（4）、中心部分（3）和上表面（5），其中所述側壁（2）界定具有開口的中心部分（3），所述開口優選為至少一種蜂窩結構的形式，并且該鞋底的底表面（4）和上表面（5）具有不帶開口的實心結構，且中心部分夾在上表面與底表面之間。該鞋底的上表面（5）由此可充當中底，由此避免了對單獨的中底的需要。上表面（5）的材料可以使得其增強足部的舒適性和/或阻尼。
43.根據本發明的鞋底能提供具有不同性質和/或形狀的區域，而不會在區域之間不連續。特別地，該中底的中心部分（3）中的開口可以在各點之間或在各區域之間局部不同。為了實現這一點，中心部分（3）中的蜂窩結構的密度可以變化。沿著中心部分（3）的長度（縱向區域）和/或寬度（橫向區域）的密度差異可通過使用不同類型的熱塑性材料來實現?；蛘?，該至少一種蜂窩結構內的開口尺寸以漸進和/或不連續的方式在各區域之間變化。與傳統的中底或鞋底所發生的情況不同，由此避免了具有不同功能（如支撐）的區域之間的不連續性。
44.根據本發明的鞋底能夠以比傳統鞋底或配備具有特殊功能或構造（anatomy）的插入物的鞋底更精確的方式模仿用戶載荷的構造、分布。以這種方式，可以滿足特定的用戶需要或請求。
45.根據實施方案，用于制造根據本發明的鞋底的熱塑性聚合物是適于在上述3d打印技術中使用的材料。例如，此類材料尤其包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（abs）、熱塑性聚氨酯（tpu）或聚酰胺（pa）、熱塑性彈性體、可固化樹脂、或金屬或陶瓷材料等。
46.根據實施方案，用于制造根據本發明的鞋底的3d打印步驟選自選擇性激光燒結（sls），且該熱塑性聚合物選自平均粒度《 250
?μ
m 并包含具有一個或多個可自由基聚合不飽和度的可交聯熱塑性聚合物化合物的熱塑性聚合物粉末。
47.根據實施方案，該3d打印技術選自選擇性激光燒結（sls），且該熱塑性聚合物選自熱塑性聚氨酯。合適的熱塑性聚氨酯粉末的實例是來自huntsman的市售iroprint
? p粉末。
48.根據實施方案，用于制造根據本發明的鞋底的3d打印步驟選自立體光刻打?。╯la）。
49.根據實施方案，該3d打印技術選自立體光刻打?。╯la、sl），且該熱塑性聚合物選自熱塑性聚氨酯樹脂。合適的熱塑性聚氨酯樹脂的實例是來自huntsman的市售iroprint
? r樹脂。
50.根據實施方案，用于制造根據本發明的鞋底的3d打印步驟選自熔融沉積成型（fdm）。
51.根據實施方案，該3d打印技術選自熔融沉積成型（fdm），且該熱塑性聚合物選自熱塑性聚氨酯長絲。合適的熱塑性聚氨酯長絲的實例是來自huntsman的市售iroprint
? f長絲。
52.根據實施方案，在該3d打印步驟中使用熱塑性聚合物的組合。在3d打印步驟過程中，可以通過“多材料打印”來實現不同材料的使用。
53.根據實施方案，可以使用至少兩種不同的熱塑性聚合物的組合。該鞋底的側壁（2）和鞋底的具有蜂窩結構的中心部分（3）可以使用第一熱塑性聚合物制成，并且具有實心結構而不帶開口的封閉底部部分可以由第二熱塑性聚合物制成。
54.根據實施方案，可以使用至少三種不同的熱塑性聚合物的組合。該鞋底的側壁（2）可以使用第一熱塑性聚合物制成，該具有蜂窩結構的中心部分（3）可以由第二熱塑性聚合物制成，并且具有實心結構而不帶開口的封閉底部部分（3）可以由第三熱塑性聚合物制成。
55.根據實施方案，至少兩種不同的熱塑性聚合物的組合可用于打印該鞋底的中心部分（3）。第一熱塑性聚合物可用于中心部分（4）的鞋跟部分，第二熱塑性聚合物可用于中心部分（4）的中間部分，第三熱塑性聚合物可用于打印中心部分（4）的尖端部分。用于打印該中心部分（3）的鞋跟部分的熱塑性聚合物可以選自硬度比用于打印該鞋底的中心部分（3）的尖端和中間部分的熱塑性聚合物更高的熱塑性聚合物。最優選地，不同的熱塑性聚合物選自熱塑性聚氨酯。用于該鞋底的中心部分（3）的合適的熱塑性聚氨酯可具有85肖氏a至50肖氏d的硬度。
56.根據實施方案，該鞋底的中心部分（3）中的打印的蜂窩結構的密度可以變化。這可以通過改變蜂窩結構中的中空小室的直徑來實現（較小的小室尺寸導致較高的密度）。
57.根據實施方案，至少兩種不同的熱塑性聚合物的組合可用于打印該鞋底的中心部分（3），并且該鞋底的中心部分（3）中的打印的蜂窩結構的密度可以變化。這可導致鞋底包括具有多種蜂窩結構（參見7a、7b、7c、7d）的中心部分（3），這些蜂窩結構不僅形狀不同，熱塑性材料也不同。最優選地，不同的熱塑性聚合物選自熱塑性聚氨酯。
58.根據實施方案，該第一、第二和第三熱塑性聚合物選自熱塑性聚氨酯。
59.根據實施方案，該熱塑性聚合物進一步包含填料以改善該熱塑性聚合物的機械性質。合適的填料可選自二氧化硅、caco3、baso4……
。
60.根據實施方案，該熱塑性聚合物進一步包含添加劑，如著色劑、顏料、抗靜電化合物、阻燃劑
……
。
61.根據實施方案，鞋底的重量可以通過改變蜂窩結構中的開口的尺寸來調整。更致密的蜂窩結構將導致更高的密度和更高的重量。例如，為了支撐的原因，鞋底中的一些區域可能需要更高的密度，例如在鞋跟部分，而在鞋底的中部可能需要不那么致密的蜂窩結構。
62.此外，本發明提供了制造包括根據本發明的鞋底的鞋的方法。所述方法至少包括以下步驟：
??
提供鞋面，和
??
提供鞋底，和
??
使鞋面與鞋底接觸，和
??
進行粘合步驟以便將鞋面永久附接到鞋底上。
63.根據實施方案，將鞋面附接到鞋底上的步驟通過至少鞋底側壁在高于熱塑性材料的熔融溫度tm下的熱處理來進行，以使鞋面熔合到鞋底上。在鞋底的熱塑性材料是熱塑性聚氨酯的情況下，使用150℃至220℃的熔融溫度。對于一些硬質等級，可能需要高達240℃的熔融溫度。這樣，可以制造無縫和無膠的鞋。
64.根據實施方案，將鞋面附接到鞋底上的步驟通過施加粘合劑來進行，所述粘合劑可以在3d打印步驟過程中數字地施加。所述粘合劑可以是熱塑性tpu。
65.根據實施方案，在fdm打印機中使用tpu長絲來制造鞋底，并通過打印tpu粘合劑（由此使用粘合劑tpu長絲）來執行將鞋面附接到鞋底上的步驟，并且在3d fdm打印步驟過程中數字地施加所述tpu粘合劑。粘合劑tpu長絲的施加使得該方法特別快速和有效。
66.根據實施方案，包括鞋底和鞋面的完整的鞋在同一種3d打印技術中制造。用于打印鞋底和鞋面的熱塑性材料可以相同，或者選自彼此相容的至少2種不同的熱塑性材料。優選地，該熱塑性材料選自熱塑性聚氨酯。
67.通過在該3d打印步驟過程中使用多材料打印，可以打印包括本發明的鞋底的完整的鞋，由此消除了進一步組裝的需要，并減少了對后處理階段（例如著色）的需要。存在可以用多種材料進行3d打印的若干方式?？梢允褂门溆卸鄠€噴嘴的fdm打印機和/或可以暫停打印過程并在打印過程中的任何點處更換長絲。
68.附圖附圖以實例的方式示出了本發明的原理。但是本發明不限于此。
69.圖1是根據本發明的鞋底（1）的一種版本的透視圖，所述鞋底（1）包括側壁（2）、底表面（4）和中心部分（3），并且其中所述側壁（2）界定中心部分（4），所述中心部分具有開口，優選為從上側和底側觀察的至少一種蜂窩結構的形式。
70.圖2是根據本發明的鞋底（6）的另一版本的透視圖，由此示出了合適的蜂窩結構（7a、7b、7c和7d）的一些實例。