18. September 2019
Der 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten in der Schuhtechnik und ermöglicht es Schuhfirmen, neue Schuhdesigns zu entwickeln und die wachsende Nachfrage nach Individualisierung zu befriedigen.
Nach einem aktuellen Bericht des Forschungsunternehmens SmarTech Analysis wird der 3D-Druck von Schuhen in den nächsten 10 Jahren zu einem Umsatzpotenzial von 9 Mrd. USD anwachsen. Das Unternehmen geht außerdem davon aus, dass sich das Segment der 3D-gedruckten Schuhe bis 2030 zum größten Segment der 3D-gedruckten Verbraucherprodukte entwickeln wird.
Aber was ist der Grund für diese riesige Chance?
In der Serie Application Spotlight dieser Woche befassen wir uns mit dem 3D-Druck für Schuhe und untersuchen die Vorteile, Anwendungsfälle und Trends, die die Zukunft der Technologie in der Schuhindustrie bestimmen.
Werfen Sie einen Blick auf die anderen Anwendungen, die in dieser Serie behandelt werden:
3D-Druck für Wärmetauscher
3D-Druck für Lager
3D-Druck für die Fahrradherstellung
3D-Druck für die digitale Zahnmedizin & Herstellung klarer Aligner
3D-Druck für medizinische Implantate
3D-Druck für Raketen und die Zukunft der Raumfahrt
3D-Druck für elektronische Komponenten
3D-Druck in der Bahnindustrie
3D-Gedruckte Brillen
3D-Druck für die Endteilfertigung
3D-Druck für Halterungen
3D-Druck für Turbinenteile
Wie 3D-Druck leistungsfähigere Hydraulikkomponenten ermöglicht
Wie 3D-Druck Innovationen in der Kernkraftindustrie unterstützt
Warum setzen Schuhmarken auf 3D-Druck?
Der 3D-Druck von Schuhen macht laut SmarTech Analysis derzeit etwa 0,3 % des weltweiten Umsatzes auf dem Schuhmarkt aus. Diese Zahl soll bis 2029 auf 1,5 % des gesamten weltweiten Umsatzes mit Schuhen steigen.
Dieses Wachstum ist zwar ermutigend, aber die tatsächliche Zahl ist im Vergleich zu den Gesamteinnahmen auf dem Schuhmarkt gering. Dies zeigt, dass der 3D-Druck in absehbarer Zeit keines der etablierten Herstellungsverfahren ersetzen wird.
Das heißt, dass 3D-gedruckte Schuhe eines der größten Segmente im 3D-Druck für Konsumgüter werden könnten. Diese Entwicklung wird vor allem durch zwei Haupttrends vorangetrieben:
1. Die wachsende Nachfrage der Verbraucher nach personalisierten Produkten;
2. Ein verstärkter Fokus auf die digitale Fertigung.
Die wachsende Nachfrage nach personalisierten Produkten
Die Realität in der heutigen Verbraucherlandschaft ist, dass die Verbraucher maßgeschneiderte, personalisierte Erfahrungen verlangen.
Als Reaktion darauf bieten viele Schuhfirmen ihren Kunden die Möglichkeit, Schuhe mit einem begrenzten Maß an Individualisierung zu bestellen, indem sie beispielsweise eine begrenzte Auswahl an Farben anbieten.
3D-Druck hingegen ermöglicht es den Unternehmen, eine neue Stufe der Individualisierung zu erreichen, indem sie Schuhe herstellen können, die speziell auf die Trägerin oder den Träger zugeschnitten sind.
Zugegebenermaßen befindet sich das Potenzial für massenhaft individualisierte Schuhe noch im Anfangsstadium, und die Schuhunternehmen beginnen gerade erst, Strategien zu entwickeln, um die Schuhindividualisierung in großem Umfang zu ermöglichen.
Wenn jedoch die Schuhmarken 3D-Drucktechnologien in der Produktion mutiger einsetzen, wird es mehr Möglichkeiten für die Personalisierung geben.
Ein verstärkter Fokus auf die digitale Fertigung
Ein weiterer wichtiger Treiber für die Einführung des 3D-Drucks von Schuhen ist die Digitalisierung und Automatisierung der Produktion.
Die Herstellung von Schuhen ist ein mehrstufiger, arbeitsintensiver Prozess, und ein Großteil des Produktionsprozesses erfolgt immer noch manuell. Es werden viele spezialisierte Maschinen und Arbeiter benötigt, um die einzelnen Teile herzustellen und sie zu einem fertigen Paar Schuhe zusammenzufügen.
Vor diesem Hintergrund suchen die Schuhhersteller nach neuen Möglichkeiten, den Herstellungsprozess zu optimieren.
Der 3D-Druck bietet eine ideale Alternative, da er es den Schuhherstellern ermöglicht, die Produktion bestimmter Schuhkomponenten zu rationalisieren.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsverfahren sind beim 3D-Druck keine zusätzlichen Werkzeuge erforderlich, um ein Teil herzustellen. Stattdessen wird ein digitales Modell erstellt und die Parameter, wie Druckgeschwindigkeit und Ausrichtung des Teils, auf der Bauplattform mithilfe einer speziellen Softwareanwendung eingestellt.
Das Modell wird dann an einen 3D-Drucker gesendet, wo eine andere Softwareanwendung den Druckvorgang automatisch entsprechend dem digitalen Modell und den voreingestellten Parametern steuert. Damit ist der 3D-Druck eine rein digitale Fertigungstechnologie.
Das bedeutet auch, dass die Produktion rationalisiert werden kann und die manuelle Arbeit bei der Schuhherstellung reduziert wird.
Alle großen Schuhmarken nutzen den 3D-Druck bereits seit über einem Jahrzehnt für die Herstellung von Prototypen und Formteilen. In den letzten Jahren wurde der 3D-Druck jedoch zunehmend für die Herstellung funktioneller Schuhkomponenten eingesetzt.
Die Herstellung von Teilen wie Zwischensohlen für Turnschuhe war bisher die erfolgreichste Anwendung des 3D-Drucks in der Schuhbranche. Einige Marken nutzen die Technologie, um Zwischensohlen und Einlegesohlen für Turnschuhe herzustellen, während andere mit 3D-gedruckten Oberteilen für Turnschuhe und Komponenten für Sandalen experimentieren.
Welche 3D-Drucktechnologien werden für die Schuhherstellung verwendet?
Die häufigste Gruppe von 3D-Drucktechnologien, die heute in der Schuhproduktion eingesetzt werden, ist die Bottich-Photopolymerisation. Diese Gruppe umfasst harzbasierte Technologien wie Stereolithografie und Digital Light Processing sowie die Digital Light Synthesis (DLS) von Carbon.
Diese Technologien beruhen auf einem ähnlichen Verfahren, bei dem eine Lichtquelle (ein Laser, ein Projektor oder Leuchtdioden) Schicht für Schicht auf ein flüssiges Harz aufgebracht wird, wodurch dieses verfestigt wird.
Die hohe Genauigkeit, die schnellen Druckgeschwindigkeiten und die Kompatibilität mit flexiblen und federnden Materialien wie TPU, Silikon und elastischem Polyurethan, die für Sportschuhe typisch sind, haben harzbasierte 3D-Drucktechnologien zu einer praktikablen Produktionslösung gemacht.
Neben den harzbasierten Technologien setzen Schuhhersteller auch auf pulverbasierte Technologien wie das Selektive Lasersintern (SLS) und die Multi Jet Fusion (MJF) von HP.
Sie sind ebenfalls für die Verarbeitung von Elastomermaterialien optimiert und bieten eine hohe Druckgeschwindigkeit. Im Gegensatz zu harzbasierten Technologien, die üblicherweise für Zwischensohlen verwendet werden, werden SLS und MJF jedoch eher für die Herstellung von Einlegesohlen eingesetzt.
Materialentwicklungen für 3D-gedruckte Schuhe
Der erfolgreiche Einsatz des 3D-Drucks in der Schuhproduktion erfordert Materialien in Produktionsqualität, die der 3D-Druckindustrie bis vor kurzem fehlten.
Neue Fortschritte bei schuhfreundlichen, 3D-druckbaren Materialien haben die Tür für mehr Produktionsanwendungen geöffnet. Dieser Fortschritt wurde vor allem durch die enge Zusammenarbeit zwischen Technologieanbietern und Schuhmarken vorangetrieben.
Carbon hat beispielsweise mit Adidas an der Entwicklung eines elastomeren Polyurethanmaterials gearbeitet, das für die Zwischensohlen der FutureCraft-Sneakers von Adidas verwendet wird.
In ähnlicher Weise hat sich New Balance mit Formlabs, einem Hersteller von Desktop-SLA-3D-Druckern, zusammengetan, um Hochleistungs-3D-Druckmaterialien für Schuhe zu produzieren. Gemeinsam haben sie ein neues proprietäres Photopolymerharz, Rebound Resin, eingeführt, das für die Herstellung von federnden und starken Gitterstrukturen entwickelt wurde.
Das gedruckte Material weist Berichten zufolge die gleiche Haltbarkeit und Zuverlässigkeit auf wie spritzgegossene Thermoplaste.
Die Vorteile des 3D-Drucks bei Schuhen
Schnellere Markteinführung
Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von Schuhen sind die Kosten und der Zeitaufwand für die Herstellung von Formen für Sohleneinheiten.
Für jede Schuhgröße ist eine eigene Form erforderlich, deren Herstellung Tausende von Dollar kosten kann. Darüber hinaus hat die Herstellung von Formen lange Vorlaufzeiten, die eine mehrmonatige Kommunikation zwischen der Marke und den Fabriken erfordern.
Im Gegensatz dazu sind für den 3D-Druck keine Formen erforderlich, und die Schuhkomponenten können direkt aus einer Designdatei erstellt werden, so dass die Schuhhersteller neue Schuhe viel schneller auf den Markt bringen können.
Adidas beispielsweise verwendet in seinen Speedfactories in Deutschland und Nordamerika automatisierte Schuhherstellungstechnologien, einschließlich 3D-Druck. Mit Hilfe des 3D-Drucks werden die Zwischensohlen für die Futurecraft- und 4D-Laufschuhe von Adidas und Alphaedge hergestellt.
Die Kombination aus 3D-Druck, Automatisierung und lokaler Produktion ermöglicht es Adidas Berichten zufolge, das Produkt dreimal schneller auf den Markt zu bringen als mit herkömmlicher Produktion.
Innovative Designs
3D-Druck ermöglicht es Schuhmarken, neue Designmerkmale für Schuhe zu erforschen und umzusetzen. Nehmen wir die Zwischensohle: Traditionell wird sie als festes Teil hergestellt, das im gesamten Schuh den gleichen Grad an Unterstützung bietet.
Mit dem 3D-Druck kann die Leistung von Schuhen erheblich verbessert werden, da Zwischensohlen mit Gitterstrukturen hergestellt werden können, die im Spritzgussverfahren nicht möglich wären.
Diese Strukturen können so gestaltet werden, dass sie unterschiedliche Dichten innerhalb einer Zwischensohle aufweisen. Durch die Abstimmung verschiedener Bereiche einer Zwischensohle können die Designer die Dämpfungseigenschaften im gesamten Schuh optimieren und so leistungsfähigere Schuhe herstellen.
Kundenanpassung
Ein weiterer Vorteil des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, auf die Füße des Trägers zugeschnittene Schuhe zu erstellen.
Um ein maßgeschneidertes Paar Schuhe herzustellen, verwenden Unternehmen in der Regel 3D-Scans, um die individuellen Maße der Füße eines Kunden zu erfassen.
Auf der Grundlage der Scans erstellen Designer einen Entwurf von Schuhkomponenten, wie Zwischensohlen oder Einlegesohlen, die den Besonderheiten des Kunden entsprechen. Der Entwurf wird dann an einen 3D-Drucker zur direkten Herstellung weitergeleitet.
Der dänische Schuhdesigner ECCO nutzt diesen Ansatz, um seinen Kunden ein noch individuelleres Erlebnis zu bieten. Im vergangenen Jahr hat der Schuhhersteller das Projekt QUANT-U zur Individualisierung von Schuhen vorgestellt, das vom ECCO Innovation Lab (ILE) geleitet wird. Das Projekt findet in ECCOs experimentellem Concept Store W-21 in Amsterdam statt und bietet einen Ausblick darauf, wie die Zukunft der Schuhproduktion aussehen könnte.
Das W-21-Geschäft nutzt den 3D-Druck, um begehbare Kunden innerhalb weniger Stunden mit maßgeschneiderten Schuhen zu versorgen.
Ermöglicht wird dies durch einen dreistufigen Prozess, der mit der Erfassung der Kundendaten durch 3D-Scans und tragbare Sensoren beginnt. Zu den Daten gehören Messungen wie Fußgewölbekonturen, Fußlänge, -breite und -volumen, Zehenabstand und das auf die Sohlen des Kunden verteilte Körpergewicht.
Die Daten werden dann interpretiert und in ein Design der Zwischensohle übersetzt, das auf die Füße des Kunden zugeschnitten ist. Die Designdatei wird an einen 3D-Drucker vor Ort gesendet, der die Zwischensohle aus einem Silikonmaterial herstellt. Anschließend werden die 3D-gedruckten Zwischensohlen in die Flexure-Schuhe von ECCO integriert, um dem Kunden eine perfekte Passform zu bieten.
Zurzeit ist das QUANT-U-Projekt nur einem ausgewählten Kundenkreis zugänglich. Wenn es sich als kommerziell erfolgreich erweist, könnte der Grad der Individualisierung, den das Projekt bietet, dem stationären Handel einen Wettbewerbsvorteil in einer vom Online-Shopping dominierten Welt verschaffen.
Beispiele für den 3D-Druck in der Schuhindustrie
3D-gedruckte Zwischensohlen
Zwischensohlen – die stoßdämpfende Schicht zwischen Innen- und Außensohle – sind vielleicht das bekannteste Beispiel für den 3D-Druck in der Schuhindustrie.
Sneaker mit 3D-gedruckten Zwischensohlen waren eines der ersten Verbraucherprodukte, die mit Hilfe der additiven Fertigung in Serie produziert wurden. Im Jahr 2019 bleibt Adidas an der Spitze des 3D-Drucks bei Schuhen und hat Berichten zufolge über 100.000 Paar Schuhe mit 3D-gedruckten Zwischensohlen hergestellt.
Allerdings ist Adidas nicht das einzige Unternehmen, das innovative Zwischensohlendesigns mit 3D-Druck entwickelt. Im Jahr 2019 brachte New Balance ein neues Paar Sneakers auf den Markt, das eine 3D-gedruckte Fersenkomponente in der Zwischensohle aufweist.
Die 990 Sport Läufer sind das Ergebnis einer neuen Plattform, TripleCell, die die SLA-Technologie von Formlabs und ein neues proprietäres Material namens Rebound Resin nutzt. Das Harz soll den traditionell geformten Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA)-Schaum ersetzen.
Eine der Triebfedern für diese Veränderung ist die Möglichkeit, verschiedene Unterstützungsniveaus für verschiedene Teile des Schuhs zu entwerfen. Dies wird erreicht, indem Schichten von Gitterstrukturen mit unterschiedlicher Dichte über den gesamten Absatz gelegt werden. Der 3D-Druck ist die einzige Technologie, mit der solche Strukturen hergestellt werden können.
Mit seiner TripleCell-Plattform hat New Balance eine neue Art von federndem und elastischem Absatz entwickelt, der die Haltbarkeit und Langlebigkeit einer spritzgegossenen Alternative aufweist. Der 3D-Druck hilft dem Unternehmen auch, die Fertigung zu lokalisieren und die Entwicklungs- und Produktionszyklen zu beschleunigen.
Wir gehen davon aus, dass sich die Entwicklung in diesem Bereich fortsetzen wird und weitere Schuhmarken auf den Zug der Schuhe mit 3D-gedruckten Zwischensohlen aufspringen werden.
3D-gedruckte Obermaterialien
Ein Obermaterial ist eine Schuhkomponente, die die Zehen, den oberen Teil des Fußes, die Seiten des Fußes und die Rückseite der Ferse bedeckt. Es ist neben der Sohle einer der beiden integralen Bestandteile des Schuhs. Oberteile werden traditionell aus Textil hergestellt, was für 3D-Polymerdrucker eine Herausforderung sein kann. Einige Schuhmarken haben jedoch Ansätze zur Herstellung von Oberteilen aus flexiblen Kunststoffen wie TPU entwickelt.
Ein Beispiel dafür ist der Nike Flyprint: Dieses Oberteil ist das erste 3D-gedruckte Textiloberteil bei Sportschuhen. Das im letzten Jahr erstmals vorgestellte Flyprint-Obermaterial wird mit Hilfe von Solid Deposit Modeling (SDM) hergestellt, einem Verfahren, bei dem ein TPU-Filament geschmolzen und in dünnen Schichten aufgetragen wird.
Ein Vorteil des 3D-gedruckten Obermaterials von Nike gegenüber traditionell gewebten Obermaterialien ist die längere Haltbarkeit des Materials, da die Schichten miteinander verschmolzen werden und der Reibungswiderstand, der bei gestrickten oder gewebten Textilien üblich ist, entfällt.
Wenn man sich die Struktur des Flyprint-Stoffes genau anschaut, erkennt man ein paar deutliche Muster. Die Vorderseite des Schuhs ist gitterförmig, während die Seiten ein eher wellenförmiges Muster aufweisen. Dank dieses Designs ist das Obermaterial leichter und atmungsaktiver als die nicht 3D-gedruckten Textilien von Nike.
Auch andere Marken erforschen den 3D-Druck für Schuhoberteile. Die unabhängige Schuhmarke Oliver Cabell beispielsweise druckt das Obermaterial für ihre Phoenix-Sneaker aus recycelten Wasserflaschen in 3D. Für ein Schuhoberteil werden etwa sieben Wasserflaschen benötigt, die zunächst in Flocken zerkleinert, eingeschmolzen und zu langen Garnsträngen geformt werden müssen. Diese Stränge werden dann einem 3D-Drucker zugeführt, um das Obermaterial herzustellen.
Oberteile sind im Vergleich zu Zwischensohlen eine weniger entwickelte Anwendung für den 3D-Druck. Dies könnte sich jedoch im Laufe der Zeit ändern, da der 3D-Druck die notwendigen Schritte und Kosten für die Herstellung von Oberteilen erheblich reduzieren könnte.
100% 3D-gedruckte Schuhe?
Beispiele für 3D-gedruckte Schuhkomponenten gibt es viele, aber ist es möglich, ganze Schuhe in 3D zu drucken?
Im Moment lautet die kurze Antwort: Nein. Allerdings kommen einige Unternehmen der Vision von vollständig 3D-gedruckten Schuhen immer näher. PEAK Sports Products, eine chinesische Sportbekleidungsmarke, ist ein solches Unternehmen. Sie hat Anfang dieses Jahres ein neues Modell von fast vollständig 3D-gedruckten Turnschuhen auf dem chinesischen Markt eingeführt.
Das Obermaterial, die Zwischensohle und die Außensohle der neuen FUTURE FUSION PEAK3D-Sneakers wurden mit einer Kombination aus SLS (für die Zwischensohle und die Sohle), 3D-Extrusionsdruck (das Obermaterial) und einem TPU-Material hergestellt. Die Einlegesohle und das Innentextil werden jedoch offensichtlich mit traditionellen Methoden hergestellt.
Neben Turnschuhen gibt es auch viele Neuigkeiten über 3D-gedruckte Sandalen, darunter die Sandalen von Wiivv, die eine der am meisten finanzierten 3D-Druckkampagnen auf Kickstarter waren.
Die Bezeichnung „3D-gedruckte Sandale“ ist jedoch falsch, da nur einige Komponenten der Sandalen 3D-gedruckt sind. So werden bei den Sandalen von Wiivv offenbar nur die Fußgewölbestützen 3D-gedruckt, während andere Komponenten auf herkömmliche Weise hergestellt werden.
3D-Drucken ganzer Schuhe ist eine faszinierende Idee, aber derzeit noch nicht realisierbar.
Zum einen kann die Technologie nicht alle bei der Schuhherstellung verwendeten Verfahren ersetzen und gleichzeitig wirtschaftlich rentabel sein. Im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung sind 3D-Drucktechnologien langsamer, weniger skalierbar und haben deutlich höhere Materialpreise. Das macht die Massenproduktion mit 3D-Druck zu einer schwierigen Aufgabe.
Das zweite Problem ist mit der Wertschöpfungskette der Schuhherstellung verbunden. Die Schuhherstellung umfasst die Erstellung eines Leistens, einer dreidimensionalen Holz- oder Kunststoffform, auf der ein Schuh aufgebaut wird.
Die Einführung des 3D-Drucks für ganze Schuhe würde die Notwendigkeit eines Leistens überflüssig machen und von den Herstellern ein völliges Umdenken in der Produktion verlangen, was sich auf die Zulieferer und Beteiligten in der gesamten Wertschöpfungskette auswirken würde. Die Notwendigkeit einer erheblichen Umstellung ist ein weiterer Faktor, der 3D-gedruckte Schuhe – zumindest vorerst – außer Reichweite bringt.
Mit 3D-Druck neue Möglichkeiten für Schuhe schaffen
Durch die Kombination neuer Materialien und digitaler Fertigung öffnet der 3D-Druck die Tür für innovative Schuhprodukte.
Die Technologie erleichtert derzeit die Herstellung von Hochleistungssportschuhen und maßgeschneiderten Sandalen durch 3D-gedruckte Schuhkomponenten. So können Schuhmarken die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen, während sie gleichzeitig neue Designs erforschen und größere Anpassungsmöglichkeiten einführen.
Trotz dieser Vorteile ist der Einsatz des 3D-Drucks in der Schuhindustrie nach wie vor begrenzt, da die Technologie derzeit nicht so skalierbar ist, dass sie den intensiven und hochproduktiven Anforderungen der Schuhindustrie gerecht wird.
Dennoch wird sich der 3D-Druck von Schuhen weiter entwickeln, angetrieben von den Trends in der digitalen Fertigung und der Nachfrage nach personalisierten Erfahrungen.
Natürlich wird die Einführung des 3D-Drucks einige Herausforderungen in der Wertschöpfungskette der Schuhindustrie mit sich bringen, deren Bewältigung Zeit und Mühe erfordert. Die Belohnung in Form von einzigartigen Produkt- und Dienstleistungsangeboten könnte sich jedoch lohnen. Letztendlich könnte die Schuhindustrie der erste große Anwender des 3D-Drucks für die Massenproduktion von Konsumgütern werden.