18 september 2019
D printing is shaping new possibilities in footwear engineering, enabling footwear companies to create new shoe designs and address the growing demand for customisation.
Volgens een recent rapport van onderzoeksbureau SmarTech Analysis zal het 3D-printen van schoenen de komende 10 jaar uitgroeien tot een omzetkans van 9 miljard dollar. Het bedrijf suggereert ook dat een 3D-geprint schoeisel segment het grootste 3D-geprinte consumentenproduct segment zal worden tegen 2030.
Maar wat is de drijvende kracht achter deze enorme kans?
In de serie Application Spotlight van deze week duiken we in 3D-printen voor schoeisel, onderzoeken we de voordelen, use cases en trends die de toekomst van de technologie in de schoenenindustrie vormgeven.
Kijk ook eens naar de andere toepassingen die in deze serie aan bod komen:
3D Printing voor warmtewisselaars
3D Printing voor lagers
3D Printing voor fietsfabricage
3D Printing voor digitale tandheelkunde & Clear Aligner Manufacturing
3D Printing voor medische implantaten
3D-Printed Rockets and the Future of Spacecraft Manufacturing
3D Printing voor elektronische componenten
3D Printing in de spoorwegindustrie
3D-.Geprinte brillen
3D-printen voor de productie van eindonderdelen
3D-printen voor beugels
3D-printen voor turbinedelen
Hoe 3D-printen beter presterende hydraulische componenten mogelijk maakt
Hoe 3D-printen de innovatie in de kernenergie-industrie ondersteunt
Waarom gaan schoenmerken over op 3D-printen?
De huidige omzet uit 3D-printing van schoeisel bedraagt volgens SmarTech Analysis ongeveer 0,3% van de wereldwijde omzet uit de schoeiselmarkt. Dit cijfer zal stijgen tot 1,5% van de totale wereldwijde inkomsten uit schoeisel in 2029.
Hoewel deze groei bemoedigend is, is het werkelijke cijfer klein in vergelijking met de totale inkomsten van de schoeiselmarkt. Dit geeft aan dat 3D-printing niet op korte termijn een van de gevestigde productieprocessen zal vervangen.
Dat gezegd hebbende, zou 3D-geprint schoeisel een van de grootste segmenten in consumentenproducten 3D-printen kunnen worden. Deze evolutie zal voornamelijk worden gedreven door twee belangrijke trends:
1.
1. De groeiende consumentenvraag naar gepersonaliseerde producten;
2. Een grotere nadruk op digitale fabricage.
De groeiende vraag naar gepersonaliseerde producten
De realiteit van het huidige consumentenlandschap is dat consumenten vragen om op maat gemaakte, gepersonaliseerde ervaringen.
In reactie hierop staan veel schoenenbedrijven toe dat klanten schoenen bestellen met een beperkte mate van maatwerk, bijvoorbeeld door een beperkte selectie kleuren aan te bieden.
3D-printing daarentegen stelt bedrijven in staat een nieuw niveau van maatwerk te ontsluiten dankzij de mogelijkheid om schoenen te maken die specifiek op de drager zijn afgestemd.
Toegegeven moet worden dat het potentieel voor massaal aangepast schoeisel nog in de kinderschoenen staat en dat schoeiselbedrijven nog maar net zijn begonnen met het ontwikkelen van strategieën om massaal aangepast schoeisel mogelijk te maken.
Naarmate schoeiselmerken echter gedurfder worden met het gebruik van 3D-printtechnologieën in de productie, zullen er meer mogelijkheden voor personalisering komen.
Meer aandacht voor digitale productie
Een andere belangrijke drijfveer voor de invoering van 3D-printing van schoeisel is de digitalisering en automatisering van de productie.
Het vervaardigen van schoenen is een arbeidsintensief proces in meerdere stappen, en een groot deel van het productieproces is nog steeds handmatig. Er zijn veel gespecialiseerde machines en arbeiders nodig om afzonderlijke stukken te vervaardigen en ze in elkaar te passen om een afgewerkt paar schoenen te maken.
Met dit in het achterhoofd zijn schoenenbedrijven op zoek naar nieuwe manieren om het productieproces te optimaliseren.
3D-printen biedt een ideaal alternatief door schoenbedrijven in staat te stellen de productie van bepaalde schoenonderdelen te stroomlijnen.
In tegenstelling tot traditionele productieprocessen is er bij 3D-printen geen extra gereedschap nodig om een onderdeel te maken. In plaats daarvan bestaat het proces uit het creëren van een digitaal model en het instellen van parameters, zoals printsnelheid en oriëntatie van het onderdeel, op het build-platform, met behulp van een gespecialiseerde softwaretoepassing.
Het model wordt vervolgens naar een 3D-printer gestuurd, waar een andere softwaretoepassing het printproces automatisch begeleidt volgens het digitale model en de vooraf ingestelde parameters. Dit maakt 3D-printen tot een zuiver digitale productietechnologie.
Dit betekent ook dat de productie kan worden gestroomlijnd terwijl de handarbeid die bij het schoenmaakproces komt kijken, wordt verminderd.
Alle grote schoenenmerken maken al meer dan tien jaar gebruik van 3D-printen voor prototyping- en vormtoepassingen. De laatste jaren wordt 3D-printing echter steeds meer gebruikt voor de productie van functionele schoeiselonderdelen.
De productie van onderdelen zoals tussenzolen voor sneakers is tot nu toe de meest succesvolle schoeiselapplicatie voor 3D-printen geweest. Sommige merken gebruiken de technologie om tussenzolen en inlegzolen voor sneakers te maken, terwijl anderen experimenteren met 3D-geprinte bovendelen van sneakers en onderdelen van sandalen.
Welke 3D-printtechnologieën worden gebruikt voor de productie van schoeisel?
De meest voorkomende groep 3D-printtechnologieën die tegenwoordig bij de productie van schoeisel wordt gebruikt, is vatfotopolymerisatie. Deze groep omvat op hars gebaseerde technologieën zoals stereolithografie en digitale lichtverwerking en de digitale lichtsynthese (DLS) van Carbon.
Deze technologieën zijn gebaseerd op een vergelijkbaar proces, waarbij een lichtbron (een laser, een projector of lichtgevende diodes) laag voor laag op een vloeibare hars wordt aangebracht, waardoor deze stolt.
Hoge nauwkeurigheid, hoge printsnelheden en compatibiliteit met flexibele en verende materialen, zoals TPU, siliconen en elastisch polyurethaan, typisch voor sportschoenen, hebben op hars gebaseerde 3D-printtechnologieën tot een levensvatbare productieoplossing gemaakt.
Naast op hars gebaseerde technologieën gebruiken schoenmakers ook op poeder gebaseerde technologieën, zoals Selective Laser Sintering (SLS) en HP’s Multi Jet Fusion (MJF).
Deze zijn ook geoptimaliseerd om met elastomere materialen te werken en bieden een hoge printsnelheid. In tegenstelling tot de op hars gebaseerde technologieën die doorgaans voor tussenzolen worden gebruikt, worden SLS en MJF echter meer gebruikt voor de productie van binnenzolen.
Materiaalontwikkelingen voor 3D-geprint schoeisel
Voor een succesvol gebruik van 3D-printing bij de productie van schoeisel zijn productiekwaliteitsmaterialen nodig, waaraan het de 3D-printingindustrie tot voor kort ontbrak.
De recente vooruitgang op het gebied van schoeiselvriendelijke, 3D-printbare materialen heeft de deur geopend voor meer productietoepassingen. Deze vooruitgang is grotendeels gevoed door een nauwe samenwerking tussen technologieleveranciers en schoenenmerken.
Carbon heeft bijvoorbeeld samengewerkt met Adidas om een elastomeer polyurethaanmateriaal te ontwikkelen dat wordt gebruikt voor tussenzolen in Adidas’ FutureCraft-sneakers.
Evenzo is New Balance een samenwerking aangegaan met Formlabs, een fabrikant van desktop SLA 3D-printers, om hoogwaardige 3D-printmaterialen te produceren die geschikt zijn voor schoeisel. Samen hebben ze een nieuwe eigen fotopolymeerhars geïntroduceerd, Rebound Resin, die is ontworpen om veerkrachtige en sterke rasterstructuren te creëren.
Wanneer het materiaal wordt geprint, vertoont het naar verluidt dezelfde duurzaamheid en betrouwbaarheid als thermoplastische spuitgietmaterialen.
De voordelen van 3D-printen in schoeisel
Snellere doorlooptijd
Een van de grootste uitdagingen bij de productie van schoeisel zijn de kosten en de tijd die nodig zijn om mallen voor de zooleenheden te maken.
Voor elke schoenmaat is een afzonderlijke mal nodig, die duizenden dollars kan kosten om te maken. Bovendien heeft de productie van mallen lange doorlooptijden, waardoor maandenlange heen-en-weer communicatie tussen het merk en de fabrieken nodig is.
Bij 3D-printen zijn daarentegen geen mallen nodig en kunnen schoenonderdelen rechtstreeks vanuit een ontwerpbestand worden gemaakt, waardoor schoenmakers veel sneller nieuwe schoenen op de markt kunnen brengen.
Adidas maakt bijvoorbeeld gebruik van geautomatiseerde schoenproductietechnologieën, waaronder 3D-printen, in zijn Speedfabrieken in Duitsland en Noord-Amerika. 3D-printing wordt gebruikt om tussenzolen te maken voor Adidas’ Futurecraft- en Alphaedge’s 4D-runningschoenen.
De combinatie van 3D-printing, automatisering en gelokaliseerde productie stelt Adidas naar verluidt in staat om het product drie keer sneller op de markt te brengen dan met traditionele productie.
Innovatieve ontwerpen
D-printing stelt schoenenmerken in staat om nieuwe ontwerpkenmerken voor schoenen te verkennen en te implementeren. Neem nu de tussenzool: traditioneel wordt deze gemaakt als een massief stuk met dezelfde mate van ondersteuning in de hele schoen.
Met 3D-printen kunnen de prestaties van schoenen aanzienlijk worden verbeterd, dankzij de mogelijkheid om tussenzolen met rasterstructuren te maken, wat onmogelijk zou zijn om te spuitgieten.
Deze structuren kunnen worden ontworpen om verschillende dichtheden binnen een tussenzool te hebben. Door verschillende delen van een tussenzool te tunen, kunnen ontwerpers de dempingseigenschappen in de hele schoen optimaliseren en zo schoeisel met betere prestaties creëren.
Customisation
Een ander voordeel van 3D-printen is de mogelijkheid om schoenen op maat te maken voor de voeten van de drager.
Om een paar schoenen op maat te maken, maken bedrijven doorgaans gebruik van 3D-scanning om de individuele afmetingen van de voeten van een klant vast te leggen.
Op basis van de scans genereren ontwerpers een ontwerp van schoenonderdelen, zoals tussenzolen of inlegzolen, die voldoen aan de bijzonderheden van de klant. Het ontwerp wordt vervolgens naar een 3D-printer gestuurd voor directe productie.
De Deense schoenenontwerper ECCO gebruikt deze aanpak om de gepersonaliseerde ervaring voor zijn klanten uit te breiden. Vorig jaar introduceerde de schoenmaker het QUANT-U schoenenaanpassingsproject, geleid door ECCO’s Innovation Lab (ILE). Het project vindt plaats in ECCO’s experimentele conceptstore, W-21, in Amsterdam en biedt een blik op hoe de toekomst van de schoenenproductie eruit zou kunnen zien.
De W-21-winkel maakt gebruik van 3D-printing om klanten binnen enkele uren te voorzien van schoenen op maat.
Dit wordt mogelijk gemaakt door een proces in drie stappen, dat begint met het verzamelen van klantgegevens via 3D-scannen en draagbare sensoren. De gegevens omvatten metingen, zoals boogcontouren, voetlengte, -breedte en -volume, teenafstand en lichaamsgewicht verdeeld over de zolen van klanten.
De gegevens worden vervolgens geïnterpreteerd en vertaald in een ontwerp van de tussenzool, afgestemd op de voeten van de klant. Het ontwerpbestand wordt naar een on-site 3D-printer gestuurd die de tussenzool produceert in een siliconenmateriaal. Vervolgens worden de 3D-geprinte tussenzolen geïntegreerd in ECCO’s Flexure-schoenen om een perfecte pasvorm voor een klant te bieden.
Huidig is het QUANT-U-project alleen beschikbaar voor een selecte klantenkring. Als het project commercieel succesvol blijkt, kan het niveau van aanpassing dat het project biedt, fysieke winkels een concurrentievoordeel bieden in een wereld die wordt gedomineerd door online winkelen.
Voorbeelden van 3D-printing in de schoenenindustrie
D3-geprinte tussenzolen
De tussenzolen – de schokabsorberende laag tussen de binnen- en buitenzool – zijn misschien wel het bekendste voorbeeld van 3D-printing in de schoenenindustrie.
Sneakers met 3D-geprinte tussenzolen zijn een van de eerste consumentenproducten die in massaproductie worden vervaardigd met behulp van additieve vervaardiging. In 2019 blijft Adidas vooroplopen op het gebied van 3D-printen in schoeisel, dat naar verluidt meer dan 100.000 paar schoenen met 3D-geprinte tussenzolen heeft geproduceerd.
Adidas is echter niet het enige bedrijf dat tussenzoolontwerpen innoveert met 3D-printen. In 2019 bracht New Balance een nieuw paar sneakers op de markt met een 3D-geprinte hielcomponent in de tussenzool.
De 990 Sport-lopers zijn het resultaat van een nieuw platform, TripleCell, dat gebruikmaakt van Formlabs’ SLA-technologie en een nieuw eigen materiaal genaamd Rebound Resin. De hars is bedoeld om traditioneel gegoten ethyleenvinylacetaat (EVA) schuim te vervangen.
Een van de drijfveren voor deze verandering is de mogelijkheid om verschillende niveaus van ondersteuning over verschillende delen van de schoen te ontwerpen. Dit wordt bereikt door lagen rasterstructuren met verschillende dichtheden in de hiel te plaatsen. 3D-printing is de enige technologie die in staat is dergelijke structuren te produceren.
Met zijn TripleCell-platform heeft New Balance een nieuw type verende en veerkrachtige hak ontwikkeld met de duurzaamheid en levensduur van een spuitgegoten alternatief. Belangrijk is dat 3D-printen het bedrijf ook helpt om de productie te lokaliseren, waardoor de ontwikkelings- en productiecycli worden versneld.
Wij verwachten dat de ontwikkeling op dit gebied de komende tijd zal doorzetten en dat meer schoenenmerken op de kar van schoenen met 3D-geprinte tussenzolen zullen springen.
3D-geprint bovenwerk
Een bovenwerk is een schoenonderdeel dat de tenen, de bovenkant van de voet, de zijkanten van de voet en de achterkant van de hiel bedekt. Het is een van de twee integrale schoenonderdelen naast de zolen. Bovenkanten zijn traditioneel gemaakt van textiel, wat voor polymeer 3D-printers een uitdaging kan zijn om te produceren. Sommige schoenmerken hebben echter benaderingen ontwikkeld om bovendelen te maken met behulp van flexibele kunststoffen zoals TPU.
Neem Nike Flyprint als voorbeeld: dit bovenwerk is het eerste 3D-geprinte textielbovenwerk in prestatieschoeisel. Flyprint bovendeel voor het eerst onthuld vorig jaar, worden geproduceerd met behulp van Solid Deposit Modeling (SDM), een proces waarbij een TPU filament wordt gesmolten en neergelegd in dunne lagen.
Een voordeel Nike’s 3D-geprinte bovendeel hebben ten opzichte van traditioneel geweven bovendeel, is een grotere duurzaamheid van het materiaal, omdat de lagen zijn samengesmolten, het elimineren van wrijvingsweerstand gemeenschappelijk voor een gebreide of geweven textiel.
Als je goed kijkt naar de structuur van de Flyprint stof, zie je een paar duidelijke patronen. De voorkant van de schoen heeft een raster, terwijl de zijkanten er een gebruiken die veel meer golf-achtig is. Een dergelijk ontwerp zorgt ervoor dat het bovenwerk lichter en meer ademend is dan het textiel van Nike dat niet in 3D is geprint.
Ook andere merken zijn bezig met 3D-printing voor het bovenwerk van schoenen. Zo is het onafhankelijke schoenenmerk Oliver Cabell bezig met het 3D-printen van het bovenwerk van zijn Phoenix-sneakers van gerecyclede waterflessen. Voor het bovenwerk van één schoen zijn ongeveer zeven waterflessen nodig, die eerst in vlokken moeten worden versnipperd, worden gesmolten en tot lange strengen garen worden gevormd. Deze strengen worden vervolgens naar een 3D-printer gevoerd om het bovenwerk te maken.
Het bovenwerk blijft een minder ontwikkelde toepassing voor 3D-printen in vergelijking met de tussenzool. Dit kan echter mettertijd veranderen, aangezien 3D-printen de noodzakelijke stappen en kosten van de productie van bovendelen aanzienlijk zou kunnen verminderen.
100% 3D-geprinte schoenen?
Er zijn voorbeelden te over van 3D-geprinte schoenonderdelen, maar is het ook mogelijk om hele schoenen te 3D-printen?
Voorlopig is het korte antwoord nee. Sommige bedrijven komen echter dichter bij de visie van volledig 3D-geprinte schoenen. Chinees sportkledingmerk, PEAK Sports Products, is zo’n bedrijf. Het introduceerde eerder dit jaar een nieuw model van bijna volledig 3D-geprinte sneakers op de binnenlandse Chinese markt.
Het bovenwerk, de tussenzool en de buitenzool van de nieuwe FUTURE FUSION PEAK3D sneakers zijn gemaakt met behulp van een combinatie van SLS (voor de tussenzool en de zool), extrusie 3D-printen (het bovenwerk) en een TPU-materiaal. De binnenzool en het binnenste textiel zijn echter duidelijk gemaakt met behulp van traditionele methoden.
Naast sneakers hebben we veel nieuws gezien rond 3D-geprinte sandalen, waaronder de sandalen van Wiivv, die een van de meest gefinancierde 3D-printcampagnes op Kickstarter was.
De term 3D-geprinte sandaal is echter een verkeerde benaming, omdat slechts een deel van de onderdelen van de sandalen 3D-geprint zijn. Bij de sandalen van Wiivv bijvoorbeeld worden blijkbaar alleen de steunzolen 3D-geprint, terwijl andere onderdelen met traditionelere middelen worden geproduceerd.
Het 3D-printen van complete schoenen is een fascinerend idee, maar het is momenteel nog niet haalbaar.
Ten eerste kan de technologie niet alle processen vervangen die worden gebruikt bij de fabricage van schoenen en tegelijkertijd economisch levensvatbaar blijven. In vergelijking met traditionele fabricage zijn 3D-printtechnologieën langzamer, minder schaalbaar en hebben ze aanzienlijk hogere prijzen voor materialen. Dit maakt het bereiken van massaproductie met 3D-printen een uitdagende taak.
Het tweede probleem heeft te maken met de waardeketen van de schoenenproductie. Bij de fabricage van schoenen wordt een leest gemaakt, een 3-dimensionale houten of kunststof mal waarop een schoen wordt gebouwd.
Door 3D-printing voor volledige schoenen toe te passen, zou de noodzaak van een leest wegvallen en zouden fabrikanten de productie volledig moeten heroverwegen, wat gevolgen zou hebben voor leveranciers en belanghebbenden in de bestaande waardeketen. De noodzaak van een grote stap voorwaarts is een andere factor die 3D-geprinte schoenen buiten bereik brengt, althans voorlopig.
Een nieuwe kans voor schoeisel dankzij 3D-printing
Door de combinatie van nieuwe materialen en digitale productie opent 3D-printing de deur voor innovatieve schoeiselproducten.
De technologie vergemakkelijkt momenteel de productie van hoogwaardige sportschoenen en sandalen op maat door middel van 3D-geprinte schoenonderdelen. Dit stelt schoeiselmerken in staat om de time-to-market te versnellen en tegelijkertijd nieuwe ontwerpen te verkennen en meer aanpassingsopties te introduceren.
Ondanks deze voordelen blijft het gebruik van 3D-printen in de schoenenindustrie beperkt, omdat de technologie momenteel niet de schaalbaarheid heeft om te voldoen aan de intensieve en hoge productiviteitsbehoeften van de schoenenindustrie.
Dat gezegd hebbende, zal schoeisel 3D-printen zich blijven ontwikkelen, gedreven door de trends in digitale fabricage en de vraag naar gepersonaliseerde ervaringen.
Natuurlijk zal de invoering van 3D-printen enkele uitdagingen creëren in de waardeketen van schoeisel, en het aanpakken ervan zal tijd en moeite kosten. De beloning in de vorm van een uniek product- en dienstenaanbod kan het echter meer dan waard zijn. Uiteindelijk zou de schoenenindustrie de eerste grote toepasser kunnen worden van 3D-printing voor de massaproductie van consumentenproducten.