Персонализация при изготовлении спортивной обуви становится трендом. Аддитивное производство, в отличие от традиционных методов, позволяет создавать сложные геометрические структуры внутри подошвы, зонировать жёсткость и амортизацию, встраивать функциональные элементы, ускорять производство изделия. 

В работе рассматриваются особенности нагружения подошвы спортивной обуви с учётом биомеханики стопы. Выполнен анализ распределения нагрузок при различных режимах эксплуатации, включая ходьбу, бег и статическое положение. Обоснована необходимость разработки адаптивных конструкций подошв, способных учитывать неравномерный характер нагружения. Показана перспективность применения технологии селективного лазерного спекания (SLS) для реализации сложных структур с управляемыми механическими свойствами. Научная новизна заключается в обосновании взаимосвязи между характером биомеханического нагружения стопы и требованиями к внутренней архитектуре подошвы, а также в формировании подхода к проектированию адаптивных конструкций с учётом технологических ограничений аддитивного производства.

Современная спортивная обувь должна обеспечивать не только комфорт при эксплуатации, но и эффективное перераспределение нагрузок, возникающих в процессе движения человека. Наиболее нагруженным элементом обуви является подошва, воспринимающая ударные и циклические воздействия при ходьбе, беге и других видах физической активности. В условиях динамического нагружения требования к подошве существенно возрастают: конструкция должна обладать амортизационными свой­ствами, устойчивостью к деформациям и способностью адаптироваться к различным фазам шага (рис. 1).

Рис. 1. Конструкторско-­технологическая проработка

Традиционные методы производства обуви имеют ограничения при создании изделий со сложной внутренней геометрией и переменными механическими характеристиками. В связи с этим особый интерес представляет применение аддитивных технологий, в частности селективного лазерного спекания (SLS). Данная технология позволяет изготавливать изделия со сложными внутренними ячеистыми структурами, обеспечивающими локальное изменение жёсткости и амортизационных свой­ств.

В ходе исследования был проведён анализ полимерных материалов, применяемых в SLS-печати. Основное внимание уделялось материалам, обладающим высокой гибкостью, устойчивостью к циклическим нагрузкам и способностью сохранять эксплуатационные характеристики в условиях динамического нагружения. Рассматривались полиамидные материалы PA11 и PA12, поликарбонат, PET и термопластичный полиуретан (TPU).

Проведённый сравнительный анализ показал, что TPU наиболее полно соответствует требованиям, предъявляемым к материалам для изготовления подошв спортивной обуви. Данный материал сочетает в себе достаточную механическую прочность, высокую эластичность и устойчивость к истиранию. Дополнительным преимуществом TPU является возможность создания внутренних ячеистых структур различной плотности, что особенно важно при изготовлении адаптивных элементов обуви методом SLS.

После выбора базового типа материала был проведён анализ существующих марок TPU, предназначенных для селективного лазерного спекания. Сравнение выполнялось по следующим критериям: жёсткость по Шору, стабильность параметров при печати, совместимость с промышленными SLS-принтерами и поведение материала в ячеистых структурах. По результатам анализа в качестве основного материала был выбран BASF Ultrasint TPU 88A, обладающий оптимальным сочетанием гибкости, прочности и устойчивости к деформациям.

На следующем этапе исследования была получена цифровая геометрия стопы человека. Для повышения точности моделирования использовался слепок стопы, сформированный в условиях контакта с опорной поверхностью. Такой подход позволил корректно зафиксировать анатомическое и функциональное положение стопы, а также определить зоны максимального давления.

Трёхмерное сканирование выполнялось с использованием ручного 3D-сканера RangeVision Neopoint Max. После завершения процесса сканирования была получена цифровая модель в виде облака точек. Далее проводилась очистка данных от шумов и артефактов, сглаживание поверхности и преобразование модели в твердотельный CAD-формат, пригодный для дальнейшего инженерного проектирования.

На основе полученной геометрии была разработана параметрическая 3D-модель подошвы спортивной обуви. Конструкция подошвы включала внутреннюю ячеистую структуру, обеспечивающую сочетание амортизационных свой­ств, устойчивости и энергоотдачи (рис. 2). Геометрия ячеек и их пространственное расположение подбирались с учётом биомеханических особенностей распределения нагрузки на стопу.

Рис. 2. Прототипирование и печать ячеистой структуры вставки для упрочнения подошвы

При проектировании учитывались основные фазы шага: начальный контакт, полная опора и отталкивание. В фазе начального контакта основная нагрузка приходится на пяточную область, в фазе полной опоры нагрузка перераспределяется на среднюю часть стопы, а в фазе отталкивания максимальные напряжения возникают в переднем отделе подошвы. Указанные особенности были учтены при разработке внутренней структуры изделия (рис. 3).

Рис. 3. Прототипирование и печать ячеистой структуры методом SLA

Для оценки работоспособности конструкции было проведено компьютерное моделирование напряжённо-­деформированного состояния подошвы при различных вариантах нагружения. В качестве расчётной нагрузки была принята сила 600 Н, соответствующая массе человека около 60 кг. Распределение нагрузки между функциональными зонами стопы задавалось в соответствии с биомеханическими особенностями ходьбы, бега и статического положения.

Результаты моделирования показали, что максимальные напряжения возникают в пяточной области и переднем отделе подошвы, что соответствует реальным условиям эксплуатации спортивной обуви. При этом ячеистая структура обеспечивает снижение локальных напряжений и способствует равномерному распределению нагрузки по всей поверхности изделия.

Дополнительно было проведено моделирование нагружения подошвы при наличии патологии стопы — 

супинации. Полученные результаты показали смещение зон максимальных напряжений и изменение характера деформации конструкции. Это подтверждает необходимость адаптации подошвы к индивидуальным биомеханическим особенностям пользователя.

В практической части работы были изготовлены экспериментальные образцы изделий методом FDM (рис. 4) и SLS-печати (рис. 5). Для сравнительного анализа был разработан и напечатан ледоступ. Образцы, изготовленные по технологии SLS, продемонстрировали более высокое качество поверхности, лучшую детализацию и повышенную прочность по сравнению с FDM-аналогами.

Рис. 4. Прототипирование и печать ячеистой структуры методом FDM

Риc. 5. Вставки, напечатанные на SLS-принтере

Также были изготовлены вставки для упрочнения подошвы и поддержки стопы. Полученные результаты подтвердили возможность изготовления сложных функциональных элементов методом селективного лазерного спекания.

Таким образом, проведённое исследование подтвердило перспективность применения технологии селективного лазерного спекания для разработки адаптивных подошв спортивной обуви. Использование материала TPU 88A и внутренних ячеистых структур позволяет создавать конструкции с заданными амортизационными и прочностными характеристиками. Разработанная модель подошвы и результаты компьютерного моделирования продемонстрировали возможность эффективного перераспределения нагрузок при различных режимах эксплуатации, включая ходьбу, бег и статическое положение.

Проведённый анализ показал, что применение цифрового проектирования в сочетании с аддитивными технологиями позволяет учитывать биомеханические особенности стопы уже на этапе разработки изделия. Это создаёт предпосылки для повышения комфорта эксплуатации обуви, снижения локальных нагрузок и улучшения амортизационных свойств подошвы.

Полученные результаты могут быть использованы при создании персонализированной спортивной и ортопедической обуви, а также служить основой для дальнейших исследований, направленных на оптимизацию ячеистых структур, экспериментальные испытания изготовленных образцов и разработку технологий серийного производства адаптивных подошв с использованием аддитивных технологий. 

Авторы: К.И. Калашникова, М.А. Петров, 

Московский политехнический университет

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2026