3d打印技術在鞋類設計中的應用探討摘要：介紹了在鞋類設計領域中常見的五種3D打印技術原理、工藝種類和特點；比較了各類3D工藝的優(yōu)勢與不足；闡述了3D打印技術在鞋類設計的風格、鞋楦具、邦面、鞋底、五金配件、特殊功能中的運用；探索了3D打印技術在鞋類設計中的發(fā)展趨勢；提出3D技術將促進鞋類設計往數(shù)字化、個性化、智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展的觀點。引言3D打印技術是在數(shù)字模型文件的基礎上，利用金屬粉末、塑料粉末等粘合性材料，通過逐層疊加打印，快速制作三維實體的技術13D打印技術1.1基本原理3D打印技術亦被稱作為快速成型增材制造（AM）技術，是一種將虛擬的數(shù)字模型數(shù)據(jù)轉換成現(xiàn)實的物理實體的數(shù)字技術，數(shù)據(jù)由無數(shù)二維切片數(shù)字所組成，3D打印機按照數(shù)據(jù)的分層順序，把打印材料一層一層地疊加粘結，從而形成物理實體1.2工藝方法及特點首先，通過Pro/Engineer、Solidworks、MAYA、3DSMAX、Rhin。等三維數(shù)字建模軟件進行建模，再通過3D打印機將制作的三維數(shù)字模型逐層切片；然后，3D打印機在切片橫截面的預設區(qū)域內噴灑一層薄薄的材料層和粘合層，以此往復，從而快速成型為一層一層的薄材料，并通過不斷疊加、固化、后處理，最終完成三維模型的打印。3D打印技術工藝多樣，根據(jù)打印方法與原理，主要分為激光式3D打印和噴墨式3D打印。激光式3D打印主要包括：SLS（selectivelasersintering，亦稱作選擇性激光燒結技術），于1989年由美國Carlckard提出隨著3D打印技術的日趨成熟，人們對鞋類設計的數(shù)字化需求不斷提高，3D打印技術被廣泛應用于鞋類設計與制作過程中。由于技術工藝、使用材料、造型結構、表面精度等的不同需求，其不同的技術適用于鞋類設計與制作的不同階段、不同零部件中。常用3D打印工藝、材料及優(yōu)勢比較，見表1。隨著科技與時尚的不斷交融，個性需求逐年攀升，個性市場不斷擴大，3D打印工藝技術日趨成熟，3D打印技術運用愈加廣泛。同時，全民運動健身逐漸成為一種生活方式，愛護雙足、保護雙足也越來越被重視°3D打印技術為鞋類設計的個性化、功能性帶來了技術實現(xiàn)基礎。一方面，在具有足部缺陷的個性化鞋類設計和造型個性化的鞋類設計中得到推崇；另一方面，在尤其是在跑鞋、足球鞋、籃球鞋、休閑鞋等功能性運動鞋方面更得到廣泛的運用。在風格設計方面，可利用3D打印個性化的工藝特點，利用不同的材料特性，采用不同的成型技術和工藝，實現(xiàn)復雜結構和造型的快速成型，表現(xiàn)和拓展了正裝、休閑、時尚、運動等不同風格的鞋類設計。在正裝鞋方面，如德比鞋Derby、牛津鞋Oxford、和尚扣MonkStrap、布魯徹爾鞋Blucher、樂福鞋Loafer、禮服鞋TuxedoShoe等，風格傳統(tǒng)、款式固定、色彩單一、材料穩(wěn)定，由于正裝鞋的款式、材料和工藝有相對嚴格的要求，3D打印能發(fā)揮的余地不多，表現(xiàn)的風格也受局限，一般可用于鞋楦開發(fā)、鞋模制作或五金配件設計上；或者對于足部有缺陷的特殊鞋型的個性化制作上。在運動鞋方面，從2013年以來，已有包括A-DIDAS、NIKE、PEAK、UnderAmour、Prevolve、NewBalance、Reebok、Feetz等10余個一線運動鞋類品牌將3D打印SLS、SLM、FDM等技術運用到鞋類磨具、大底、中底、外側框架、鞋面，甚至全鞋的設計及制作中。2016年12月15日，針對里約奧運會，體育用品制造商阿迪達斯定制設計了一款3D打印跑鞋（命名為“Winners”）跑鞋有金色、銀色、銅色3種鞋帶。3D打印適用于復雜結構運動鞋的成型，且可以表現(xiàn)運動鞋富有運動感的線條、前衛(wèi)的科技元素，改變了運動鞋的傳統(tǒng)面貌，讓運動鞋腳下生風，充滿流暢感、速度感和未來主義風格。如圖1所示。在時尚和休閑鞋風格塑造方面，3D打印技術表現(xiàn)更加明顯的優(yōu)勢°3D打印為時尚休閑鞋提供了無限的造型可能，計算機3D建模實現(xiàn)了很多傳統(tǒng)不能實現(xiàn)的復雜造型，流暢的線條、鏤空的結構、科幻的元素、幾何化的圖案、前衛(wèi)的造型、特殊的材質、精確的成型，可以進行精細的仿生設計，比如將葉脈、動物、骨骼、細胞等作為設計元素，使之成為鞋類的一部分，來表現(xiàn)蒸汽朋克風格、未來主義風格等。2.2鞋楦模具中的應用鞋楦是鞋的母體，是鞋的成型模具。它既決定了鞋的外在造型是否美觀，還決定了鞋的內在結構是否合腳，更決定了鞋是否能有效保護腳不受傷害。鞋楦有木質、塑料和金屬3種，一般木楦為手工打造，輕便易成型；但不耐高溫，易龜裂變型。金屬和塑料楦易修改，能循環(huán)再用，可以通過鑄造、鍛造、注塑、沖壓等方式來制作實現(xiàn)°3D打印技術的引入，可替代鑄造、鍛造、注塑等方式，快速、精準的實現(xiàn)鞋楦的個性需求。首先通過三維掃描技術，獲取腳型三維數(shù)據(jù)，再進行數(shù)字建模、再與傳統(tǒng)鞋楦比對調節(jié)，最終獲得鞋楦3D建模數(shù)據(jù)，后期通過3D打印SLS、SLM、FDM、SLA或3DP技術，對模型進行快速成型，從而獲得鞋楦模具。3D建模及打印技術讓鞋楦數(shù)字化、科學化、個性化，3D打印技術的引入，提高了鞋楦模具的尺寸精度和生產效率，縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，還最大限度地實現(xiàn)了鞋楦的私人科學訂制。2.3鞋面材料中的應用隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，越來越多的公司開始研究3D鞋幫材料的制作。2012年8月，全球著名的ModernMeadow公司創(chuàng)辦人AndrasForgacs透露，公司的重點在研究3D打印人造皮革技術，這種皮革產品主要用于制作服裝、配件2.4鞋底材料中的應用3D打印的鞋底有別于傳統(tǒng)拼接、粘合、縫制的鞋底，3D打印的鞋底是一次成型的。2015年Adidas與比利時Materialise材料公司聯(lián)合研發(fā)，通過SLS激光燒結技術，將TPU粉末以鏤空解構形式，打造出具有彈性形變空間與強大視覺沖擊力的運動鞋中底，推出了被譽為改變行業(yè)的概念跑鞋F(xiàn)uturecraft3D。同年，NewBalance運用SLS工藝，將DuraFormFlex和TPU材料混合，打印出減震中底跑鞋。耐克的第三代3D打印鞋是用SLS激光燒結技術完成鞋底部件的制作同時，耐克公司運用3D打印技術為一雙名為“Newgenerationsteamlaserclaw”的運動鞋打造了鞋底異形板和防滑板，整鞋只有158g，輕巧便利。設計放大的三角星形鞋釘，使球鞋與鞋釘結合得更加緊密，以提供最大限度的鎖定，并防止在球鞋內部打滑。打印時，SLS激光燒結技術通過高功率激光器快速成型，材料采用了諸如人造橡膠、生物質尼龍、碳纖維、玻璃纖維等多種材料，使鞋幫舒適性好、鞋底適合加速度等。2.5五金配件中的應用3D打印技術極大的拓展了鞋面、鞋底、五金配飾的功能設計和實現(xiàn)。無論FDM、SLS、3DP，還是LOM、SLA技術，均可靈活運用于鞋類的五金、配件上。尤其3DP技術可以實現(xiàn)一次成型的鑲嵌裝飾；而對功能性沒有較高要求的配件制作，通過燒結、黏合、熱熔、光固化等工藝，可以充分發(fā)揮3D打印技術操作簡單、方便快捷、易于成型復雜造型、實現(xiàn)個性化設計等優(yōu)勢。2.6智能化等特殊功能的應用3D打印技術不僅可以實現(xiàn)鞋類產品的復雜性、個性化設計與制作，還可實現(xiàn)智能化、生物化等特殊功能。例如，美國Start-up公司運用3D打印技術（Adaptive），打印了一款智能運動鞋（命名為“Adaptive”），為實現(xiàn)智能功能，在結構上，將3D打印硅膠氣囊安裝在腳踝區(qū)域，通過充氣、放氣的調節(jié)來改變鞋與穿用者的腳、腳踝、以及身體其他部位的支撐力度；在鞋面上，將運動傳感器植入3。打印人造皮革鞋面，根據(jù)鞋腔壓力數(shù)據(jù)，監(jiān)測穿用者的動作。倫敦設計師沙姆斯?亞丁和研究人員利用3D打印技術（Biosynthesi）和再生合成原細胞微粒特性，研發(fā)了一款生物跑鞋，該跑鞋能在12h內進行自我修復。結構上，該鞋與穿用者雙腳完全貼合；觸感上，類似皮膚輕柔帖服；功能上，不僅能根據(jù)不同的光線、溫度、壓力來調節(jié)膨脹度，提供貼身舒適的緩沖保護，還能根據(jù)受損情況，進行自我修復。FOOTPRINT公司開發(fā)的3D鞋靴系統(tǒng)與技術，能根據(jù)用戶足部形狀和步態(tài)，精確控制鞋中底各部位的具體位置、造型形狀、寬窄大小，從而制作出具有特殊支撐參數(shù)的中底，并用SLS選擇性激光燒結技術完成量身定制33D技術的未來發(fā)展趨勢目前，3D打印技術在鞋類設計中的應用，在一定程度上受材料品類、材料特性、成型工藝的影響，在應用面上還受一定制約、制作成本上還比較高、成型精度和質量還未達到最佳。但隨著科技的發(fā)展，新材料、新技術、新工藝的不斷提高，3D打印在鞋類設計和制作中的短板將因科技的發(fā)展而彌補，優(yōu)勢則越來越凸顯；尤其是3D打印技術可將數(shù)字作為切入口，通過數(shù)字化建模連接數(shù)據(jù)庫、連接個性設計、連接智能制造、連接智能功能，推動鞋類設計向著數(shù)字化、個性化、智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。3.1數(shù)字化趨勢隨著科技的發(fā)展，人們對健康的需求，功能性鞋品，尤其是運動鞋對于大數(shù)據(jù)的引入越來越密切。在設計之初，通過光學三維掃描數(shù)字技術，精確采集鞋類產品原始數(shù)據(jù)；在設計過程中，通過數(shù)字建模，設計和調整鞋類產品的3D數(shù)字模型；在制作過程中，利用3D打印技術，進行鞋類產品的個性化生產，改造傳統(tǒng)的鞋類設計方法；在使用過程中，通過柔性傳感等數(shù)字技術，采集人體健康數(shù)據(jù)，并進行分析和使用；在數(shù)據(jù)管理方面，除了對于鞋楦模型、款式模型、結構模型等實物進行傳統(tǒng)存儲外，還可通過數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)庫存儲，不僅可以永久存儲，還節(jié)約存儲空間，并且有利于無線復制、傳輸和跨區(qū)域的實時聯(lián)動生產。3.2個性化趨勢3D打印技術對于實現(xiàn)個性化鞋品、缺陷足形鞋品、功能性鞋品有著絕對的優(yōu)勢。對于個性化鞋品，3D打印可實現(xiàn)小批量的花紋圖案、外觀視覺、外部結構和款式造型上的個性定制;對于缺陷足形鞋品，它根據(jù)客戶足部形態(tài)進行定制，與客戶足部完美契合，提高了穿著的舒適度和健康度；對于功能性鞋品，個性化不僅體現(xiàn)在外觀造型上，更體現(xiàn)在科學性上，功能鞋品可以根據(jù)穿著者自身的腳型數(shù)據(jù)、體能數(shù)據(jù)等信息，結合鞋楦進行一體化設計，從根本上實現(xiàn)科學合理、人性健康的個性化設計。3.3智能化趨勢隨著科技的飛速發(fā)展，3D打印將借助數(shù)字化、智能化、信息化，通過大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人機交互、AI智能等實現(xiàn)鞋類設計的系統(tǒng)化、可持續(xù)的萬物互聯(lián)。在鞋類設計的源頭，3D打印技術通過數(shù)據(jù)采集，獲取人的腳型數(shù)據(jù)、體型數(shù)據(jù)、體能數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉化為鞋品的功能設計，為人體提供諸如矯正鞋、健康理療鞋、醫(yī)療康復鞋、定位鞋、跑步鞋、自動修復鞋等功能性鞋品，輔助解決人們的健康問題和環(huán)境的生態(tài)環(huán)保問題；在鞋類設計的制作環(huán)節(jié)，3D打印技術可通過數(shù)字化和智能化，實現(xiàn)各類鞋款的智能化成型、智能化聯(lián)動生產，解決跨時間、跨區(qū)域的制造問題。3.4綠色化趨勢3D打印一方面減少了原材料的浪費，減少了試錯樣品的浪費；另一方面，未來3D打印的鞋品原材料將廣泛使用環(huán)?？山到獾腜LA（聚乳酸，polylacticacid）材料，并拓展到其他環(huán)保生物質材料中。環(huán)保涂料、環(huán)保染色、環(huán)保鞋面材料、環(huán)保鞋底材料對人體的危害?。簧a過程所揮發(fā)和釋放的有害物質也更少，讓整個鞋品設計、生產過程更加綠色環(huán)保。3.5網(wǎng)絡化趨勢互聯(lián)網(wǎng)借助數(shù)據(jù)促進萬物互聯(lián)，成為未來生產和生活的一種新方式。數(shù)據(jù)以客戶為中心，將品牌商、生產廠家、客戶、產品構建師、設計師、建模師進行有效連接，實現(xiàn)從足部掃描、數(shù)據(jù)采集、遠超設計、遠超建模、遠超3D打印、遠超生產、遠程搭配