Wie Pulver basierter 3D-Druck das Laufen von Morgen revolutioniert.
Lange Zeit waren alle Schuhe einer Modellreihe gleich. Ausnahmen
bildeten lediglich extrem hochpreisige maßgeschneiderte
Sondermodelle für Spitzensportler.
Jetzt gibt es neues Innovationspotenzial für die Schuhhersteller:
3D-Druck von voxeljet ermöglicht maß konfektionierte Schuhe, die den Verbrauchern sogar
leistungs- und Komfort-steigernde Funktionen bieten könnten. High Speed Sintering,
das additive Herstellungsverfahren von voxeljet, ebnet nun durch
Maßkonfektionierung und Materialentwicklung den Weg für die additive
Schuhproduktion von morgen.
Polymer 3D-Druck für individualisierte Schuhkomponenten
Für den Konsumenten ist besonders attraktiv, dass solche maß konfektionierten
Schuhe die unterschiedlichen Fußformen berücksichtigen, ebenso das individuelle
Körpergewicht und die Schrittlänge. Aus Herstellersicht spricht aber nicht nur der
Kundennutzen für den 3D Polymer 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.
Kaum ein Produktmanager aus der produzierenden Industrie kommt derzeit 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.
Der Vormarsch der 3D-Drucktechnologien in der Schuhindustrie
Diverse Schuhproduzenten arbeiten bereits mit 3D-Drucktechniken bei der
Herstellung von Mittelsohlen oder anderen Schuhkomponenten wie etwa Einlagen.
Flüssigharz verarbeitende additive Technologien sind oft genutzte Verfahren, bei der
die zu versinternden Bereiche punktuell belichtet werden und so aushärten. Diese
Verfahren bieten zwar die Möglichkeit, wasserdichte Schuhkomponenten mit feinen
Details und guten Oberflächeneigenschaften zu drucken, jedoch sind die
verarbeiteten Materialien, und dadurch die Teile selbst, vergleichsweise noch zu
schwer.
Eine weitere additive Fertigungstechnik ist das Fused Filament Fabrication (FFF).
Dabei wird eine Schicht geschmolzenes Kunststoff-Filament als Strang aufgelegt und
verklebt. Der Vorteil des High Speed Sinterns gegenüber dem FFF ist die höhere
Produktionsgeschwindigkeit, die Materialvielfalt, die konstanten Schichtzeiten und
das dadurch einfachere Thermomanagement sowie die geometrische Freiheit. Denn
im Gegensatz zum FFF benötigt das
Polymer High Speed Sintering (HSS)
keine Stützstrukturen zur Stabilisierung der gedruckten Bauteile. Das nicht verdruckte
Pulver stützt die Bauteile im Baufeld. Dadurch können Anwender des HSS weniger
auf Hinterschnitte oder Überhänge achten.
3D gedruckte Schuhsohle von voxeljet
Die meisten additiven Prozesse arbeiten geometrieorientiert; sie produzieren Waben-
oder andere bionische Gitterstrukturen für die unterschiedlichen Belastungszonen im
Schuh. Dadurch müssen die Wandstärken der Gitterstruktur beispielsweise dicker
werden, um einen größeren Stabilitätsgrad zu erhalten. Das HSS-Verfahren hingegen
arbeitet mit einem variablen Tinteneintrag, der unterschiedliche
Materialeigenschaften wie Festigkeit oder Steifigkeit innerhalb einer Gitterstruktur,
aber auch im Vollmaterial ermöglicht. An den belasteten Stellen einer Schuhsohle
kann unterschiedlich viel Infrarotlichtabsorbierende Tinte eingedruckt werden.
Dementsprechend erhält das Bauteil an dieser Stelle unterschiedlich hohe
Festigkeiten. Als weitere Alternative, wie bei allen generativen Fertigungsverfahren,
kann bei HSS noch mit Gitterstrukturen gearbeitet werden, um unterschiedliche
Festigkeiten zu erreichen. Denn mit dem HSS-Graustufendruck von voxeljet können
Schuhhersteller einzelne Bereiche in der 3D-gedruckten Schuhkomponente
belastungsspezifisch hinsichtlich Tragekomfort, Stabilität und Elastizität optimieren.
Polymer High Speed Sintering (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.
Webinar: HSS 3D-Druck
In diesem Workshop werden wir unsere HSS-Technologie im Detail
vorstellen: Von der Open-Source-Konzeption bis hin zu Skalierungs-
und Produktionsmöglichkeiten.
AUFZEIC HNUNG ANSEHEN
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.
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.
Open Source macht freie Anpassung an die Materialanforderungen möglich
voxeljet setzt bei seinem HSS auf Open-Source-Software für die Steuerung seiner
industriellen Polymer 3D-Drucker
VX200 HSS und VX1000 HSS.
Der Druckvorgang
wird von der voxeljet-Software ProPrint gesteuert. Der Clou der Open-Source-Lösung:
Kunden können sämtliche Druckparameter für die eigenen idealen
Materialanforderungen frei anpassen. ProPrint und das integrierte voxeljet-
Datenanalysetool Vamos erlauben beispielsweise die freie Steuerung des
Temperatureintrages, mit dem das bedruckte Pulver verschmelzen soll. Auch
Schichtstärke, Tinteneintrag und genereller Prozessablauf sind frei einstellbar.
Technische Spezifikationen der Graustufen
- Unterschiedliche Härtegrade über Tinteneintrag abbildbar
- Bis zu 6 Graustufen möglich
- Graustufen je nach Material für Energieabsorption zusätzlichveriierbar
- Bessere Kantenschärfe im Vergleich zum Dithering
- Gute Detailtreue
- Höhere Festigkeit als über reines Dithering
- Kombinierbar mit Dithering für noch mehr Variation
- Glattere Oberflächen
Weitere Case Studies