Coral Runner – individueller Schuh aus dem 3D-Drucker

Der Sneaker Coral-Runner wurde in einem Stück auf einer VX 200 HSS von Voxeljet gedruckt. Das neue Design ermöglicht sowohl ein vereinfachtes Auspacken und Nachbearbeiten, ein optimiertes Verhalten des Schuhs in Bezug auf Komfort und Leistung und ein einfaches Recycling dank Monomaterial. Foto: Voxeljet

Der Sneaker „Coral Runner“ zeigt, wie die Schuhindustrie den Wunsch nach individuellen Schuhen mit dem Einsatz von 3D-Druckern nachhaltig erfüllen kann.

Shun Ping Pek heißt ein Schuhdesigner aus Singapur, der mit Unterstützung von Voxeljet demonstriert, wie die Schuhindustrie mit 3D-Druckern den aktuellen Herausforderungen begegnen und die steigende Nachfrage nach individuellen, nachhaltigen und bezahlbaren Schuhen erfüllen kann.

Individualisierung von Schuhen als große Herausforderung

Die Schuhindustrie ist derzeit mit mehreren Herausforderungen konfrontiert. Eine davon ist die Individualisierung. Denn immer mehr Kunden legen Wert auf maßgeschneiderte Schuhe, die für maximalen Komfort perfekt an ihren Fuß und ihre Bewegungen angepasst sind.

Die Tubus-Strukturen des Designs wirken sowohl als Verstärkung an der Außenseite als auch als Profil an der Laufsohle. Foto: Voxeljet

Allerdings sorgt das Streben nach Individualisierung für kleinere Stückzahlen, was wiederum die für niedrige Kosten wichtige Automatisierung erschwert. Denn kleine Stückzahlen setzen Sonderwerkzeuge oder -formen voraus, die wiederum in hohen Kosten für die Unternehmen und lange Lieferzeiten für den Kunden resultieren.

Eine weitere Herausforderung ist der Trend zur Nachhaltigkeit, was dazu geführt hat, dass sich Kunststoff nach wie vor in einer Imagekrise befindet – auch weil das Nutzen vieler verschiedener Kunststoffarten in einem Produkt das Recycling erschwert.

3D-Drucker sind die Lösung

Doch es gibt eine Lösung für alle diese Probleme: den 3D-Druck. Denn heute können neueste Scan-Technologien hochwertige CAD Daten liefern, die ein genaues, digitales Abbild des geprüften Fußes repräsentieren. Durch Simulationen wird das Laufverhalten analysiert und in eine individualisierte digitale Schuhsohle übertragen. Diese Daten dienen dem 3D-Druck als Konstruktionsvorlage.

Die erste Design-Iteration des Coral-Runner zeigte ein paar Schwachstellen und Optimierungspotenzial, um die benötigte Materialmenge zu reduzieren und insgesamt Gewicht zu sparen. Foto: Voxeljet

Die Daten und die repräsentative Schuhsole können dabei zudem hinsichtlich ihres Materialverbrauches optimiert werden. Material wird nur da eingesetzt, wo es sinnvoll ist und benötigt wird. Durch neue komplexe Formen und Strukturen können zudem neue Funktionen in den Schuh direkt integriert werden. Ohne den Bedarf für Werkzeuge können so Materialeigenschaften optimal angepasst werden.

Nachdem sich der 3D-Druck auch über die letzten Jahre kontinuierlich zu einer hochproduktiven und automatisierbaren Produktionsmethode weiterentwickelt hat, wird der Weg für die automatisierte Serienfertigung von individualisierten Produkten möglich.

Shun Ping Pek, ein Schuhdesigner aus Tokio, war von der Idee fasziniert, individuelle Schuhe mit 3D-Druckern herzustellen und beschäftigt sich schon seit mehreren Jahren mit diesem Thema. Seine Inspiration für neue Designs zieht der Schuhdesigner gerne aus seiner Umwelt – aus Objekten, Mustern oder naturalistischen Elementen, die ihm in seinem täglichen Leben begegnen. So entstand auch die Idee für das Schuhkonzept „Coral Runner“.

Korallen als Vorbild der Natur

Wie der Name schon sagt, haben Korallen – genauer gesagt das Wachstum von Korallen – die Vorstellungen für diesen Schuh beeinflusst. Besondern im Hinblick auf den 3D-Druck recht passend. Denn metaphorisch betrachtet folgen sowohl die Koralle als auch der 3D-Druck einer ähnlichen Wachstumsstrategie. Mit dem Coral-Runner wollte Shun Ping Pek eine Parallele zu der Idee ziehen, den Schuh ähnlich wie Korallen in der Natur im Pulverbett des 3D-Druck-Verfahren wachsen zu lassen.

Die Geometrie des Coral Runner ist gleichermaßen einfach wie komplex. Während das Gesamtdesign des Schuhs so einfach wie möglich gehalten ist, dienen die komplexen Tubusstrukturen als Verstärkungen auf der Oberfläche und gleichzeitig als Profil auf der Schuhsole. So besteht der gesamte Schuh aus nur einem einzigen Element. Ohne Nähte, Klebstoff oder Verschlusselementen.

Bei der zweiten Design-Iteration des Coral-Runner wurden die Wandstärken reduziert. Außerdem wurden Aussparungen in die Sohle eingearbeitet, um Material zu sparen und sie flexibler zu machen. Foto: Voxeljet

Als Partner für die Herstellung eines ersten Prototyp des Schuhs entschied sich Shun Ping Pek für Voxeljet, die mit ihrer High Speed Sintering Technologie ein geeignetes Polymer-3D-Druckverfahren anbieten. Und so entstand auf dem VX 200 HSS von Voxeljet die erste Designiteration des Coral Runner. Einerseits weil das Drucksystem mit konstanten Schichtzeiten sehr schnell arbeitet und andererseits weil es eine Vielzahl von Polymeren verarbeiten kann; darunter das klassische PA12, aber auch Polypropylen, EVA, PEBA oder TPU.

„Der große Vorteil des 3D-Drucks liegt zum einen in der on-demand Fertigung und zum anderen in der 1 zu 1 Übertragung des digitalen Modells in ein reales Objekt.“ erklärt Shun Ping Pek „Zwar könnte der Coral Runner theoretisch auch mit konventionellen Fertigungstechniken wie Spritzguss hergestellt werden. Doch auf Grund des durchgängigen Designs wäre das sehr herausfordernd. Die HSS-Technologie bietet hier die ideale Lösung.“

Gedruckt mit TPU von Covestro

Gedruckt wurde der Schuh im eigens für den HSS-Prozess neu qualifizierten TPU von Covestro. Ein hochbelastbares, thermoplastisches Material, dass in der Herstellung von Schuhsolen schon seit Jahrzehnten Anwendung findet, beim 3D-Druck aber besondere Vorteile eröffnet: So kann es sehr weich und elastisch sein oder aber sehr hart und ausdauernd – und diese Eigenschaften können bei der HSS Technologie von Voxeljet gezielt in allen drei Dimensionen beeinflusst werden.

Möglich macht dies der sogenannte Graustufendruck von Voxeljet. Dabei wird das in das Pulverbett eingebrachte Volumen des Absorbers gezielt gesteuert, und so können bestimmte Baufeldbereiche stärker eingefärbt werden. Je mehr Absorber eintragen wird, desto fester werden die Bauteile. Durch den Einsatz industrieller Tintenstrahldruckköpfe können dabei verschiedene Graustufen innerhalb einer Schicht gedruckt und somit unterschiedliche Produkteigenschaften in nur einer Schicht erreicht werden. Im Hinblick auf Schuhe lässt sich die Sohle so perfekt an individuelle Auftrittsmuster und Dämpfungsanforderungen anpassen.

Designiterationen in kürzester Zeit realisiert

Im Fall des Coral Runners wurde das Design im Rahmen der Entwicklung immer wieder sowohl optisch als auch funktional an den HSS-Prozess angepasst. Jede Designiteration konnte dabei in wenigen Tagen werkzeuglos realisiert werden. Die Daten sind am Computer schnell bearbeitet und können sofort auf das Drucksystem gespielt werden, um schnellst möglich das Produkt in den Händen zu halten, Eigenschaften zu testen und das Design gegebenenfalls neu zu evaluieren.

Nach dem Scannen des Fußes und der Analyse des Laufverhaltens kann mit einem 3D-Drucker ein individueller Schuh hergestellt werden. Foto: Voxeljet

„Das ist die große Stärke des 3D-Drucks. Es kann in kürzester Zeit reagiert werden, um die Produktevolution und -qualifikation zu beschleunigen“, so Voxeljet. Sowohl der Designer als auch Voxeljet bewegte sich mit dem Projekt in einer steilen Lernkurve. Die Evaluation der maximalen Wandstärke war eine der größten Herausforderungen, um eine ausreichende Flexibilität des Schuhs zu gewährleisten und gleichzeitig das Gewicht und benötigte Material zu reduzieren. Diese konnte jedoch durch das schnelle digitale Anpassen des Designs und den darauffolgenden 3D-Druck in so kurzer Zeit gemeistert werden.

Shun Ping Pek jedenfalls zeigt sich zufrieden: „Ich habe gelernt, dass die HSS-Technologie im Vergleich zum Selektiven Laser-Sintern – SLS – deutlich schneller druckt. Unter Berücksichtigung der Funktionsweise der Technologie bin ich in der Lage, verbesserte funktionale Designs zu erstellen. Mit der gesteigerten Effizienz der HSS-Technologie, zum Beispiel auf größeren Plattformen wie der VX 1000 HSS, sehe ich das Potenzial, dass HSS über das Prototyping hinaus in die Massenfertigung übernommen wird.“

Wie bei der Entwicklung des Schuhs hat Voxeljet auch hier schnell reagiert und arbeitet bereits an der Skalierung des HSS Prozesses auf eine VX 1000 HSS – ein 3D-Drucksystem, das seine Stärken insbesondere in der Produktion größerer Stückzahlen bis hin zur vollautomatisierten Serienproduktion ausspielen kann.

gk

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