用于定制矫形鞋垫的 SLS 3D 打印技术

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  SLS 3D 打印技术如何将扫描数据变成鞋垫
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  SLS 3D 打印技术能实现和不能实现的几何形状
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  决定鞋垫寿命的材料性能
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  从足部扫描到成品鞋垫：关键步骤
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  鞋垫不适合采用 SLS 的情况
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  分步说明：搭建 SLS 鞋垫打印任务
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  鞋垫项目：SLS、CNC 与模压对比

选择性激光烧结在粉末床上进行。滚筒在成型舱内铺一层薄薄的聚合物粉末，通常深 0.08 至 0.12 mm。CO2 激光器（通常 30 至 70 W）扫描鞋垫的截面轮廓，在零件所在位置熔化粉末。平台下降一层，再铺一层新粉，循环重复直到打印完成。

与熔融沉积或立体光刻的关键区别在于零件的支撑方式。没有需要切除的支撑结构。周围松散的粉末支撑所有悬垂结构，因此高出底面 40 mm 的内侧足弓无需任何支架即可打印。这就是 SLS 3D 打印技术适合鞋床这类有机形状的原因。

粉末床也意味着零件取出时包裹在固体粉末块中，通常称为粉饼。将粉饼破开，刷除或喷砂清理零件，表面呈哑光灰色。未经激光扫描的未熔化粉末可过筛后重复使用，这正是该工艺在较高产量下具备经济性的原因。

工程师应尽早注意一个结果：激光烧结粉末，并不会将其完全熔化成透明实体。成品是多孔、略带颗粒感的结构。这种多孔性对鞋床来说没问题，但会影响后续的密封、上色和清洁方式。

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  层厚范围PA12 鞋垫通常为 0.08–0.12 mm。
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  支撑松散粉末，而非打印支架。
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  后处理清粉、喷砂、可选染色或密封。

该工艺没有拔模斜度限制，也无需模具，因此倒扣、内部通道和变壁厚都可打印。典型鞋垫从前掌 2 mm 到后跟下方 8 mm，中足采用点阵或 gyroid 填充以调节刚度。这种渐变结构难以模压，机加工也慢。

壁厚是第一个实际约束。低于约 0.8 mm 时，单次激光扫描可能无法完全熔化该层，壁在清粉时可能翘曲或断裂。承重壁保持在 1.2 mm 以上。不承重的装饰性加强筋可做到 0.8 mm。

最小特征尺寸是另一个限制。小于约 0.4 mm 的槽、孔和文字容易闭合或失去清晰度。如果鞋垫需要排水孔或定位标记，保持在 0.8 mm 以上。尖锐内角应倒圆至至少 0.5 mm 半径，以避免应力集中。

长而平的悬空区域容易出现翘曲。用 PA12 打印的 250 mm 平板在冷却时边缘可能翘曲 0.5 至 1.0 mm。增加轻微拱度或加强筋布局可消除大部分翘曲。对鞋床来说这很少成为问题，因为形状本身已有弧度，但平板嵌件则不同。

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  承重壁最小 1.2 mm，建议 2 mm。
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  最小孔径0.8 mm，以保证清粉后仍保持通畅。
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  平面跨度长度超过 150 mm 的平板需加拱度或加强筋。

PA12 是矫形领域的默认粉末。其弯曲模量约 1,600 MPa，抗疲劳性好，能承受反复载荷循环而蠕变很小。90 kg 用户每天站立八小时，正常使用下不会将 3 mm 的 PA12 足弓永久压平。PA11 更坚韧、弹性略高，部分临床医生偏好用于糖尿病或高活动量用户。

玻纤或碳纤增强 PA12 会显著提高刚度，通常是纯 PA12 的两到三倍。这适合术后器械的刚性外壳。但不适合缓冲层，因为它不吸收冲击，后跟下方会感觉偏硬。

SLS 也有 TPU 粉末，可得到更柔软、有橡胶感的零件。但加工难度更大，粉末老化更快，表面更黏。需要真正柔顺性的鞋垫值得评估 TPU，但要预期工艺窗口更窄、废品更多。

多孔性影响卫生。烧结尼龙会随时间吸收水分和异味。用医用级漆或薄聚氨酯涂层密封零件可封闭表面，便于清洁。如果鞋垫接触破损皮肤，应从开始就规划涂层工序，而不是等出现投诉后再补。

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  PA12默认选择。刚度与疲劳寿命均衡。
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  PA11更坚韧、弹性更高。适合高载荷。
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  CF/GF PA12刚度提高 2–3 倍。仅用于刚性外壳。
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  TPU柔软，但工艺窗口窄。

扫描件不是 CAD 模型。多数足部扫描以点云或网格形式提供，含 200,000 到 500,000 个三角面，并带有噪声。第一步是清理：去除伪影、补孔，并将扫描对齐到坐标系，使脚跟和第一跖骨落在已知轴线上。

然后将扫描偏置成鞋垫。足部在承重和非承重状态下形状不同。非承重扫描需按承重姿态做修正，否则鞋垫在足弓下方会偏高。这是临床决策，不是软件默认值。

接下来是外壳。上表面跟随修正后的扫描，下表面跟随鞋楦或鞋垫腔。两者之间放置厚度图和晶格结构。这正是 SLS 3D 打印技术的用武之地：两个表面不必平行，内部结构可沿零件变化。

最后确定零件在成型舱中的摆放方向。鞋垫平放成型更快，但会在脚跟处堆叠大量层，而脚跟是应力最高的区域。将零件倾斜 10 到 15 度，可让层线横跨足弓，通常能提高疲劳寿命，代价是成型高度略增。

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  清理网格在任何偏置前修复孔洞和噪声。
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  修正姿态承重与非承重足部形状不同。
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  按应力定向倾斜 10–15° 以改变层线方向。

如果零件是带两个孔的 3 mm 平板，年需求 20,000 件，SLS 又慢又贵。模具费摊销后，注塑或冲压的单件成本更低。简单鞋垫外壳的盈亏平衡点通常在几千件，但取决于零件尺寸和模具成本。

如果鞋垫的配合特征（如卡入鞋底的卡扣）必须保持 ±0.05 mm，烧结尼龙做不到。冷却时收缩，且收缩量随成型舱位置变化。控制良好的成型可保持 ±0.3 mm，而非 ±0.05 mm。应机加工配合嵌件，或设计弹性卡扣。

如果表面必须光学平滑或食品级且不加涂层，烧结尼龙不合适。孔隙会残留污物。机加工或注塑的封闭表面可直接解决。

如果材料必须是金属，聚合物意义上的 SLS 不可行。金属烧结存在，但工艺不同，成本和表面质量也不同。金属矫形部件实用路线是 CNC。

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  大批量超过几千件时注塑占优。
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  紧公差SLS 无法达到 ±0.05 mm。
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  封闭表面烧结尼龙天然多孔。