Foto: Voxeljet

3D Printing

Polymer-3D-Druck für individualisierte Schuhkomponenten

Additive Schuhproduktion 4.0: Wie pulverbasierter 3D-Druck mit dem Voxeljet-High-Speed-Sintering das Laufen von morgen revolutioniert.

3D-Druck von Voxeljet ermöglicht maßkonfektionierte Schuhe, die den Verbrauchern sogar leistungs- und komfortsteigernde 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. Für den Konsumenten ist besonders attraktiv, dass solche maßkonfektionierten Schuhe die unterschiedlichen Fußformen berücksichtigen, ebenso das individuelle Körpergewicht und die Schrittlänge. Aus Herstellersicht spricht aber nicht nur der Kundennutzen für den 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.

Lattice Structure

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 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. 

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. 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.

Bis zu sechs verschiedene Grauwerte

Der Grauwert, die Graustufe oder das Greylevel der im HSS-Prozess abgebildet werden kann, bezeichnet die pro Voxel (3D-Pixel) in das Pulver eingedruckte Menge des Infrarotabsorbers (Tinte). Dabei können, je nach verwendetem Material, innerhalb eines Benetzungsschrittes bis zu sechs verschiedene Grauwerte auf der Partikelmaterialoberfläche eingedruckt werden. Die Ansteuerung der Inkjet-Druckköpfe erfolgt via Bitmaps. Da der Druckkopf die Menge der infrarotabsorbierenden Tinte beim HSS steuert, kann die Dichte des Absorbers und damit der Grauwert pro Volumen variieren.
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 3D-Druckssysteme. 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.

 

High Speed Sintering

3D-Druck in der Produktion von Funktionsbauteilen

Flexibel und wirtschaftlich: Voxeljet bietet mit High Speed Sintering (HSS) eine vorteilhafte Kombination aus Lasersintern und Binder-Jetting.

Anwendung

Hochschule Aschaffenburg hilft Unternehmen beim 3D-Druck

Interessierte Unternehmen finden maßgeschneiderte Lösungen für konkrete Fragestellungen und können eine umfangreiche Bandbreite des 3D-Drucks kennenlernen.

Lasersintern

Neuzugang für Selektives Lasersintern im Demo-Center

Die Neue Materialien Bayreuth GmbH nimmt eine neue SLS-Anlage zur Materialentwicklung in Betrieb. Sie ermöglicht die Entwicklung neuer Pulvermaterialien.

3D-Metalldruck

Besser aus Draht? Additive Fertigung mit Schweißtechnik

An der Herstellung dreidimensionaler metallischer Bauteile sind zunehmend auch Lichtbogenschweißverfahren wie das SynchroFeed-System von OTC Daihen Europe beteiligt.

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