利用3D打印技术设计制作个性化高跟鞋的方法研究
汪一翔
摘要：本文主要研究如何利用3D打印技术制作一双个性化定制的高跟鞋。传统的高跟鞋虽然美观、时尚，受广大爱美女性的喜爱，但同时也存在着由美观的造型带来的脚部健康问题。利用3D扫描与3D打印技术结合，可以设计制造出一双完全匹配女性个人脚部数据的高跟鞋，不但舒适，而且在外观造型上也可以有很大的自由度。研究内容包括脚部3D数据获取，高跟鞋模型建立，3D打印及后期制作。
关键词：3D打印高跟鞋 个性化定制 逆向工程
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2017）01-0094-03
一、3D打印技术简介
3D打印技术属于快速成型制造方式的一种，其概念起源于19世纪末的美国，在20世纪80年代得到了开发与应用。21世纪初，由于其技术开源，使得3D打印技术迅速进入大众的视野。3D打印的技术原理是通过将3D模型按照某一坐标和特定层厚切成无限多的剖面，然后3D打印机逐层读取，并通过特定成型方式打印出来，最后堆叠融合成一个完整的立体模型。这种技术有别于传统的减材制造，属于增材制造的方式，节约了大量的生产原料，并减少了产品的开发周期和开发成本。
随着个性化需求的日益上升和工业4.0时代的到来，3D打印技术的应用也在快速地向各个行业蔓延，从工业手板，模具的开发到医疗行业心脏瓣膜，种植牙的制造；从建筑行业别墅的打印到小商店巧克力蛋糕的打印，3D打印技术都发挥了不可或缺的作用。目前需求量较大的行业在工业制造领域里，3D打印成为了个性化定制产品的最优解决方案。
就工业制造领域的3D打印成型方式有三种：激光固化，熔丝堆积，激光烧结。激光固化成型是通过将激光射入盛有光敏树脂的液槽，光敏树脂遇紫外光会迅速凝固成固体的原理进行三维成型；熔丝堆积成型是将线型塑料通过热熔软化，再挤出冷却成型，形成所需要的三维形态；激光烧结成型是利用激光头射出的激光将粉末状的物质烧结成固体，层层堆积后成型。三种成型方式各有优势和弊端，如图1：
二、个性化高跟鞋设计制作研究
对于爱美的女性来说，拥有一双真正舒适又美观的高跟鞋是再好不过了，但是就目前的各大网站针对高跟鞋的调研数据来看，用户对高跟鞋提出的首要改进意见就是舒适度，如图2，由于每个人的脚形都是各异的，在穿着中势必会造成足部挤压、磨脚等问题，而实际上人们存在平足，弓背，鸡眼，外翻足等脚部症状，都会导致舒适性方面的问题。而且经研究发现长时间穿一双不合适的高跟鞋，足掌容易弯曲、变形，甚至可能患平足症或痉挛性足痛。所以，如果想拥有一双完全贴脚的高跟鞋，定制是唯一的办法。但传统定制高跟鞋由于是纯手工定制，制作成本十分昂贵，属于少数人群消费的奢侈品。而且一双高跟鞋从下单到收到货物的定制周期要达到六个月之久，定制时间过长，等到顾客收到鞋时，款式可能已不再新颖。
而3D打印技术有制作周期快，制作成本低，复杂不增加成本等优势，可以很好地解决传统定制存在的一些问题。在实践研究前，首先针对高跟鞋的材质和功能区域进行划分见图3，中底，大底，鞋跟部分属于硬性材质，材料需要有结构强度，耐磨性等功能，这里选用可降解环保材料pla打印。而鞋面部分需材料要舒适，且具有一定弹性系数，选用tpu软胶材质打印，并要在其上面贴上一层皮革，以用户保证穿着时的质感。而高跟鞋扣带部分采用手工裁剪皮革，打扣眼。对于3D打印高跟鞋的成型方式来说，既要保证使用者穿着的舒适度，美观度，也要保证制造成本和制造强度的合理性，因此熔丝堆积成型方式为最佳首选。
（一）脚部3D数据获取
在确定了制作方法和材料后，首先进行第一步，用户脚步数据获取。1.首先需要选择一款适合扫描脚部数据的三维扫描仪。这里我选择红外光的神似牌三维扫描仪，还需要配备一台4G以上显存的电脑。电脑需要安装3D scanner软件。2.被扫描者需要注意以下几点：（1）需要穿袜扫描。脚指头的地方有许多凹凸，增加了模型的复杂程度，加大了后期修改模型的工作量，所以要穿上布袜或者棉袜扫描；（2）不要穿黑色袜子或者丝袜，因为黑色物体和半透明不能被扫描仪的红外光线识别，影响扫描的模型精度；（3）扫描时双脚肌肉呈自然放松的状态。（4）室内以白炽灯为佳。3.打开3D scanner软件，选择扫描小物件选项，扫描范围在25cm女25cm×25cm，选择下一步。将扫描仪镜头对准脚底，调整适当距离，当捕捉区域显示为蓝色，即可点击开始扫描。在扫描过程中注意移动要尽量放缓，手不要大幅度抖动，以免影响扫描精度，尽量让所扫描的区域保持在蓝色显示。另外由于人的左右脚大小是不一样的，所以左右脚都需要扫描。
（二）数据处理
在用3D扫描仪得到了用户初始的脚部数据后，这些数据还不可以直接进行使用，需要再一次技术处理。1.将扫描的初始模型再次导入到geomagic软件里进行表面优化处理。打开geomagic软件，选择网格医生选项，进行基本的补洞，光顺处理。然后点击选择选项卡里的“贯穿”和“选择后面”两个选项，将模型中多余的部分框选删除。2.对于错乱的面片进行选择性删除，再补洞；对于缺失的面可以先进行两点之间搭桥，再进行补洞。3.确保表面模型完整后，进行三角面迭代操作，让模型更加细化，迭代次数选择2次，然后点“全部顺滑”。4.将模型再次导入zbrush软件进行面的细分优化操作，保存为obj格式。
（三）高跟鞋三维模型的建立
利用半参数化软件rhino设计高跟鞋的造型。首先草绘，设计好高跟鞋的外形，用rhino软件进行产品建模。将扫描的脚部数据与高跟鞋外形模型进行匹配，合并为一个模型。对此，我采取以下方法步骤：1.将软件视图调整到侧视图，根据扫描的脚部数据模型，在脚底部上方绘制一条高跟鞋鞋面侧视的曲线，拉升出一个曲面，将脚部模型由此曲面分割，上部分作为曲面A，作为高跟鞋鞋面与扣带制作的参考，下部分为曲面B，作为中底与脚的接触面模型。2.利用投影工具里的提取命令，提取B曲面的邊缘线，做向上的实体拉升，大约在5-8mm之间，这部分模型作为高跟鞋的中底模型。3.将中底模型与原先做好的高跟鞋外观模型用实体组合命令合并成一个完整的模型。4.在高跟鞋前后适当的位置挖孔，做高跟鞋的眼扣，以便于以后皮革扣带的穿入。这样鞋底部分的模型就做好了。5.提取A曲面部分脚部的关键数据，如图所示，并用标尺工具测量其长度，并记录下来，为后期手工制作扣带提供数据。
（四）3D打印制作
用3D打印技术制作个性化定制产品，无论是从制作周期，制作成本，以及成型优势上来说，其优势是很明显的。3D打印技术不但能实现单个产品的快速制造，还可以制造出传统工艺不能做到的复杂外观造型。这对于高跟鞋的定制是很必要的。这里选用的是国内森12048准工业级打印机，属于fdm（熔丝堆积成型方式）里的中高端机型。选择fdm打印机的原因是因为它的制造成本低，打印收缩率低以及工业强度高等。考虑到高跟鞋的耐磨性，强度等功能因素，选用材料为大底和鞋跟采用硬性塑胶pla；与脚部接触的中底尽量以舒适功能为主，中底采用软性塑胶tpu。
选择好打印机和打印材料后，需要进行软件安装和参数设置，这里安装的是通用版本cura15.05最新版软件，打开后点导入模型，或直接拖拽模型到软件里，进行关键的一步，参数设置：1.打印精度。层厚和打印速度是决定3D打印物品表面精度重要的因素。为达到最佳打印效果，这里设置层厚为0.1mm，打印速度设置为40m/h，如果追求更高的精度，可以将参数设置得更低。2.打印温度。打印温度对于模型的最后效果也很重要，偏高會造成表面噪点，拉丝等现象；偏低会造成喷头堵塞，横竖层纹等问题。pla的热熔温度在190℃到230℃之间，具体温度的设定根据不同的打印材料，不同品牌的打印机与不同的环境温度等决定。在室内恒温25℃到27℃左右，经多次测试后得出森12048喷头温度200℃最佳。还有一个需要注意的是热床温度，热床温度过低会降低打印模型底部与热床的黏合度，造成模型在打印途中脱离平台的现象，所以平台温度设置为60℃为佳。3.支撑与底座。一般当模型存在有部分悬空的时候，就需要辅助材料在下方打印一个支撑，来保持模型可以继续往上成型。为了让支撑可以容易去除，同时又起到支撑效果，将支撑类型选择为线性，密度设置为15%。如果高跟鞋模型底面不是平面，或者接触面与热床较少，这时候需要加上底座，也就是软件里的raft选项，以增大模型与热床的接触面积。4.模型大小与位置调节。左键单击模型，软件下方会出现三个图标，点击中间的图标，可以等比调整长宽高，点击第一个图标可以旋转模型及模型位置。模型的摆放要考虑到底面面积尽量大，避免悬空处，以减少材料使用和增加模型质量为标准调整。
最后保存gcode格式文件到sd卡，将sd卡插入打印机里，启动打印机，选择保存的文件名进行打印，直至打印完成。打印完成后待热床温度冷却到40℃以下时用小铲子将模型轻轻铲下，因为在热床温度过高时铲下底部容易变形。
（五）后期处理与制作
最后一步是进行手工裁剪皮革来制作高跟鞋的鞋垫，扣带。准备一张25cm×25cm大小的皮革，将皮革紧贴3D打印模型鞋面上，用笔画出轮廓线，按照画的线进行裁剪，裁剪下来的皮革作为高跟鞋的鞋垫，用鞋胶粘在模型上表面，用同样的方法在高跟鞋底部也贴上一层皮革。再根据之前记录的A曲面关键数据，裁剪几条皮革作为扣带，打上扣眼。最后用砂轮进行表面磨光，润色等工作，一双个性化定制的高跟鞋就完成了。
三、实验与总结
（一）实验
1.与普通高跟鞋进行对比
高跟鞋的整个定制完成后，下面进行的是产品小批量实验。为班级五位女生按照她们原先穿的高跟鞋款式量身定制了五双3D打印高跟鞋，并且进行为期一个月的试穿对比实验，然后将试穿效果针对舒适度，美观性，功能性，价格这四个方面的反馈进行比对，得出结论。
2.与传统高跟鞋定制方法进行对比
对于传统定制高跟鞋与3D打印高跟鞋的对比实验，就传统定制高跟鞋的方法进行分析，并对比得出结论。传统定制高跟鞋流程如下。（1）首先需要人工测量使用者脚部的几项关键数据，这些关键数据包括：脚的外围周长，脚的整体长度，脚在w1，w2，w3三处位置的脚背跨度，最后还要画一个脚部的形状图。（2）根据已经测量好的数据及画的脚部形状图作为参考，开始制作和打磨鞋楦。制作鞋楦的方法有两种，一种是通过木块进行切割和打磨，直到各项数据达到要求为止；另一种是通过计算机建出鞋楦的三维模型，然后利用3D打印技术将鞋楦制作出来，打印出的材质一般为塑料。（3）在鞋楦制作完成之后，工匠师傅开始选皮料、裁剪皮料。（4）开始制作鞋的中底，中底采用红酒塞碾碎后的木屑填充，其目的是保证鞋子的舒适度。（5）鞋面和中底等环节制作好之后，开始手工缝制。（6）高温定型，保证鞋子的鞋头和脚后跟在穿了很长时候之后，依然很坚挺，其目的是为了鞋子的美观度。
3.总结
通过最后的实验调查反馈，3D打印定制的高跟鞋相对于传统高跟鞋在舒适度上是有很大优势的，解决了高跟鞋最大的弊病一舒适性问题。而因为是个性定制的产品，价格上难免比普通产品贵，但和传统方法定制的高跟鞋相比却实惠很多。
通过与传统定制高跟鞋的定制流程进行分析，得出结论。（1）制作成本：由于长时间需要工匠师傅手工制作，人力成本占很大一部分。传统定制鞋至少3000-4000元；而3D打印技术制作只需要很少的人力成本，打印用的材料也很廉价，定制鞋成本可以控制在500元以内。（2）制作周期：由于需要手工采集数据，制作打磨鞋楦等人工完成的步骤，传统定制鞋需要6到8个月；而3D扫描技术可以十几秒钟一次性获取人体脚部522项关键数据鞋，3D打印一双高跟鞋的时间也只要1天，定制一双高跟鞋仅需要5天时间即可到客户手里。（3）美观性与实用性：由于3D打印技术的复杂不增加成本的优势，3D打印鞋可以做出多样的美观复杂的造型，并且打印数据是通过三维扫描仪精确获得，比传统手工测量更加准确。所用的3D打印材料也可以满足高跟鞋的各部分功能需求。（4）二次制造：采集的用户脚部数据可以在长时间内反复使用（脚形随年龄变化的过程很慢长），并且由于制作周期短，定制的高跟鞋款式也会一直紧跟潮流，甚至引领新的潮流。（5）材质比较：传统定制材料为PU，TPR，塑料。3D打印材质为pla，材质的重量上比传统轻30%，这样也减轻了用户的脚部受重，走起路来更加轻便。
利用3D打印这种先进的制造技术，可以很好地解决高跟鞋美观不实用的问题，无论从美观性，功能性，舒适性等，相对于普通高跟鞋和传统定制方法都具有很大的优势，而随着3D打印技术的不断发展，材料的不断完善，个性化定制会越来越普遍，我相信3D打印个性化高跟鞋在未来占领高跟鞋市场的时代即将到来。
