Exploration of data-driven midsole algorithm designbased in biomechanics dataand Voronoi 3D to digital manufacturing

Abstract

This study proposed the creation of an algorithm for the elaboration of a midsole customized by functional parameters and generative systems, with production through digital manufacturing. The computational resources used are the Rhinoceros® program and the Grasshopper® extension. The primitives are given in a ".asc" format for the plantar pressure distribution test; the position of the insole sensors (.jpeg); 3D geometry of the midsole parameterized from the outline of a common insole. The developed algorithm operates by converting midsole geometry (brep) into point cloud complemented with a point cloud based on the position of the sensors and the remapped values of maximum pressure into integer numbers. Voronoi 3D component cell structure is generated by the overlapping point clouds. Based on the incorporation of an external algorithm, it was possible to obtain an open cell mesh structure. The digital manufacturing of the geometry was tested through three-dimensional printing similar to the Fused Deposition Modeling (FDM) process in rigid lactic acid (PLA) and flexible thermoplastic polyurethane (TPU). It was observed in the model printed on flexible material that the increase in the density of cells in the regions of greater pressure contributes to the increase in local stiffness, which may imply the individualization of the functional requirements of footwear. Nine customization possibilities are presented by changing three different variables, related to the density of points of the base geometry and the conversion of pressure values. The third variable was the thickness of the final structure as a function of the volume scale and faces of the three-dimensional cells generated by the 3D Voronoi. It is concluded that the import of real data from biomechanical testing for parametric modeling in Grasshopper® could contribute to the design of shoes individualized by the aesthetic and functional requirements of each consumer.

Este estudo propôs a criação de um algoritmo para elaboração de uma entressola customizada por parâmetros funcionais e sistemas generativos, com produção através da fabricação digital. Os recursos computacionais utilizados são o programa Rhinoceros® e a extensão Grasshopper®. As primitivas são dados em formato “.asc”de ensaio de distribuição de pressão plantar, posição de sensores da palmilha (.jpeg) geometria 3D de entressola parametrizada a partir do contorno de uma palmilha comum. O algoritmo desenvolvido opera pela conversão de geometria de entressola (brep) em nuvem de pontos complementado com nuvem de pontos derivada da posição dos sensores e valores re-mapeados de pressão máxima. Pela sobreposição das nuvens de pontos é gerada estrutura celular do componente Voronoi 3D. Com base na incorporação de algoritmo externo foi possível obter uma estrutura de malha de células abertas. Foi testada a fabricação digital da geometria através da impressão tridimensional similar ao processoFused Deposition Modeling (FDM) em poliácido láctico (PLA) rígido e poliuretano termoplástico (TPU) flexível. Foi observado no modelo impresso em material flexível que o aumento da densidade de células nas regiões de maior pressão contribui para o aumento rigidez local, podendo implicar na individualização dos requisitos funcionais do calçado. É apresentado nove possibilidades de customização pela alteração de três variáveis distintas, relativas à densidade de pontos da geometria base, e da conversão de valores de pressão; e espessura da estrutura final em função da escala de volume e faces das células tridimensionais geradas pelo voronoi 3D. Conclui-se que a importação de dados reais de ensaio biomecânico para modelagem paramétrica no Grasshopper® contribui para o projeto de calçados individualizado pelos requisitos estéticos e funcionais de cada consumidor.