汪一翔

摘要：本文主要研究如何利用3D打印技術(shù)制作一雙個(gè)性化定制的高跟鞋。傳統(tǒng)的高跟鞋雖然美觀、時(shí)尚，受廣大愛美女性的喜愛，但同時(shí)也存在著由美觀的造型帶來的腳部健康問題。利用3D掃描與3D打印技術(shù)結(jié)合，可以設(shè)計(jì)制造出一雙完全匹配女性個(gè)人腳部數(shù)據(jù)的高跟鞋，不但舒適，而且在外觀造型上也可以有很大的自由度。研究內(nèi)容包括腳部3D數(shù)據(jù)獲取，高跟鞋模型建立，3D打印及后期制作。

關(guān)鍵詞：3D打印高跟鞋 個(gè)性化定制 逆向工程

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）01-0094-03

一、3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)屬于快速成型制造方式的一種，其概念起源于19世紀(jì)末的美國，在20世紀(jì)80年代得到了開發(fā)與應(yīng)用。21世紀(jì)初，由于其技術(shù)開源，使得3D打印技術(shù)迅速進(jìn)入大眾的視野。3D打印的技術(shù)原理是通過將3D模型按照某一坐標(biāo)和特定層厚切成無限多的剖面，然后3D打印機(jī)逐層讀取，并通過特定成型方式打印出來，最后堆疊融合成一個(gè)完整的立體模型。這種技術(shù)有別于傳統(tǒng)的減材制造，屬于增材制造的方式，節(jié)約了大量的生產(chǎn)原料，并減少了產(chǎn)品的開發(fā)周期和開發(fā)成本。

隨著個(gè)性化需求的日益上升和工業(yè)4.0時(shí)代的到來，3D打印技術(shù)的應(yīng)用也在快速地向各個(gè)行業(yè)蔓延，從工業(yè)手板，模具的開發(fā)到醫(yī)療行業(yè)心臟瓣膜，種植牙的制造；從建筑行業(yè)別墅的打印到小商店巧克力蛋糕的打印，3D打印技術(shù)都發(fā)揮了不可或缺的作用。目前需求量較大的行業(yè)在工業(yè)制造領(lǐng)域里，3D打印成為了個(gè)性化定制產(chǎn)品的最優(yōu)解決方案。

就工業(yè)制造領(lǐng)域的3D打印成型方式有三種：激光固化，熔絲堆積，激光燒結(jié)。激光固化成型是通過將激光射入盛有光敏樹脂的液槽，光敏樹脂遇紫外光會迅速凝固成固體的原理進(jìn)行三維成型；熔絲堆積成型是將線型塑料通過熱熔軟化，再擠出冷卻成型，形成所需要的三維形態(tài)；激光燒結(jié)成型是利用激光頭射出的激光將粉末狀的物質(zhì)燒結(jié)成固體，層層堆積后成型。三種成型方式各有優(yōu)勢和弊端，如圖1：

二、個(gè)性化高跟鞋設(shè)計(jì)制作研究

對于愛美的女性來說，擁有一雙真正舒適又美觀的高跟鞋是再好不過了，但是就目前的各大網(wǎng)站針對高跟鞋的調(diào)研數(shù)據(jù)來看，用戶對高跟鞋提出的首要改進(jìn)意見就是舒適度，如圖2，由于每個(gè)人的腳形都是各異的，在穿著中勢必會造成足部擠壓、磨腳等問題，而實(shí)際上人們存在平足，弓背，雞眼，外翻足等腳部癥狀，都會導(dǎo)致舒適性方面的問題。而且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)長時(shí)間穿一雙不合適的高跟鞋，足掌容易彎曲、變形，甚至可能患平足癥或痙攣性足痛。所以，如果想擁有一雙完全貼腳的高跟鞋，定制是唯一的辦法。但傳統(tǒng)定制高跟鞋由于是純手工定制，制作成本十分昂貴，屬于少數(shù)人群消費(fèi)的奢侈品。而且一雙高跟鞋從下單到收到貨物的定制周期要達(dá)到六個(gè)月之久，定制時(shí)間過長，等到顧客收到鞋時(shí)，款式可能已不再新穎。

而3D打印技術(shù)有制作周期快，制作成本低，復(fù)雜不增加成本等優(yōu)勢，可以很好地解決傳統(tǒng)定制存在的一些問題。在實(shí)踐研究前，首先針對高跟鞋的材質(zhì)和功能區(qū)域進(jìn)行劃分見圖3，中底，大底，鞋跟部分屬于硬性材質(zhì)，材料需要有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，耐磨性等功能，這里選用可降解環(huán)保材料pla打印。而鞋面部分需材料要舒適，且具有一定彈性系數(shù)，選用tpu軟膠材質(zhì)打印，并要在其上面貼上一層皮革，以用戶保證穿著時(shí)的質(zhì)感。而高跟鞋扣帶部分采用手工裁剪皮革，打扣眼。對于3D打印高跟鞋的成型方式來說，既要保證使用者穿著的舒適度，美觀度，也要保證制造成本和制造強(qiáng)度的合理性，因此熔絲堆積成型方式為最佳首選。

（一）腳部3D數(shù)據(jù)獲取

在確定了制作方法和材料后，首先進(jìn)行第一步，用戶腳步數(shù)據(jù)獲取。1.首先需要選擇一款適合掃描腳部數(shù)據(jù)的三維掃描儀。這里我選擇紅外光的神似牌三維掃描儀，還需要配備一臺4G以上顯存的電腦。電腦需要安裝3D scanner軟件。2.被掃描者需要注意以下幾點(diǎn)：（1）需要穿襪掃描。腳指頭的地方有許多凹凸，增加了模型的復(fù)雜程度，加大了后期修改模型的工作量，所以要穿上布襪或者棉襪掃描；（2）不要穿黑色襪子或者絲襪，因?yàn)楹谏矬w和半透明不能被掃描儀的紅外光線識別，影響掃描的模型精度；（3）掃描時(shí)雙腳肌肉呈自然放松的狀態(tài)。（4）室內(nèi)以白熾燈為佳。3.打開3D scanner軟件，選擇掃描小物件選項(xiàng)，掃描范圍在25cm女25cm×25cm，選擇下一步。將掃描儀鏡頭對準(zhǔn)腳底，調(diào)整適當(dāng)距離，當(dāng)捕捉區(qū)域顯示為藍(lán)色，即可點(diǎn)擊開始掃描。在掃描過程中注意移動要盡量放緩，手不要大幅度抖動，以免影響掃描精度，盡量讓所掃描的區(qū)域保持在藍(lán)色顯示。另外由于人的左右腳大小是不一樣的，所以左右腳都需要掃描。

（二）數(shù)據(jù)處理

在用3D掃描儀得到了用戶初始的腳部數(shù)據(jù)后，這些數(shù)據(jù)還不可以直接進(jìn)行使用，需要再一次技術(shù)處理。1.將掃描的初始模型再次導(dǎo)入到geomagic軟件里進(jìn)行表面優(yōu)化處理。打開geomagic軟件，選擇網(wǎng)格醫(yī)生選項(xiàng)，進(jìn)行基本的補(bǔ)洞，光順處理。然后點(diǎn)擊選擇選項(xiàng)卡里的“貫穿”和“選擇后面”兩個(gè)選項(xiàng)，將模型中多余的部分框選刪除。2.對于錯亂的面片進(jìn)行選擇性刪除，再補(bǔ)洞；對于缺失的面可以先進(jìn)行兩點(diǎn)之間搭橋，再進(jìn)行補(bǔ)洞。3.確保表面模型完整后，進(jìn)行三角面迭代操作，讓模型更加細(xì)化，迭代次數(shù)選擇2次，然后點(diǎn)“全部順滑”。4.將模型再次導(dǎo)入zbrush軟件進(jìn)行面的細(xì)分優(yōu)化操作，保存為obj格式。

（三）高跟鞋三維模型的建立

利用半?yún)?shù)化軟件rhino設(shè)計(jì)高跟鞋的造型。首先草繪，設(shè)計(jì)好高跟鞋的外形，用rhino軟件進(jìn)行產(chǎn)品建模。將掃描的腳部數(shù)據(jù)與高跟鞋外形模型進(jìn)行匹配，合并為一個(gè)模型。對此，我采取以下方法步驟：1.將軟件視圖調(diào)整到側(cè)視圖，根據(jù)掃描的腳部數(shù)據(jù)模型，在腳底部上方繪制一條高跟鞋鞋面?zhèn)纫暤那€，拉升出一個(gè)曲面，將腳部模型由此曲面分割，上部分作為曲面A，作為高跟鞋鞋面與扣帶制作的參考，下部分為曲面B，作為中底與腳的接觸面模型。2.利用投影工具里的提取命令，提取B曲面的邊緣線，做向上的實(shí)體拉升，大約在5-8mm之間，這部分模型作為高跟鞋的中底模型。3.將中底模型與原先做好的高跟鞋外觀模型用實(shí)體組合命令合并成一個(gè)完整的模型。4.在高跟鞋前后適當(dāng)?shù)奈恢猛诳?，做高跟鞋的眼扣，以便于以后皮革扣帶的穿入。這樣鞋底部分的模型就做好了。5.提取A曲面部分腳部的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如圖所示，并用標(biāo)尺工具測量其長度，并記錄下來，為后期手工制作扣帶提供數(shù)據(jù)。endprint

（四）3D打印制作

用3D打印技術(shù)制作個(gè)性化定制產(chǎn)品，無論是從制作周期，制作成本，以及成型優(yōu)勢上來說，其優(yōu)勢是很明顯的。3D打印技術(shù)不但能實(shí)現(xiàn)單個(gè)產(chǎn)品的快速制造，還可以制造出傳統(tǒng)工藝不能做到的復(fù)雜外觀造型。這對于高跟鞋的定制是很必要的。這里選用的是國內(nèi)森12048準(zhǔn)工業(yè)級打印機(jī)，屬于fdm（熔絲堆積成型方式）里的中高端機(jī)型。選擇fdm打印機(jī)的原因是因?yàn)樗闹圃斐杀镜?，打印收縮率低以及工業(yè)強(qiáng)度高等?？紤]到高跟鞋的耐磨性，強(qiáng)度等功能因素，選用材料為大底和鞋跟采用硬性塑膠pla；與腳部接觸的中底盡量以舒適功能為主，中底采用軟性塑膠tpu。

選擇好打印機(jī)和打印材料后，需要進(jìn)行軟件安裝和參數(shù)設(shè)置，這里安裝的是通用版本cura15.05最新版軟件，打開后點(diǎn)導(dǎo)入模型，或直接拖拽模型到軟件里，進(jìn)行關(guān)鍵的一步，參數(shù)設(shè)置：1.打印精度。層厚和打印速度是決定3D打印物品表面精度重要的因素。為達(dá)到最佳打印效果，這里設(shè)置層厚為0.1mm，打印速度設(shè)置為40m/h，如果追求更高的精度，可以將參數(shù)設(shè)置得更低。2.打印溫度。打印溫度對于模型的最后效果也很重要，偏高會造成表面噪點(diǎn)，拉絲等現(xiàn)象；偏低會造成噴頭堵塞，橫豎層紋等問題。pla的熱熔溫度在190℃到230℃之間，具體溫度的設(shè)定根據(jù)不同的打印材料，不同品牌的打印機(jī)與不同的環(huán)境溫度等決定。在室內(nèi)恒溫25℃到27℃左右，經(jīng)多次測試后得出森12048噴頭溫度200℃最佳。還有一個(gè)需要注意的是熱床溫度，熱床溫度過低會降低打印模型底部與熱床的黏合度，造成模型在打印途中脫離平臺的現(xiàn)象，所以平臺溫度設(shè)置為60℃為佳。3.支撐與底座。一般當(dāng)模型存在有部分懸空的時(shí)候，就需要輔助材料在下方打印一個(gè)支撐，來保持模型可以繼續(xù)往上成型。為了讓支撐可以容易去除，同時(shí)又起到支撐效果，將支撐類型選擇為線性，密度設(shè)置為15%。如果高跟鞋模型底面不是平面，或者接觸面與熱床較少，這時(shí)候需要加上底座，也就是軟件里的raft選項(xiàng)，以增大模型與熱床的接觸面積。4.模型大小與位置調(diào)節(jié)。左鍵單擊模型，軟件下方會出現(xiàn)三個(gè)圖標(biāo)，點(diǎn)擊中間的圖標(biāo)，可以等比調(diào)整長寬高，點(diǎn)擊第一個(gè)圖標(biāo)可以旋轉(zhuǎn)模型及模型位置。模型的擺放要考慮到底面面積盡量大，避免懸空處，以減少材料使用和增加模型質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整。

最后保存gcode格式文件到sd卡，將sd卡插入打印機(jī)里，啟動打印機(jī)，選擇保存的文件名進(jìn)行打印，直至打印完成。打印完成后待熱床溫度冷卻到40℃以下時(shí)用小鏟子將模型輕輕鏟下，因?yàn)樵跓岽矞囟冗^高時(shí)鏟下底部容易變形。

（五）后期處理與制作

最后一步是進(jìn)行手工裁剪皮革來制作高跟鞋的鞋墊，扣帶。準(zhǔn)備一張25cm×25cm大小的皮革，將皮革緊貼3D打印模型鞋面上，用筆畫出輪廓線，按照畫的線進(jìn)行裁剪，裁剪下來的皮革作為高跟鞋的鞋墊，用鞋膠粘在模型上表面，用同樣的方法在高跟鞋底部也貼上一層皮革。再根據(jù)之前記錄的A曲面關(guān)鍵數(shù)據(jù)，裁剪幾條皮革作為扣帶，打上扣眼。最后用砂輪進(jìn)行表面磨光，潤色等工作，一雙個(gè)性化定制的高跟鞋就完成了。

三、實(shí)驗(yàn)與總結(jié)

（一）實(shí)驗(yàn)

1.與普通高跟鞋進(jìn)行對比

高跟鞋的整個(gè)定制完成后，下面進(jìn)行的是產(chǎn)品小批量實(shí)驗(yàn)。為班級五位女生按照她們原先穿的高跟鞋款式量身定制了五雙3D打印高跟鞋，并且進(jìn)行為期一個(gè)月的試穿對比實(shí)驗(yàn)，然后將試穿效果針對舒適度，美觀性，功能性，價(jià)格這四個(gè)方面的反饋進(jìn)行比對，得出結(jié)論。

2.與傳統(tǒng)高跟鞋定制方法進(jìn)行對比

對于傳統(tǒng)定制高跟鞋與3D打印高跟鞋的對比實(shí)驗(yàn)，就傳統(tǒng)定制高跟鞋的方法進(jìn)行分析，并對比得出結(jié)論。傳統(tǒng)定制高跟鞋流程如下。（1）首先需要人工測量使用者腳部的幾項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)包括：腳的外圍周長，腳的整體長度，腳在w1，w2，w3三處位置的腳背跨度，最后還要畫一個(gè)腳部的形狀圖。（2）根據(jù)已經(jīng)測量好的數(shù)據(jù)及畫的腳部形狀圖作為參考，開始制作和打磨鞋楦。制作鞋楦的方法有兩種，一種是通過木塊進(jìn)行切割和打磨，直到各項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到要求為止；另一種是通過計(jì)算機(jī)建出鞋楦的三維模型，然后利用3D打印技術(shù)將鞋楦制作出來，打印出的材質(zhì)一般為塑料。（3）在鞋楦制作完成之后，工匠師傅開始選皮料、裁剪皮料。（4）開始制作鞋的中底，中底采用紅酒塞碾碎后的木屑填充，其目的是保證鞋子的舒適度。（5）鞋面和中底等環(huán)節(jié)制作好之后，開始手工縫制。（6）高溫定型，保證鞋子的鞋頭和腳后跟在穿了很長時(shí)候之后，依然很堅(jiān)挺，其目的是為了鞋子的美觀度。

3.總結(jié)

通過最后的實(shí)驗(yàn)調(diào)查反饋，3D打印定制的高跟鞋相對于傳統(tǒng)高跟鞋在舒適度上是有很大優(yōu)勢的，解決了高跟鞋最大的弊病一舒適性問題。而因?yàn)槭莻€(gè)性定制的產(chǎn)品，價(jià)格上難免比普通產(chǎn)品貴，但和傳統(tǒng)方法定制的高跟鞋相比卻實(shí)惠很多。

通過與傳統(tǒng)定制高跟鞋的定制流程進(jìn)行分析，得出結(jié)論。（1）制作成本：由于長時(shí)間需要工匠師傅手工制作，人力成本占很大一部分。傳統(tǒng)定制鞋至少3000-4000元；而3D打印技術(shù)制作只需要很少的人力成本，打印用的材料也很廉價(jià)，定制鞋成本可以控制在500元以內(nèi)。（2）制作周期：由于需要手工采集數(shù)據(jù)，制作打磨鞋楦等人工完成的步驟，傳統(tǒng)定制鞋需要6到8個(gè)月；而3D掃描技術(shù)可以十幾秒鐘一次性獲取人體腳部522項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)鞋，3D打印一雙高跟鞋的時(shí)間也只要1天，定制一雙高跟鞋僅需要5天時(shí)間即可到客戶手里。（3）美觀性與實(shí)用性：由于3D打印技術(shù)的復(fù)雜不增加成本的優(yōu)勢，3D打印鞋可以做出多樣的美觀復(fù)雜的造型，并且打印數(shù)據(jù)是通過三維掃描儀精確獲得，比傳統(tǒng)手工測量更加準(zhǔn)確。所用的3D打印材料也可以滿足高跟鞋的各部分功能需求。（4）二次制造：采集的用戶腳部數(shù)據(jù)可以在長時(shí)間內(nèi)反復(fù)使用（腳形隨年齡變化的過程很慢長），并且由于制作周期短，定制的高跟鞋款式也會一直緊跟潮流，甚至引領(lǐng)新的潮流。（5）材質(zhì)比較：傳統(tǒng)定制材料為PU，TPR，塑料。3D打印材質(zhì)為pla，材質(zhì)的重量上比傳統(tǒng)輕30%，這樣也減輕了用戶的腳部受重，走起路來更加輕便。

利用3D打印這種先進(jìn)的制造技術(shù)，可以很好地解決高跟鞋美觀不實(shí)用的問題，無論從美觀性，功能性，舒適性等，相對于普通高跟鞋和傳統(tǒng)定制方法都具有很大的優(yōu)勢，而隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，材料的不斷完善，個(gè)性化定制會越來越普遍，我相信3D打印個(gè)性化高跟鞋在未來占領(lǐng)高跟鞋市場的時(shí)代即將到來。endprint