Showcase 4. Oktober 2018

Massgeschneiderte Ski-Schuhe aus dem 3D-Drucker

Die Kombination von additiver Fertigung, 3D-Scanning und innovativer Customization-Software ermöglicht es der Tailored Fits AG, individuelle Skischuhe herzustellen. Eine Anwendung, welche im Swiss AM Guide 18 abgebildet und an der AM Expo 18 prämiert wurde.

Wer schon einmal Ski gefahren ist, kennt dieses Problem: Nach einer längeren Skitour schmerzen die Füße - und das Finden bequemer Skischuhe kann eine Herausforderung sein. Skischuhe werden in der Regel in verschiedenen Größen angeboten, sind aber nicht auf den Fuß des Kunden zugeschnitten. Ein herkömmlicher Skischuh besteht aus einer harten Außenschale und einem weichen Innenschuh oder Skischuhfutter.

Bei nicht optimaler Passform quetscht der Schuh, das Blut sammelt sich und der Tragekomfort sinkt. Da es keinen festen Sitz zwischen Fuß und Schuh gibt, wird die notwendige Abstützung reduziert und damit die Kraftübertragung zwischen Fuß und Ski verringert. Zusätzlich werden Schnallen und Gurte benötigt, um einen stabilen Sitz des Fußes im Schuh zu gewährleisten, was zu erhöhten Druckstellen führt.

 

Herkömmliche Lösungsansätze ohne 3D-Druck

Die Skischuhindustrie hat versucht, dieses Problem mit geschäumten Skischuhen anzugehen. Das Schäumen ermöglicht die individuelle Anpassung eines Innenschuhs an die Geometrie eines Fußes. Obwohl dies zu einer besseren Passform führt, haben geschäumte Innenschuhe den Nachteil, dass der Schaum nach längerem Gebrauch komprimiert und abgenutzt wird.

 

Lösung mit 3D-Druck von Tailored Fits Ag

Die Tailored Fits AG, ein junges Start-up-Unternehmen aus Horw bei Luzern in der Schweiz, hat sich dieser Problematik angenommen und bietet nun maßgeschneiderte Skischuhe an. Es ist der Innenschuh oder Liner eines Skischuhs, der mittels 3D-Scannen an die Fußform des Kunden angepasst und mit Hilfe der additiven Fertigung hergestellt wird. Der gesamte Prozess nutzt eine 

digitale, durchgängige Wertschöpfungskette, die die Herstellung maßgeschneiderter Skischuhe ermöglicht. Neben den Skischuhen bietet die Tailored Fits AG ihren Kunden weitere maßgeschneiderte Schuhe wie Lauf-, Wander-, Rad- oder Fußballschuhe an. Im Folgenden wird der gesamte Prozess, der in Zusammenarbeit mit der belgischen Firma Materialise aufgebaut wurde, am Beispiel der kundenspezifischen Skischuhe dargestellt.

 

Herstellung des individualisierten Skischuhs

Für die Individualisierung von Skischuhen muss zunächst die Fußgeometrie des Kunden erfasst werden. In einem Sportgeschäft scannt der Verkäufer den Fuß eines Kunden mit einem 3D-Scanner. Der 3D-Scanner ist ein einfach zu bedienendes, tragbares Tablett, an dem ein strukturierter Lichtsensor angebracht ist.

Der berührungslose Scanvorgang, der die Fußgeometrie des Kunden mit ausreichender Genauigkeit erfasst, dauert nur wenige Minuten. Durch Ziehen der Zehenzinken bringt der Kunde die Fußsohle in eine gestreckte Position, wie es bei einer aktiven Skibewegung der Fall ist. Zusätzlich zu den Scandaten übermittelt der Händler das Gewicht, die Sohlenlänge und andere Präferenzen des Kunden an die Tailored Fits AG.

Nachdem der Scan der Fußgeometrie an die Tailored Fits AG übergeben wurde, erfolgt eine Qualitätskontrolle. Anatomische Merkmale dienen zur Orientierung des Scans im Raum. Ein virtuelles Knochengerüst wird in den gescannten Fuß eingeführt, um die Geometrie zu morphen und um den Knöchel in verschiedene Richtungen zu drehen. So können die Ausrichtung der Beinposition und der Neigungswinkel gezielt eingestellt und korrigiert werden. Dieser modifizierte Scan des Fußes dient als Input für die Designgenerierung des inneren Skistiefels.

 

Designprozess des Skischuhs

Der Designprozess der inneren Skischuhgeometrie ist voll automatisiert. Für den individuellen Scan und die Vorlieben des Kunden generiert eine Software den entsprechenden inneren Skischuh, der an verschiedenen Stellen eine unterschiedliche Härte oder Weichheit aufweist. Neben dem Einsatz eines flexiblen Materials wird dies durch den gezielten Einsatz von verteilten Kavitäten und Füllstrukturen erreicht. Ihre Steifigkeit oder Dämpfung

Eigenschaften werden durch das angegebene Kundengewicht bestimmt. Die geschlossenen Hohlräume dienen auch als Isolierung für den Innenschuh gegen die Kälte beim Skifahren. Das Verfahren zur automatisierten Herstellung von Schuheinlagen ist ähnlich. Je nach gewählter Sportart und Kundenwunsch wird eine unterschiedliche Verteilung der Kavitäten zur Variation des Weichheit der Einlegesohle.

 

Das Verfahren: Fused Deposition Modeling

Wie bereits erwähnt, wird der innere Skischuh zusätzlich mit einem flexiblen Material, in diesem Fall Thermoplastisches Polyurethan (TPU), unter Verwendung von Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt. Im Vergleich zu pulver- oder flüssigkeitsbasierten Verfahren lassen sich mit dieser AM-Technologie geschlossene Hohlräume schaffen, die als Wärmedämmung im Skischuh dienen. Die eingesetzten deutschen RepRap FDM-Drucker sind sehr kostengünstig im Vergleich zu Lasersintermaschinen, die auch TPU-Material verarbeiten können - allerdings nicht mit geschlossenen Kavitäten. Für Tragkonstruktionen wird PLA-Material verwendet. Die Innenschuhe werden bei Tailored Fits AG und Materialise in Belgien hergestellt. Nach der additiven Herstellung wird der Innenschuh beflockt.

 

Kostengünstigere Herstellung durch weniger Einzelteile

Der endgültige Skischuh besteht aus einem zusätzlich gefertigten Innenschuh und einer konventionell gefertigten Hartschale, die in verschiedenen Größen im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Da der Innenschuh an unterschiedlichste Fußgeometrien angepasst werden kann, ist nur eine reduzierte Anzahl von Größen für die Außenschale erforderlich. Die Endmontage des Skischuhs erfolgt durch Einsetzen des Innenschuhs in die Schale. Da durch die passgenaue Anpassung an die Fußgeometrie eine optimale Passform erreicht wird, reicht ein einziger Verschlussriemen mit Knopfschnappverschluss aus, um den Schuh zu schließen. Daher sind im Gegensatz zu herkömmlichen Skischuhen nicht mehrere Schnallen notwendig, um den Fuß fest im Skischuh zu halten. Diese einfache Konstruktion des Skischuhs reduziert die Anzahl der Einzelteile von rund 200 auf weniger als 20. Dadurch werden Kosten und Durchlaufzeiten von Fertigung, Montage und Logistik entlang der gesamten Prozesskette deutlich gesenkt. Auf diese Weise wird der Preis von individualisierten Skischuhen mit vergleichbaren Lösungen konkurrenzfähig.

 

Vorteile für den Kunden

Nach einer Qualitätskontrolle wird der Skischuh zum Sportgeschäft des Händlers geschickt, wo der Kunde seinen persönlichen Skischuh erhält. Es gibt viele Vorteile für den Kunden. Die passgenaue Form ermöglicht eine präzisere und direktere Kraftübertragung beim Skifahren. Bessere Durchblutung und geringere Ermüdung sorgen für mehr Komfort. Außerdem wird die Kälteisolierung verbessert. Der vereinfachte Befestigungsmechanismus erleichtert das Ein- und Aussteigen und verhindert Druckstellen im Vergleich zu einem Schuh mit mehreren Gurten.

 

Historie der Ideenfindung und Umsetzung

Der oben beschriebene Individualisierungsprozess ist in Bezug auf Design, Produktion und Geschäftsmodell sehr komplex. Ein iterativer und explorativer Prozess war erforderlich und es mussten mehrere Probleme gelöst werden. Am Anfang stand die Idee, die Außenschale des Skischuhs direkt nachträglich herzustellen und eine generische, standardisierte Innenschale zu verwenden. Die ersten Prototypen wurden aus Polyamid (PA) lasergesintert. Nach einem gemeinsamen Workshop mit Materialise entstand die Idee, den Innenschuh zusätzlich zu fertigen und anzupassen. Eine geeignete, einfach zu bedienende und kostengünstige Scantechnologie musste zusammen mit einer geeigneten Scan-Positionierung des Fußes definiert werden. Darüber hinaus galt es, ein geeignetes, flexibles Material zusammen mit der richtigen additiven Fertigungstechnologie und optimierten Prozessparametern auszuwählen. Sobald flexibles TPU mit FDM bedruckbar war, stellte sich die Frage, in welchen Bereichen der Schuh hart oder weich sein musste. Immer wieder wurden verschiedene Modelle mit der Orthopädie diskutiert und getestet von dem Team auf der Piste hinsichtlich Komfort und Leistung.

Nach umfangreichen Tests wurde entschieden, die Komplexität zu reduzieren, sich zunächst auf den unteren Teil des Innenschuhs zu konzentrieren und eine Schuheinlage zu entwickeln. Die Eigenschaften der Einlagen wurden schrittweise verbessert und nach einiger Entwicklungszeit wurde beschlossen, sie als erstes Produkt für verschiedene Sportarten wie Lauf-, Wander- oder Radschuhe anzubieten. Eine weitere Herausforderung war die Automatisierung des Designerstellungsprozesses. Je nach Fußgeometrie und Kundenwunsch war es notwendig, die Erzeugung von verteilten Hohlkörpern mit variabler Steifigkeit zu automatisieren. Neben der Schaffung einer durchgängigen, nachvollziehbaren Prozesskette und einer robusten Produktion bestand auch die Herausforderung, diese in einer industriellen und skalierbaren Supply Chain umzusetzen und erste Sporthändler zu überzeugen. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse und des technischen Know-hows konnte die Prozesskette der Einlagen in ähnlicher Form wie bei Skischuhen angepasst werden.

 

Zukunftsfähigkeit

Aus ganzheitlicher Sicht wird deutlich, dass ein innovativer Ansatz und eine Neustrukturierung der Prozesskette für konventionelle Skischuhe notwendig war, um den beschriebenen Prozess umzusetzen und das zugrunde liegende Geschäftsmodell zu überdenken. In diesem Zusammenhang mussten Zweifel ausgeräumt werden, ob die Qualität der additiv hergestellten Produkte wettbewerbsfähig sein könnte und ob die Kunden ein solches individualisiertes Produkt akzeptieren würden. Insgesamt ergeben sich viele Vorteile für den Kunden und den Hersteller. Aber auch der Sporthändler profitiert. Ein Sportgeschäft ist nicht mehr darauf angewiesen, lange vor Beginn der nächsten Wintersaison eine größere Anzahl von standardisierten Skischuhen zu kaufen und zu lagern. Dies reduziert die Lagerkosten sowie die Marge durch unverkaufte Ware erheblich. Da die einzelnen Skischuhe individuell angefertigt werden, ist in der Regel eine Vorauszahlung erforderlich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der beschriebene Prozess neue Möglichkeiten für die Hersteller, Händler und Kunden werden Teil einer gemeinsamen Plattform.

Weitere Informationen
Produktgruppen:
Medien, Publikationen, Messen
    Publikationen

Anwendungsbereich:
Konsumgüter und Lifestyle

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Swiss AM Guide

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Foto von  Manuel Biedermann

Manuel Biedermann

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