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Produktion von additiv gedruckten Schuhen 4.0: Wie der pulverbasierte 3D-Druck die Zukunft des Laufens revolutioniert

voxeljet csm DSC03378 3ddc48bf38voxeljet-Hochgeschwindigkeitssintern: Polymer-3D-Druck für kundenspezifische Schuhkomponenten

Lange Zeit waren alle Schuhe einer Modellreihe gleich. Einzige Ausnahme waren teure, massgeschneiderte Sondermodelle für Elitesportler. Jetzt gibt es neues Innovationspotenzial für Schuhhersteller: Der 3D-Druck von voxeljet ermöglicht die Herstellung maßgeschneiderter Schuhe, die den Verbrauchern sogar leistungs- und komfortsteigernde Funktionen bieten könnten. Additive Fertigungsverfahren, wie das High Speed Sintering von voxeljet, ebnen durch kundenspezifische Produktion und Materialentwicklung den Weg für die additive Schuhproduktion von morgen.

Die Tatsache, dass bei solchen Maßschuhen individuelle Fußformen, Körpergewichte und Schrittlängen berücksichtigt werden können, bietet auch einen besonderen Vorteil für den Endkunden. Aus Herstellersicht sprechen aber nicht nur die Kundenvorteile für das High Speed Sintering (HSS)-Verfahren. Mit HSS lassen sich nahezu alle Produktionsparameter einstellen, um wirtschaftlichere, schnellere und umweltfreundlichere Fertigungsprozesse zu ermöglichen und gleichzeitig das Verfahren auf unterschiedliche Werkstoffe abzustimmen.

Kaum ein Produktmanager aus der Fertigungsindustrie kommt derzeit um das Hype-Thema "Gitterstrukturen" herum. Dabei handelt es sich um abstrakte, CAD-generierte Gitterkonstruktionen, die sich die Natur zum Vorbild nehmen. Diese Konstruktionen verleihen den Produkten maximale Stabilität und Haltbarkeit und ermöglichen enorme Material- und Gewichtseinsparungen. Kein Wunder also, dass selbst marktführende Sportschuhhersteller ein großes Interesse an additiven Fertigungsverfahren haben. Mit 3D-gedruckten Gitterstrukturen lassen sich die Produktionskosten senken und dank der Materialeinsparung schont der Herstellungsprozess auch die Umwelt. Nicht gesinterter Kunststoff kann, je nach Verfahren und Material, recycelt und in den Produktionsprozess zurückgeführt werden.
Der Fortschritt der 3D-Drucktechnologien in der Schuhindustrie

Verschiedene Schuhhersteller arbeiten bereits mit 3D-Drucktechniken bei der Herstellung von Zwischensohlen oder anderen Schuhkomponenten wie z.B. Einlegesohlen. Flüssigharzverarbeitende Additivtechnologien sind gängige Verfahren, bei denen die zu sinternden Bereiche selektiv belichtet und damit ausgehärtet werden. Obwohl diese Verfahren die Möglichkeit bieten, wasserdichte Schuhkomponenten mit feinen Details und guten Oberflächeneigenschaften zu bedrucken, sind die verarbeiteten Materialien und damit die bedruckten Teile selbst vergleichsweise schwer.

Eine weitere additive Fertigungstechnik ist die Fused Filament Fabrication (FFF). Bei diesem Verfahren wird eine Schicht aus geschmolzenem Kunststoff-Filament als Strang aufgetragen und verklebt. Der Vorteil des Hochgeschwindigkeitssinterns liegt in der höheren Produktionsgeschwindigkeit, der Materialvielfalt, den konstanten Schichtzeiten und damit dem einfacheren Wärmemanagement und der geometrischen Freiheit. Im Gegensatz zur FFF benötigt das HSS keine Stützstrukturen zur Stabilisierung der gedruckten Bauteile. Das unbedruckte Pulver unterstützt die Bauteile in der Job-Box. Dies ermöglicht die volle Ausnutzung der HSS-Jobbox.

Die meisten additiven Verfahren arbeiten geometrieorientiert; sie erzeugen wabenförmige oder andere bionische Gitterstrukturen für die verschiedenen Spannungszonen im Schuh. Dies hat zur Folge, dass z.B. die Wandstärken der Strukturen dicker werden müssen, um eine höhere Stabilität zu erreichen. Das HSS-Verfahren hingegen arbeitet mit einem variablen Farbeintrag, der unterschiedliche Materialeigenschaften wie Festigkeit oder Steifigkeit innerhalb einer Gitterstruktur, aber auch in Vollmaterial ermöglicht. Unterschiedliche Mengen infrarot (IR) absorbierender Tinte können auf die beanspruchten Bereiche einer Schuhsohle aufgedruckt werden. Das Bauteil erhält an dieser Stelle während des Sinterprozesses eine höhere Festigkeit. Als weitere Alternative kann man, wie bei allen additiven Fertigungsverfahren, auch bei HSS mit Gitterstrukturen arbeiten, um oben unterschiedliche Festigkeiten zu erreichen. Mit dem HSS-Graustufendruck von voxeljet können Schuhhersteller einzelne Bereiche der 3D-gedruckten Schuhkomponente für spezifische Belastungen hinsichtlich Tragekomfort, Stabilität und Elastizität optimieren.
HSS-Verfahren und Graustufendruck: So funktioniert's

HSS-Graustufen von voxeljet ist ein 3D-Druckverfahren zur Erstellung von dreidimensionalen Teilen mit variablen Zieleigenschaften. Die Materialeigenschaften des erzeugten Körpers können in allen drei Dimensionen individuell beeinflusst werden. Solche Eigenschaften können die mechanische Festigkeit oder Elastizität und die Materialdichte und damit Gewicht und Schwerpunkt des 3D-Druckobjekts sein. Der grosse Vorteil: Diese unterschiedlichen Materialeigenschaften sind im späteren Bauteil nicht sichtbar.

Beim HSS-Verfahren wird eine dünne Schicht Kunststoffpulver wie TPU, EVA oder TPE auf eine beheizte Bauplattform aufgebracht. Anschließend bewegt sich ein Tintenstrahldruckkopf über die Plattform und trägt selektiv eine Infrarotlicht absorbierende Tinte auf Bereiche des Gebäudebereichs auf. Nach der Fertigstellung strahlt ein Infrarotlicht auf die Bauplattform. Die bedruckten Bereiche des Kunststoffpulvers absorbieren die Wärme, wodurch sie mit den darunter liegenden Schichten sintern. Nach Abschluss des Sintervorgangs wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt und die nächste Schicht Kunststoffpulver aufgetragen und bedruckt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Bau beispielsweise einer Zwischensohle abgeschlossen ist. Anschließend kühlt sich der gesamte Bauraum mit den Sinterteilen entweder innerhalb oder außerhalb des Drucksystems ab. Schließlich kann die Schuhsohle aus dem umgebenden Pulver entfernt und weiterverarbeitet werden. Aufgrund der selektiven Temperatureingabe bleibt das unbedruckte Pulver locker und kann je nach verwendetem Material für weitere Druckvorgänge wiederverwendet werden.

Der Grauwert, die Graustufen oder die Graustufe geben die Menge an Tinte an, die in das Pulver gedruckt wird. Je nach verwendetem Material können bis zu sechs verschiedene Graustufen in das Pulvermaterial gedruckt werden. Die Tintenstrahldruckköpfe werden über Bitmaps gesteuert. Da der Druckkopf die Menge an infrarotabsorbierender Tinte im HSS-Prozess steuert, kann die Tropfengröße des Absorbers und damit der Grauwert pro Volumen geändert werden.

Je dunkler der Grauton ist, desto mehr Wärmeenergie kann das Druckmaterial der IR-Lampe absorbieren. Dies verleiht der Sohle nicht nur ihre dreidimensionale Form, sondern ermöglicht gleichzeitig das Hinzufügen und Integrieren dreidimensionaler mechanischer Eigenschaften.

Darüber hinaus kann die Graustufe mit Dithering kombiniert werden (Simulation tatsächlich nicht vorhandener Zwischenschritte über bestimmte Pixelanordnungen / Rasterisierungen). Dies ermöglicht eine noch feinere Einstellung des Absorptionskoeffizienten, des Energieeintrags und damit der effektiven Temperatur des Pulvermaterials, was einen weiteren Einfluss auf die Materialeigenschaften hat.
Technische Daten des Graustufendrucks

Unterschiedliche Härtegrade über Tinteneingabe druckbar
Bis zu 6 Graustufen möglich
Graustufen je nach Material hinsichtlich Energieabsorption variabel
Bessere Kantenschärfe im Vergleich zum Dithering
Hohe Detailgenauigkeit
Höhere Teilestärke als alleiniges Dithering
Weitere Kombinationen mit Dithering für noch mehr Variation möglich
Glattere Oberflächen

Open Source ermöglicht die kostenlose Anpassung an Materialanforderungen

Für HSS setzt voxeljet auf eine Open-Source-Software ProPrint zur Steuerung seiner 3D-Drucksysteme. Das Highlight der Open Source-Lösung: Kunden können alle Druckparameter frei an ihre eigenen Materialanforderungen anpassen. ProPrint und das integrierte Voxeljet-Datenanalysetool Vamos ermöglichen beispielsweise die freie Kontrolle des Temperatureingangs, mit dem das gedruckte Pulver schmelzen soll. Schichtdicke, Tintenübertragung und allgemeine Prozessabläufe sind ebenfalls frei einstellbar.

Die junge Technologie des 3D-Druckexperten voxeljet bietet der Schuhindustrie ein großes Potenzial, den Schuh neu zu erfinden. Materialvielfalt, Ressourcenschonung, Leichtbau, Anpassung und Leistungssteigerung für Endkunden sind nur einige der potenziellen Vorteile.
www.voxeljet.com

 

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