Voxeljet zeigt die Möglichkeiten von pulverbasierten 3D-Druck bei Schuhproduktion

Die additive Schuhproduktion liegt voll im Trend. Immer mehr Schuhhersteller schließen Kooperationen mit 3D-Drucker-Firmen um additiv Schuhe zu fertigen. In einer Pressemitteilung erklärt Voxeljet wie High Speed Sintering die additive Schuhproduktion verändern kann.

Der deutsche 3D-Drucker-Hersteller erklärt, dass die firmeneigene additive Fertigungstechnologie, High Speed Sintering, maßkonfektionierte Schuhe ermöglicht, die den Verbrauchern sogar leistungs- und komfortsteigernde Funktionen bieten könnten.

Für den Konsumenten ist besonders attraktiv, dass solche maßkonfektionierten Schuhe die unterschiedlichen Fußformen berücksichtigen, ebenso das individuelle Körpergewicht und die Schrittlänge. Aus Herstellersicht spricht aber nicht nur der Kundennutzen für den High Speed Sintering (HSS) Prozess. Denn beim HSS lassen sich beinahe alle Produktionsparameter wirtschaftlicher, schneller, umweltgerechter und dabei auch noch individualisierbar auf verschiedene Materialien einstellen.

Laut Voxeljet kommt derzeit kaum ein Produktmanager aus der produzierenden Industrie am Hype-Thema „Lattice Structure“ vorbei. Dabei handelt es sich um abstrakte, CAD-generierte Gitterkonstruktionen, die sich die Natur als Vorbild nehmen. Sie bieten den so hergestellten Gütern maximale Stabilität und Haltbarkeit und zudem eine enorme Material- und damit Gewichtsersparnis. Kein Wunder also, dass auch die marktführenden Sportschuhhersteller ein großes Interesse an dem Produktionsprozess haben. Denn mit 3D-gedruckten Lattice Structures lassen sich Produktionskosten senken und dank der Materialeinsparung schont der Fertigungsprozess auch die Umwelt. Nicht versinterter Kunststoff kann je nach Prozess und Material in Anteilen wieder zurück in den Produktionsprozess geführt werden.

HSS-Prozess und Graustufendruck

Der HSS-Graustufendruck von voxeljet ist ein Verfahren zum 3D-Drucken dreidimensionaler Modelle mit variablen Zieleigenschaften. Die Materialeigenschaften des erzeugten Formkörpers können mit dem HSS-Verfahren gezielt in allen drei Dimensionen beeinflusst werden. Dabei kann es sich um die mechanische Festigkeit oder Elastizität sowie Materialdichte und damit Gewicht und Schwerpunkt des 3D-Druckobjektes handeln. Vorteilhaft: Diese variierenden Materialeigenschaften sind im späteren äußeren Erscheinungsbild des Bauteiles nicht sichtbar.

Grundsätzlich wird beim HSS-Prozess eine dünne Schicht aus Kunststoffpulver, wie beispielweise TPU, EVA oder TPE auf eine beheizte Bauplattform aufgetragen. Anschließend fährt ein Tintenstrahldruckkopf großflächig über die Plattform und benetzt selektiv Bereiche des Baufeldes mit einer infrarotlichtabsorbierenden Tinte. Daraufhin strahlt eine Infrarotlampe auf die Bauplattform. Die bedruckten Bereiche des Kunststoffpulvers absorbieren die Hitze, wodurch diese mit vorhergien Schichten versintern. Nach dem Sintervorgang senkt sich die Bauplattform um eine Schichtstärke ab und die nächste Schicht Kunststoffpulver kann aufgetragen und bedruckt werden. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis der Aufbau beispielsweise einer Mittelsohle abgeschlossen ist. Anschließend kühlt der gesamte Bauraum mit den gesinterten Teilen ab. Anschließend kann die Schuhsohle vom umgebenden Pulver befreit und weiterverarbeitet werden. Durch den selektiven Temperatureintrag bleibt das unbedruckte Pulver lose und kann für weitere Druckprozesse, abhängig vom verwendeten Material, wiederverwendet werden.

Der Grauwert, die Graustufe oder das Greylevel der im HSS-Prozess abgebildet werden kann, bezeichnet die pro Voxel (3D-Pixel) in das Pulver eingedruckte Menge des Infrarotabsorbers (Tinte). Dabei können, je nach verwendetem Material, innerhalb eines Benetzungsschrittes bis zu sechs verschiedene Grauwerte auf der Partikelmaterialoberfläche eingedruckt werden. Die Ansteuerung der Inkjet-Druckköpfe erfolgt via Bitmaps. Da der Druckkopf die Menge der infrarotabsorbierenden Tinte beim HSS steuert, kann die Dichte des Absorbers und damit der Grauwert pro Volumen variieren.

Je größer der Volumeneintrag, desto mehr Wärmeenergie der Infrarotlampe kann das bedruckte Material aufnehmen. Dadurch kann der Sohle nicht nur die dreidimensionale Form gegeben, sondern zeitgleich dreidimensionale mechanische Eigenschaften hinzugefügt und integriert werden.

Weiterhin kann die Graustufe mit Dithering (Simulation tatsächlich nicht vorhandener Zwischenstufen über bestimmte Pixel-Anordnungen/ Rasterungen) verbunden werden. So lassen sich der Absorptionsgrad, die Energieeinkopplung und damit die effektive Temperatur des zu verfestigenden Partikelmaterials noch feiner justieren, was weiteren Einfluss auf die Materialeigenschaften hat.

3D-Druck in der Schuhindustrie

Erst letzten April haben wir über eine Studie berichtet, die sich mit dem Markt von 3D-gedruckten Schuhen beschäftigt. 2029 soll der Markt einen Umsatz von jährlich 6,5 Milliarden US-Dollar erreichen.

In den letzten Jahren haben wir oft über 3D-Druck-Projekte bereichtet, die sich um Schuheinlagen oder Schuhe gedreht haben. So gibt es mit A-FOOTPRINT ein EU gefördertes Programm für 3D-gedruckte Schuheinlagen, die mehrere Einrichtungen für diese Entwicklungen zusammenbringen soll.

Ebenso gibt es Unternehmen wie Aetrex, Shapecrunch, 3D Orthotics oder Superfeet ME3D, die sich auf 3D-gedruckte Sohlen spezialisiert haben. Auch bekannte Schuhhersteller wie New Balance, Adidas, Reebok oder ECCO experimentieren mit 3D-gedruckten Schuheinlagen. Der chinesische Sportprodukthersteller Peak Sport Products hat sogar komplett mit 3D-Druck porduzierte Schuhe vorgestellt.