一种负泊松比鞋面结构、其制作方法及应用该结构的鞋
技术领域
本发明涉及鞋技术领域，尤其是涉及的是一种负泊松比鞋面结构、其制作方法及应用该结构的鞋。
背景技术
当今大部分常见的运动鞋都采用包含织物的鞋面。例如，由聚氯乙烯(PVC)、PU(聚氨酯)、牛巴、超细纤维，天然皮、网布等材料，通过模压、热熔、编织等工艺制成的鞋面，会提供一定的包裹、保护、保暖的性能。
1、机织物的编织结构比较常见的有：平纹结构，平纹结构是最简单的织物组织，经纱和纬纱每隔一根纱线就交错一次；斜纹结构，斜纹结构织物表面有经纱或纬纱浮长线组成的斜纹线，使织物表面有沿斜线方向形成的凸起的纹路；缎纹结构，经纬纱线形成一些单独的、互不相连的组织点，组织点分布均匀。
2、针织物的编织结构比较常见的有：纬编线圈结构，线圈间由沉降弧连接，圈柱覆盖于两圈弧上为纬编针织物的正面。纬编线圈结构可细分为纬平、罗纹、双反面、双罗纹；经编针织物的线圈结构，由于经编针织物的线圈分为开口线圈和闭口线圈，由线圈的两个延展线在线圈基部是否交叉进行区分，圈干和延展线覆盖针编弧的为正面，经编针织物的线圈结构可细分为经平、经缎、编链。
由于3D打印应用于运动鞋鞋底较多，而鞋面的相关研究较少。所以，常常是模仿上述的织物结构为基础，来制作3D打印鞋面。3D打印鞋面，鞋身可通过软件微调局部材料的特定线条，更加贴合着用者双足，且提高透气性，减少吸湿性。同时，免去了工业制品成型过程中众多复杂的工序，节能环保。3D打印鞋面重量极轻，实现了经纱和纬纱的相互联结，减少了纱线间摩擦力对脚面造成的不适感。
模仿织物结构的3D打印鞋面，可体现3D打印工艺本身优点：鞋面和脚面有良好的贴合度、材料舒适、有弹性；透气散热，吸湿排汗；重量轻，以避免运动中的负担；减少脚部和鞋面之间产生的摩擦等。
但这类3D打印鞋面不具有良好的抗拉性，由于3D打印工艺的特殊性，高强度的运动常会造成3D打印运动鞋鞋面的断裂。其内在原理是3D打印材料TPU粉体或线材，经喷头加温而成型，这样成型的强度不经过特殊的结构设计，不足以支持激烈的体育运动。
所以，3D打印鞋面需要设计更好的结构，提升鞋面耐用性，为人体运动提供支持并保护运动爱好者免于脚趾的灰指甲等运动损伤，为此我们提出一种负泊松比鞋面结构和应用此结构的3D打印运动鞋。
负泊松比结构又叫拉胀结构，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时，材料的横向反而发生收缩。
负泊松比结构拥有诸多独特性能，比如，优越的抗冲击韧性、优异的弹性和抗剪性、吸音和吸振性等等。也有良好的能量吸收性，可应用于防护衣、防护设备、防护帽、防弹背心、护腿、护膝或护套。
但是，负泊松比结构在运动鞋领域常用于鞋中底，而缺乏应用于鞋面的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种负泊松比鞋面结构和应用此结构的3D打印运动鞋。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种负泊松比鞋面结构，包括若干个负泊松比单胞结构，若干个负泊松比单胞结构在水平两方向上通过共享支撑胞臂的方式相互连接，在水平方向延伸形成一个连续的负泊松比单胞结构层。
优选的，所述负泊松比单胞结构由两个内凹六边形组成，内凹六边形呈左右对称的燕尾形状，内凹六边形呈正交排布且通过连接臂于两凹角顶点处相连接，形成一个完整的单胞结构。
优选的，所述负泊松比单胞结构层采用负泊松比结构材料由3D打印而成，所述负泊松比结构材料由墨汁、树脂、丙烯酸、聚合物、热塑性材料、热固性材料、光固化材料或其组合的材料制成，所述负泊松比单胞结构层的层数为2～5。
优选的，所述内凹六边形可以圆角化。
一种负泊松比鞋面结构的制作方法，包括以下步骤：
S1：利用计算机3D设计软件进行鞋面数字建模，设计好一个负泊松比结构的平面，并投影到鞋楦或足三维模型的顶面；
S2：然后通过打印线条的粗细和间隔距离，控制力学特性和透气效果，并根据特定脚型需求微调局部材料的特定线条，脚型数据可通过脚型三维扫描仪或手工测量的方式获取；
S3：启动3D打印机，将数字模型导入3D打印机，同时装入打印原料，使用3D打印机附带的软件对打印路径规划、打印喷头粗细、打印温度和打印速度进行设置，然后打印机开始工作，打印出负泊松比鞋面。
优选的，所述3D打印机采用选择性激光烧结3D打印机。
优选的，打印原料采用百微米级粒径的TPU粉末。
优选的，所述打印原料还可采用由墨汁、树脂、丙烯酸、聚合物、热塑性材料、热固性材料、光固化材料或其组合制成的材料。
一种鞋，采用权利要求1-4任意一项所述的负泊松比鞋面结构和鞋底制成。
优选的，所述鞋底为3D打印鞋底。
通过采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：负泊松比鞋面结构伸张力强、耐用性好，其由3D打印技术进行制作，本结构具有明显负泊松比效应，在受载时产生更高的弹性模量、剪切模量、储能模量，更好的回弹韧性和抗断裂性能，且在载荷作用下随着负泊松比效应的增强而提高，应用此结构的3D打印鞋面，可根据脚型需求，微调局部材料的特定线条，以更加贴合运动爱好者的脚面，避免足背动脉的压迫。同时，透气性超过网面鞋与编织鞋面，又不会吸汗造成鞋子潮湿增重，TPU材料亲肤、耐油、耐水、耐霉菌的特性，配合对鞋面不同部位的线条粗细、间隔、层数的设计，可以客制化的控制弹性与空气渗透率；TPU打印鞋面相对编织鞋面具有更好的伸张力，提升耐用性，实现了经纱和纬纱的相互融合，减少了纱线间摩擦力对脚面造成的不适感，为人体运动提供支持并保护运动爱好者免于运动损伤；同时发挥3D打印技术的低能耗、环保无污染的优点，摆脱传统制鞋业劳动密集型的限制，免去了工业制品成型过程中众多复杂的工序；而且鞋面可直接机洗，因为不是织物，不会起毛、断线，清洗保养十分方便。
附图说明
图1为本发明中负泊松比单胞结构示意图；
图2为本发明中负泊松比单胞结构层示意图；
图3为本发明中负泊松比单胞结构拉伸示意图；
图4为本发明中负泊松比单胞结构压缩示意图；
图5为本发明中应用负泊松比鞋面结构的鞋整体示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例来进一步说明本发明。
需要注意的是，本发明中所提及的方向术语，如：上、下、前、后、左、右、顶、底、内、外等，是基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-图5所示，一种负泊松比鞋面结构，包括若干个负泊松比单胞结构，若干个负泊松比单胞结构在水平两方向上通过共享支撑胞臂的方式相互连接，在水平方向延伸形成一个连续的负泊松比单胞结构层。
所述负泊松比单胞结构由两个内凹六边形组成，内凹六边形呈左右对称的燕尾形状，内凹六边形呈正交排布且通过连接臂于两凹角顶点处相连接，形成一个完整的单胞结构。
优选的，所述负泊松比单胞结构层采用负泊松比结构材料由3D打印而成，3D打印鞋面，鞋身可通过软件微调局部材料的特定线条，更加贴合着用者双足，且提高透气性，减少吸湿性。同时，免去了工业制品成型过程中众多复杂的工序，节能环保，3D打印鞋面重量极轻，实现了经纱和纬纱的相互联结，减少了纱线间摩擦力对脚面造成的不适感，负泊松比鞋面结构由于具有不同于普通结构的独特性质,在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，其物理机械性能有了很大的提高,如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性，这使得鞋面具有更好的伸张力，提升耐用性，为人体运动提供支持并保护运动爱好者免于运动损伤。所述负泊松比结构材料由墨汁、树脂、丙烯酸、聚合物、热塑性材料、热固性材料、光固化材料或其组合的材料制成，所述负泊松比单胞结构层的层数为2～5。
优选的，所述内凹六边形可以圆角化，可以提高其受力均匀性。
一种负泊松比鞋面结构的制作方法，包括以下步骤：
S1：利用计算机3D设计软件进行鞋面数字建模，设计好一个负泊松比结构的平面，并投影到鞋楦或足三维模型的顶面；
S2：然后通过打印线条的粗细和间隔距离，控制力学特性和透气效果，并根据特定脚型需求微调局部材料的特定线条，脚型数据可通过脚型三维扫描仪或手工测量的方式获取，本实施例中的负泊松比单胞结构长为10mm，宽为5mm，鞋面局部线条因足部运动受力的方向而设置排列方向，线条粗细依据设计要求自由设定，但不超过2mm；
S3：启动3D打印机，将数字模型导入3D打印机，同时装入打印原料，使用3D打印机附带的软件对打印路径规划、打印喷头粗细、打印温度和打印速度进行设置，然后打印机开始工作，打印出负泊松比鞋面。
优选的，所述3D打印机采用选择性激光烧结3D打印机通过选择性激光烧结(SLS)工艺制作鞋面，在本实施例中可使用各种种类的3D打印或增材制造技术，3D打印或“三维印刷”包括用于通过将材料的连续层沉积在彼此的顶部上而形成三维物体的各种技术，可使用的3D打印技术包括但不限于：熔融沉积成型(FDM)、熔丝制造(FFF)、电子束自由成型制造(EBF)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔炼(EMB)、选择性激光熔化(SLM)、选择性热烧结(SHS)、选择性激光烧结(SLS)、石膏3D印刷(PP)、分层实体制造(LOM)、立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP)以及本领域已知的各种其他种类的3D打印或增材制造技术。
优选的，打印原料采用百微米级粒径的TPU粉末，TPU硬度范围广，力学强度高，耐油、耐水、耐霉菌，再生利用性好，其烧结成型的温度为160°，且TPU粉末和成型温度均是本实施例可能采用的一种，3D打印鞋面所采用的材料和成型温度包含但不限于以上的可能。
优选的，所述打印原料还可采用由墨汁、树脂、丙烯酸、聚合物、热塑性材料、热固性材料、光固化材料或其组合制成的材料，在本实施例中，打印材料还可以按照材料的沉积序列打印一个或更多个层而形成为任何期望的厚度，并且打印材料还可以包括填充物材料以将强化方面或美学方面赋予打印材料。例如，填充物材料可以是被设计成赋予期望的颜色或颜色图案或过度部的粉末状的材料或染料、金属或塑料的颗粒或刨花、或任何其他的粉末状的矿物、金属或塑料，并且可以依赖于期望的性质定制打印材料的硬度、强度或弹性。填充物材料可以在打印之前与打印材料预先混合，或可以在打印到鞋面上期间与打印材料混合。
一种鞋，采用权利要求1-4任意一项所述的负泊松比鞋面结构和鞋底制成。
优选的，所述鞋底为3D打印鞋底，在本实施例中，鞋底为SLS选择性激光烧结工艺的3D打印鞋底，使得整鞋均由3D打印工艺制造，提升所制成的运动鞋的工艺效率及市场竞争力。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例而已，不能限定本发明实施的范围，凡是依本发明申请专利范围所作的均等变化与装饰，皆应仍属于本发明涵盖的范围内。
