Schicht für Schicht zum 3D-gedruckten Sneaker in der VX200 HSS

Der Coral Runner wurde in einem Stück auf einer VX200 HSS gedruckt. Das neue Design ermöglicht sowohl ein vereinfachtes Auspacken und Nachbearbeiten als auch ein optimiertes Verhalten des Schuhs in Bezug auf Komfort und Leistung.

Füße sind wohl mit eines der meist unterschätzen Körperteile, die wir haben. Neben unseren Händen gehören zu den am meisten genutzten Elementen unseres Bewegungsapparates und tragen uns – im besten Fall und im wahrsten Sinne des Wortes – bis an unser Lebensende. So ist es auch nicht weiter verwunderlich, dass die Menschheit schon früh begann, ihre Füße zu schützen. Der (damals noch sehr rudimentäre) Schuh war erfunden. Die ältesten archäologischen Funde datieren Schuhe bis ins Jahr 3500 v. Chr. zurück. Auch heute genießen Schuhe immer größere Aufmerksamkeit und Beliebtheit. Allen voran der Sneaker. Allein von 2012 bis 2019 ist der weltweite Umsatz von Sneakers von 30,4 auf 61,7 Mrd. Euro gestiegen. Bis 2025 wird eine Umsatzsteigerung auf bis zu 91,0 Mrd. Euro prognostiziert.

Kein Wunder also, dass Sportartikelhersteller Millionen in die Weiterentwicklung ihres Sneaker-Portfolios investieren. Gleichzeitig sieht sich die Schuhindustrie jedoch auch mit verschiedenen Herausforderungen konfrontiert. Zum einen in der Individualisierung: Kunden legen immer mehr Wert auf maßgeschneiderte Schuhe, die für maximalen Komfort perfekt an ihren Fuß und ihre Bewegungen angepasst sind. Zum anderen die Nachhaltigkeit: Vor allem Plastik befindet sich heutzutage in einer Art Imagekrise. Das Nutzen vieler verschiedener Kunststoffarten erschwert das Recycling maßgeblich. Sowie die Automatisierung: Individualisierung bedeutet kleine Stückzahlen. Kleine Stückzahlen setzen ihrerseits Sonderwerkzeuge oder -formen voraus, die wiederum in hohen Kosten für die Unternehmen und lange Lieferzeiten für den Kunden resultieren.

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

Eine 3D-gedruckte Metapher

Für Produkt- bzw. Schuhdesigner sind diese Herausforderungen und Trends schon lange keine Neuigkeit mehr. Shun Ping Pek bspw. ist ein Schuhdesigner aus Tokio, der sich schon seit seiner Kindheit für die Entstehung von Produkten begeistern konnte. An der Nanyang Technology University in Singapur ließ er sich zum Produktdesigner ausbilden und vertiefte seine Leidenschaft mit einem Vertiefungskurs an der Pensole Design Academy in Portland, USA.

Wie für viele von uns sind Schuhe für Shun Ping Pek ein integraler Bestandteil seines täglichen Lebens. Als er 2017 seinen ersten 3D-Drucker kaufte, begann er sich intensiver mit ihnen zu beschäftigen, fasziniert von den Herausforderungen bei der Herstellung von Schuhen sowie von den unendlichen Möglichkeiten des 3D-Drucks. Seine Inspiration für die Formgestaltung zieht der Schuhdesigner aus seiner Umwelt. Egal ob Objekte, Muster oder naturalistische Elemente, die ihm in seinem täglichen Leben begegnen. So entstand auch die Idee für sein Coral Runner Schuhkonzept.

Wie der Name schon sagt, haben Korallen, bzw. genauer gesagt das Wachstum von Korallen, die Vorstellungen für diesen Schuh beeinflusst. Besonders 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 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 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 Schuhsohle. So besteht der gesamte Schuh aus nur einem einzigen Element. Ohne Nähte, Klebstoff oder Verschlusselemente.

HSS die Wahl für schnelles Prototyping

Die VX200 HSS von voxeljet bestätigte sich als die richtige Wahl, um die erste Designiteration des Coral Runner herzustellen. Zum einen, da das Drucksystem mit konstanten Schichtzeiten sehr schnell arbeitet und zum anderen ist es in der Lage, eine Vielzahl von Polymeren zu verarbeiten. „Der große Vorteil des 3D-Drucks liegt zum einen in der On-Demand-Fertigung und zum anderen in der Eins-zu-eins-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 aufgrund des durchgängigen Designs wäre das sehr herausfordernd. Die HSS-Technologie bietet hier die ideale Lösung.“

Gedruckt wurde der Schuh im eigens für den HSS-Prozess neu qualifizierten TPU des Materialherstellers Covestro. Ein hochbelastbares, thermoplastisches Material, das in der Herstellung von Schuhsohlen schon seit Jahrzehnten Anwendung findet. Mit der HSS-Technologie von voxeljet können verschiedene Arten von Polymeren verarbeitet werden. Darunter das klassische PA12, aber auch Polypropylen, EVA, PEBA oder eben wie bei dem Coral-Runner TPU. Die Wahl des TPUs war in diesem Fall nur sinnvoll, denn es hat verschiedene spannende Eigenschaften. So kann es sehr weich und elastisch sein oder aber sehr hart und ausdauernd. Mit Hilfe der HSS-Technologie können diese Eigenschaften gezielt in allen drei Dimensionen beeinflusst werden.

Diese Eigenschaftsdefinition wird durch den sogenannten Graustufendruck ermöglicht. Indem das in das Pulverbett eingebrachte Volumen des Absorbers gezielt gesteuert wird, können bestimmte Baufeldbereiche stärker eingefärbt werden. Je mehr Absorber eingetragen wird, desto fester werden die Bauteile. Durch den Einsatz industrieller Tintenstrahldruckköpfe können dadurch verschiedene Graustufen innerhalb einer Schicht gedruckt und somit unterschiedliche Materialeigenschaften in nur einer Schicht etabliert werden. Im Hinblick auf Schuhe kann die Sohle so perfekt an individuelle Auftrittsmuster und Dämpfungsanforderungen anpasst werden.

Im Zuge des Coral Runners wurde das Design immer wieder sowohl optisch als auch funktional an den HSS-Prozess angepasst, um das Ergebnis zu optimieren.

Learning by doing

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 schnellstmöglich das Produkt in den Händen zu halten, Eigenschaften zu testen und das Design gegebenenfalls neu zu evaluieren. Das ist die große Stärke des 3D-Drucks. Es kann in kürzester Zeit reagiert werden, um die Produktevolution und -qualifikation zu beschleunigen.

Sowohl für den Designer als auch für voxeljet transformierte sich das Projekt in eine steile Lernkurve. Die Evaluation der maximalen Wandstärke war eine der größten Herausforderungen, um eine ausreichende Flexibilität des Schuhs zu gewährleisten und gleichzeitig das Gewicht und das benötigte Material zu reduzieren. Diese Aufgabenstellung konnte jedoch durch das schnelle digitale Anpassen des Designs und den darauffolgenden 3D-Druck hervorragend gemeistert werden.

Auch Shun Ping Pek zeigt sich zufrieden: „Ich habe gelernt, dass die HSS-Technologie im Vergleich zum Selektiven Lasersintern (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, z. B. auf größeren Plattformen wie der VX1000 HSS, sehe ich das Potenzial, dass HSS über das Prototyping hinaus in der Massenfertigung Anwendung finden wird.“

voxeljet arbeitet bereits an der Skalierung des HSS-Prozesses auf eine VX1000 HSS. Ein 3D-Drucksystem, dass seine Stärken insbesondere in der Produktion größerer Stückzahlen bis hin zur vollautomatisierten Serienproduktion ausspielen kann. Und wer weiß, vielleicht tragen uns 3D-gedruckte Schuhe dann schon bald die nächsten 3.500 Jahre.