Desenvolvimento de sola de sapatilha com utilização do fabrico aditivo para absorção de energia do impacto

Abstract

O calçado tem um papel fulcral no dia-a-dia tanto de atletas de alta competição como do cidadão comum, durante a prática de exercício físico ou enquanto se está em pé durante longos períodos de tempo. Logo, o desenvolvimento de solas de sapatilhas, principalmente, de sapatilhas desportivas, com a absorção de energia (AE) requerida enquanto se realiza uma determinada atividade, pode contribuir não só para um maior conforto, mas também para uma diminuição do risco de lesões nas articulações. O principal componente da sola responsável por contribuir para uma boa AE é a entressola. Normalmente, a sua produção é feita a partir do fabrico subtrativo (FS), no entanto, nestes últimos anos, tem-se verificado o aumento do recurso às diversas tecnologias oferecidas pelo fabrico aditivo (FA). Como a aplicação do FA para a produção de entressolas é uma área em ascensão, existe ainda muito espaço para melhorar, inovar e otimizar. Deste modo, para atingir o objetivo desta dissertação, pretende-se desenvolver, por FA, uma entressola, para uma sapatilha desportiva, com uma estrutura de treliça (ET) interna. Esta irá permitir alcançar um bom nível de conforto associado a uma AE de impacto eficiente, ao considerar aspetos de relevância como a distribuição de pressões na sola do pé do utilizador. O desenvolvimento desta dissertação começou com a aquisição de forma da sola de uma sapatilha desportiva convencional, através das tecnologias de varrimento por laser e de luz estruturada. Desta forma, foi possível recolher a informação necessária para a geração do modelo digital da entressola compacta, sendo que este modelo foi o utilizado para a modelação da entressola com a ET interna. De seguida, estudou-se, no âmbito da AE do impacto, duas ET auxéticas(ET 3D re-entrant e ET 2D re-entrant), caracterizadas por apresentarem uma AE superior comparativamente com ET não auxéticas. Através de diversas análises numéricas, concluiu-se que, tendo em conta as pressões máximas verificadas enquanto se está a correr, a ET 2D re-entrant revelou um melhor desempenho em comparação com a ET 3D re-entrant, sendo, por isso, a ET selecionada para este caso de estudo. Deste modo, após dividir a sola do pé em seis regiões, variou-se a espessura da ET selecionada e estabeleceu-se a espessura adequada de acordo com a pressão máxima a que cada região está sujeita, de modo a que a entressola apresentasse um amortecimento idêntico nas diversas regiões, durante as diferentes fases da corrida. Após a modelação da entressola na sua totalidade com a ET interna, imprimiu-se uma porção da entressola, através do processo Fused Filament Fabrication (FFF) e com o recurso ao material escolhido, o TPU 95A (material com boas propriedades de flexibilidade, resistência e elasticidade), onde se verificou que a partir de ambos é possível obter uma entressola com uma boa fiabilidade em termos do fabrico dos pequenos detalhes da ET e com uma boa AE do impacto.

Footwear plays a key role in the daily routine of both high-level athletes and common citizens, during physical exercise or while standing for long periods of time. Therefore, the development of shoe soles, mainly sport shoes, with the energy absorption (AE) required while doing a certain activity, can contribute not only to greater comfort, but also to decrease the risk of joint injuries. The main component of the sole responsible for contributing to good AE is the midsole. Normally, its production is made using subtractive manufacturing (FS), however, in recent years, there has been an increase in the use of the various technologies offered by additive manufacturing (FA). The application of FA to the production of midsoles is a growing area, where there is still the opportunity to improve, innovate and optimize. Thus, to accomplish the objective of this dissertation, a midsole for a sport shoe with an internal lattice structure (ET) will be developed by FA. This will allow to achieve a good level of comfort associated with an efficient AE of impact when considering relevant aspects,such as the pressure distribution on the user's foot. The development of this dissertation began with the acquisition of the shape of the sole of a conventional sport shoe, using laser scanning and structured light technologies. Therefore, it was possible to collect the necessary information to generate the digital model of the compact midsole. This model allowed the production of the midsole with the internal ET. Thus, in this dissertation, two auxetic lattice structures (3D re-entrant ET and 2D re-entrant ET), characterized by showing a superior AE compared to non-auxetic ET, were studied, considering the AE of impact. After various numerical analysis, it was concluded that, taking into account the maximum pressures observed while running, the 2D re-entrant ET revealed better performance compared to the 3D re-entrant ET. Therefore, the 2D re-entrant ET was the selected ET for this case study. In this way, after splitting the sole of the foot into six regions, the thickness of the ET selected along the midsole was tested and the appropriate thickness was established according to the maximum pressure applied in each region, in order to have a midsole with similar cushioning throughout the regions, during the different running phases. After modelling the midsole in its entirety with the internal ET, a portion of the midsole was printed, using the Fused Filament Fabrication (FFF) process and using TPU 95A (material with good properties of flexibility, resistance and elasticity) as the chosen material, where it was concluded that it is possible to obtain a midsole with good reliability in terms of manufacturing the small details of the ET and with a good AE of impact.5.