3Dプリントポリウレタンアッパー、量産に一歩近づく

ナイキ、アディダス、リーボック、カーボンなど多くの大手企業は、靴製造が消費財の生産に3Dプリント技術を大規模に導入する最初の業界になる可能性があると考えています。これは、大量カスタマイズアプリケーションの場合には確かに当てはまります。これまでのところ、これらの企業はすべて、主にアウトソールとミッドソールの 3D プリントに注力してきました。ハーバード大学発の興味深い歴史を持つスタートアップ企業である Voxel8 は、高度なポリウレタン材料の押し出しと着色に使用される独自の ActiveMix® プロセスを開始することで、靴の残りの部分、つまり「アッパー」、つまり靴の上部に着目しています。

最近のボストンへの旅行中に、世界的な押し出し 3D 印刷およびバイオプリンティング業界の第一人者である、ハーバード大学ワイス研究所のルイス研究室のジェニファールイス教授に会う機会がありました。ルイス教授は3Dプリントバイオインクの専門家であるだけでなく、20年以上にわたって材料押し出しにも取り組んでいます。彼女の研究成果の一部は、Voxel8 の新しいテクノロジーの中核となっています。私たちはハーバードで素晴らしい会話をしました。ルイス教授は、近年の 3D プリンティングとバイオプリンティングの進化についてさまざまな側面から説明し、心臓と腎臓の組織のバイオプリンティングに関する今後の画期的な研究についてもいくつかの知見を提供しました。

この技術について言えば、ルイス教授は、Voxel8 の共同設立者である Travis Busbee 氏と Jack Minardi 氏と連絡を取り、その技術の応用と近い将来に起こり得る影響についてさらに学ぶことを提案しました。スケジュールが厳しかったにもかかわらず、ジャックは私たちに会い、施設を案内してくれました。それは素晴らしい経験でした。私たちが見た技術は主に試作と少量生産のアプリケーションに焦点を当てていましたが、Voxel8 は、それほど遠くない将来に靴の大量生産に実際に影響を与えるという非常に明確な目標を念頭に置いています。

十分に準備しましょう
Voxel8 は、主要な電子機器 3D 印刷システム向けの材料押し出しにおいて豊富な経験を積んでおり、現在はエンジニアリンググレードのポリウレタンに重点を置いています。これらの粘性材料は、印刷の難しさや潜在的なメリットから、3D 印刷の「黄金の材料」の 1 つと見なされることもありますが、同社が ActiveLab® と呼んでいる既存の ActiveMix® システムを使用して印刷できます。

この方法では、押し出しヘッドが複雑なポンプシステムを使用して、構成、形状、機械的特性、靴のアッパー (およびその他の繊維) のミッドソールやアウトソールなどのその他の 3D 形状をプログラムで制御しながら機能を印刷します。

その結果、Voxel8 はあらゆる表面にポリウレタンパターンを 3D プリントできるようになりました。同社はインクジェット技術を統合することで、ポリウレタン層の間に独自のフルカラー画像やパターンを追加し、カスタムコンテンツを追加することもできます。

ActiveLab® システムは現在利用可能であり、プロトタイプ作成と小ロット生産向けに設計されており、着色は別のマシンで実行されます。それでも、このプロセスは、非常に労働集約的な従来の方法とは異なるレベルの自動化を実現します。さらに、今後登場する ActivePro® 生産システムにより、両方のプロセスの統合とさらなる自動化が可能になります。

「私たちの目標は、靴の生産において最も労働集約的な分野のひとつである靴のアッパー部分の製造に取り組むことです」とミナルディ氏は説明する。「一部の企業は、従来の射出成形法を用いてミッドソールとアウトソールに注力してきました。靴のアッパー部分は、従来、さまざまな特性を持つさまざまな種類の繊維やプラスチックなど、さまざまな素材で作られています。私たちの技術は、高度に自動化されたプロセスを通じてアッパー部分の大量カスタマイズを可能にし、デジタル設計と製造を顧客のニーズに近づけます。」

従来の製造業の欠点を補う<br /> 電子式 3D プリンターを市場に投入できた企業は世界に 2 社あります。 1つはNano Dimension、もう1つはVoxel8です。両社は、やや消費者志向的な設計を放棄し、より実用的な短期的用途を備えたより産業的なシステムを構築しました。 Nano Dimension の Pro システムは引き続き電子機器に重点を置いていますが、Voxel8 はデジタルフットウェア製造システムの新しい分野に進出し始めています。

両社にとって、現在利用可能なシステムは、量産デバイスへの中間ステップです。 Voxel8 のデジタル製造システムは、カスタム製品や将来の大規模生産の設計および製造サイクルを大幅に短縮するように設計されています。

Voxel8 は Braemar Energy Ventures と ARCH Venture Partners から数百万ドルの投資を受け、現在 15 人のエンジニアと 39 件の特許を保有しています。「私たちは、靴製造の試作とクリエイティブな側面に取り組んでいます」とミナルディ氏は語ります。「現在、デザイナーが新製品の最初のモデルを市場に出すのに 12 ～ 18 か月かかります。その理由の 1 つは、ほとんどの企業で設計段階は米国で行われ、製造段階はアジアで行われることです。従来の製造プロセスでは、高価なツールとダイカットプロセスが必要です。これは非常に労働集約的な生産プロセスであり、靴 1 足につき 100 人の人が関与します。私たちは、アッパーから始めて、可能な限り自動化しました。これにより、設計から最終製品までの所要時間を 12 ～ 18 か月から 2 ～ 4 週間に短縮できました。」

Voxel8の完全デジタル靴製造システム
Voxel8 のデジタル製造システムはツールを必要としないため、コストが削減され、市場投入までの時間が大幅に短縮されます。「ツールを使わずに、ロゴやテキストなどの美的特徴だけでなく、補強やヒールモールディングなどの機能的特徴も実現できます」とミナルディ氏は言う。「従来の製造工程を低コストで再現できるだけでなく、現在は製造不可能なアッパーも製造できます。」

たとえば、材料を堆積させるときに、その硬度と粘度を局所的に変化させることができます。ポリウレタン素材の組成と機械的特性をデジタル的に調整することで、必要な場所に正確なサポートを提供することができます。さらに、透明なポリウレタン層の間にインクジェットヘッドを使用して、さまざまな色を実現しています。これにより、工業グレードのポリウレタンエラストマーの強度、耐摩耗性、耐久性と、高解像度のフルカラーインクジェット技術を活用できるようになります。「

最初のフェーズでは、Voxel8 はプリントヘッド、ソフトウェア、独自の材料配合を統合した ActiveLab® システムをリリースしました。現在のシステムは、靴メーカーが提供し始めている、1日あたり30〜50足のカスタムシューズを生産する場合にコスト効率に優れています。一方、ActivePro® システムは、従来のアジアの製造プロセスよりも競争力のあるコストで、年間最大 50 万足の靴を生産できます。

繊維素材には、ロールツーロール、ジャージー、メッシュなどさまざまな形態があります。生産システムはモジュール設計になっており、これらすべての材料形態に対応できます。これには、緯糸を調整した材料特性を持つ最初のポリウレタン層を堆積するプリントヘッドのフルセットがあり、次にインクジェットヘッドによって着色され、その後別の押し出しヘッドが 2 番目の層を印刷します。次のステップは、一体型の硬化オーブンを使用して数分で材料を硬化させ、最終段階に進み、レーザーカッターを使用してアッパーの形状を切り出すことです。オペレーターが行う必要があるのは、繊維材料ロールとポリウレタン部品を追加することだけです。わずか数分で、完全なカスタムアッパーが作成されます。 ActivePro® システムは、大量生産においてコスト競争力を維持するだけでなく、大規模なカスタマイズ生産も可能にします。

「一番いいのは、3D プリントだと分からないことです」とミナルディは言う。実際、ポリウレタンは非常に滑らかで、層状の線はない。彼は続けます。「ほぼすべての生地を使用できます。ニットアッパーは現在非常に人気がありますが、当社のシステムでは、あらゆる種類の生地や衣服にポリウレタンを塗布できます。」

少なくとも 1 つの大手フットウェアブランドがすでに ActiveLab® System マシンを発注しており、開発が進行中です。大規模な ActivePro® システムマシンは、3D プリンターというよりは、大規模なデジタル 2D プリンターに似ています。プロセス自体ではなく最終製品に焦点を当てながら材料押し出し技術を可能にするこのアプローチは、3D プリントとエンドユーザーの間のギャップを埋めるという Voxel8 の最終的な成功の鍵となるかもしれません。

出典: コンポジットネットワーク

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