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Additive Fertigung

Für jeden Fuß die richtige Form

New Balance Athletic Shoe setzt bei der Herstellung von maßgefertigten Spikeplatten für die Laufschuhe von Topathleten auf additive Fertigung. Die Grundlagen für die Maßanfertigungen bilden Informationen zu individueller Biomechanik und persönlichen Angaben. Um die Simulationsdaten der Läufer zu erfassen, entwickelte das Sports Research Lab des Herstellers einen eigenen Prozess. Die dort erfassten Daten werden mithilfe von Algorithmen in ein optimiertes Design übersetzt und im Anschluss via 3D-Druck produziert.

Bild: New Balance

Kein Läufer ist wie der andere, das gilt vor allen Dingen für Athleten im Profisport: Wie sie mit ihrem Fuß auftreten, die Einwärtsdrehung ihres Fußes, ihr Abbremsen und ihr Antritt, das alles ist einzigartig. Im Vergleich hierzu unterscheiden sich die meisten Laufschuhmodelle eher wenig voneinander. Eine Individualisierung der Laufschuhe kann Sportlern dabei helfen, auf der Bahn schneller zu laufen. Das gilt insbesondere für die Spikeplatte, die unter dem Laufschuh angebracht ist und die für mehr Traktion sorgen soll. Solche Spikeplatten von Schuhen für die Laufbahn haben im Allgemeinen drei Eigenschaften, die sich aber je nach Länge des Rennens und je nach den Vorlieben des Sportlers deutlich voneinander unterscheiden können: Passform, Steifigkeit und Design der Platte. All diese Faktoren wirken sich auf den Komfort und die Leistung des Läufers aus.

Alternative gesucht

Normalerweise benötigt jede Platte mehrere Spritzgussformen unterschiedlicher Größe. Jede von ihnen ist teuer und dient in der Regel der Herstellung tausender baugleicher Platten, bevor sie aus der Produktion geht oder durch eine neue Form ersetzt wird. Der Sportschuh-Hersteller New Balance Athletic Shoe suchte hierfür nach einer Alternative und fand sie in der additiven Fertigung. Bevor die Spikeplatten entworfen oder additiv gefertigt werden können, sammelt das Sport Research Lab des Herstellers die biomechanischen Daten jedes Läufers. Dafür sind eine Kraftmessplatte, Sensoren im Schuh und ein System zur Erfassung von Bewegungen nötig. Dieses Motion Capture-System hilft dabei, die Verbindung des Fußes zur Kraftmessplatte zu bestimmen. So entsteht eine dreidimensionale Nachbildung der Krafteinwirkung jedes Schritts. Die Sensoren im Schuh zeigen separate Druckinformationen während des Schrittablaufs.

Sie geben so Aufschluss darüber, wie der Fuß des Läufers mit dem Schuh interagiert. „Wir stellen eine Verbindung zwischen diesen Druckwerten und den entsprechenden Kräften her. Auf diese Weise können wir die Kräfte für jeden Bereich des Fußes genau lokalisieren“, erklärt Sean Murphy, Senior Manager für Innovation und Technik bei New Balance. „Ein Beispiel ist der Zehenbereich: Wenn hier ein hoher Druck herrscht, entspricht dies im Allgemeinen einer Kraft, die in Richtung Ferse drückt, um Schubkraft nach vorne zu erzeugen. Wir nutzen eine Modellierungssoftware, um diese Daten zu verarbeiten. So lässt sich die Position der Traktionselemente der Spikeplatten verteilen. Dadurch können wir die Ausrichtung der Elemente berechnen, ihre Größe anpassen und die Präferenzen des Läufers in das Design aufnehmen.“

Daten werden bereinigt

Anschließend bereinigt ein Designer die CAD-Daten, die für den Entwurf des endgültigen Produkts erforderlich sind. Dabei passt er die Modelloberflächen an, um Platz für die ganze Spikeplatte zu schaffen. Sobald die endgültige Geometrie abgestimmt wurde, werden die CAD-Dateien in STL-Dateien konvertiert und auf das Fertigungssystem Eosint P 395 geladen, um das Produkt Schicht für Schicht im additiven Fertigungsverfahren herzustellen. Der Anbieter hat hierfür mit Advanced Laser Materials (ALM), einem Teil der EOS-Gruppe, ein eigenes Nylongemisch entwickelt. Die Spikeplatten werden aus dem Nylonpulver unter Verwendung von speziellen Prozessparametern gebaut. „Für dieses Projekt haben wir ALM mit ins Boot geholt, weil sie Erfahrung bei der Entwicklung des Materials haben, das wir verwenden wollten“, sagt Sean Murphy.

Katherine Petrecca, Business Manager im New Balance Studio Innovation, sagt, dass sich mithilfe der additiven Fertigung nun individuelle Spikeplatten nach Bedarf produziert lassen. Zudem können die Prozesse unmittelbar angepasst werden, um verschiedene Größen und Breiten zu berücksichtigen. Außerdem ließen sich Designs ohne die beim Spritzguss erforderlichen kontinuierlichen Kapitalinvestitionen aktualisieren. „Durch die Aufnahme der additiv gefertigten Spikeplatte in unser Programm können wir darüber hinaus das Gewicht im Vergleich zu den konventionell gefertigten Versionen um fünf Prozent reduzieren“, sagt Petrecca. Kim Conley, Mitglied des Teams New Balance und US-amerikanische Olympiateilnehmerin, ist vom Unterschied bei der Leistung überzeugt. Mit ihren additiv gefertigten Spikeplatten hat sie persönliche Bestzeiten für die Läufe über 3000 und 5000 Meter aufgestellt. Ihre individualisierten Schuhe hat sie auch bei den Weltmeisterschaften 2013 getragen – und dort ihre bislang beste internationale Leistung gezeigt.

„Mehrere Paare zur Auswahl“

„Absolut einzigartig ist, dass unsere Sportler mehrere Paar Spikes zum Ausprobieren und Vergleichen zur Verfügung haben. Es ist toll, dass sie zu jeder Version sofort eine Rückmeldung geben können“, sagt Sean Murphy. Doch was bedeutet all das für den Amateur- oder Freizeitläufer? Zwar sind läuferspezifische Spikeplatten momentan nur für Sportler des New Balance Teams erhältlich, doch das könnte sich ändern. Die Entwickler des Sportartikelherstellers sind zudem davon überzeugt, dass die entwickelten Individualisierungstechniken auf andere Sportarten ausgedehnt werden könnten.


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