3D-Druck im Sport

3D-Druck oder additive Fertigung ist ein Produktionsverfahren, bei dem ein dreidimensionales Objekt aus einer CAD-Datei (Computer Aided Design) erstellt wird. Der Begriff umfasst mehrere verschiedene Verfahren, bei denen ein oder mehrere Materialien - in der Regel Kunststoff, Metall, Wachs oder Verbundwerkstoffe - Schicht für Schicht aufgetragen werden, um eine Form zu erzeugen.

Der gesamte Prozess wird von einem Computer gesteuert, was den 3D-Druck zu einer kostengünstigen, effizienten und präzisen Methode zur Herstellung von Objekten mit nahezu beliebiger Geometrie und Komplexität macht. Heute wird der 3D-Druck in allen Branchen zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugen und Vorrichtungen, Komponenten und Endverbrauchsteilen eingesetzt.

3D-Drucker gibt es in verschiedenen Größen, von klein genug, um auf einen Tisch zu passen, bis hin zu großformatigen Industriemaschinen.

Mit großen Druckern können größere Objekte hergestellt werden, aber die Geräte benötigen mehr Platz und kosten deutlich mehr als Tischdrucker. Die Herstellung eines erfolgreichen Drucks ist bei einem Großformatdrucker aufgrund der Materialmenge und der Druckzeit ebenfalls komplexer.

Der 3D-Druck im Sport- und Fitnessbereich bietet viele Vorteile, darunter:

Beschleunigung von Produktdesign und -entwicklung
Größere Designflexibilität  
Schnellere Produktmodifikation und -verbesserung
Leichtere und stärkere Ausrüstung
Verbesserte Aerodynamik
Verbesserte Anpassungsmöglichkeiten
In der Welt des Sports entscheiden Sekundenbruchteile über Sieg oder Niederlage. Jeder Zeitgewinn bei der Reaktionsgeschwindigkeit eines Sportlers oder bei der Geschwindigkeit, mit der eine Verletzung heilt, kann einen einzigartigen Wettbewerbsvorteil bedeuten.

Das Gewicht ist ebenso wichtig für die Höchstleistung eines Sportlers. Das Gewicht hat großen Einfluss auf die Geschwindigkeit, Ausdauer und Kraft eines Sportlers sowie auf die Ausrüstung, das Fahrzeug oder das Tier, auf das er angewiesen ist. Eine Gewichtsreduzierung kann einem Sportler helfen, bessere Leistungen zu erbringen, sich schneller zu erholen und auf höherem Niveau zu konkurrieren.

Der 3D-Druck im Sport ist ein Schlüssel, der bisher unerreichte Zeit- und Gewichtseinsparungen möglich macht. Er ermöglicht das Design und die Herstellung von leichteren Produkten, die genauso stark oder sogar stärker sind als Produkte, die mit konventionellen Fertigungsmethoden hergestellt werden.

Außerdem bietet der 3D-Druck im Sportbereich eine viel größere Designfreiheit. Mit dieser Technologie lassen sich hochkomplexe Geometrien herstellen, die auf andere Weise nur schwer oder gar nicht zu realisieren wären. Durch die Kombination von 3D-Druck und Laserscannertechnologie können die Produkte auf eine neue Art und Weise an die Anatomie und die Bedürfnisse des Benutzers angepasst werden. 

Die bessere Erschwinglichkeit und Zugänglichkeit des 3D-Drucks im Sport hat dazu geführt, dass die Technologie auf allen Ebenen, von Amateuren bis hin zu Olympioniken, zu einer Leistungssteigerung führt. Viele der weltweit führenden Sporthersteller sowie eine wachsende Zahl von Start-ups und Marktneulingen machen sich die Möglichkeiten der Technologie bereits zunutze.

Dies hat zu einer schnell wachsenden Zahl von Anwendungen für den 3D-Druck im Sport geführt, von einfachen Gegenständen wie Mundschutz und Schienbeinschützern bis hin zu komplexeren Kreationen wie Golfschlägern und Surfbrettern. Weitere Innovationen werden sicherlich folgen, wenn das Bewusstsein für das Potenzial des 3D-Drucks weiter wächst.

Das grundlegende Design des Paddels hat sich seit Jahren kaum verändert und wurde nicht an die Ergonomie der Para-Kanuten angepasst. Die Länge konnte verändert werden, aber das Blatt, der Schaft und der Griff waren für alle Athleten gleich, unabhängig von ihrer Größe, ihrem Gewicht oder ihrem Griffstil. 

Der Paralympics-Sieger erkannte, dass das Paddel nicht die gewünschte Leistung erbrachte, und tat sich mit Ingenieuren des National Centre for Additive Manufacturing des Manufacturing Technology Centre und des National Composites Centre zusammen, um eine Lösung zu entwickeln.

Das neu gestaltete Kohlefaserpaddel basierte auf einem Computersimulationsmodell von Emmas Ergonomie und maßgeschneiderten Techniken, einschließlich des Winkels, in dem das Blatt in das Wasser eintritt. Verschiedene Optionen für den Griff wurden so entworfen, dass sie zu Emmas Händen passten, leicht waren und mit Hilfe von Hochleistungs-3D-Polymerdruck hergestellt wurden.

Das endgültige Paddel hatte einen maßgeschneiderten Griff, der 50 % leichter war, einen Schaft, der 254 % steifer war, und ein neu gestaltetes Blatt, das 154 % steifer war und einen verbesserten Winkel hatte, um Emmas Kraftausstoß zu maximieren, wenn das Blatt ins Wasser eintrat.

Mit dem neu gestalteten Paddel in der Hand nahm Emma ihre zweite Goldmedaille bei den Paralympics 2020 in Tokio mit nach Hause.

Emma sagt: "Rennen werden mit kleinen Vorsprüngen gewonnen, und das zeigt, dass die richtigen Anpassungen an unserer Ausrüstung am Renntag den Unterschied ausmachen können. Ich habe meine Goldmedaille in paralympischer Bestzeit unter extremem Druck gewonnen, aber zu wissen, dass ich das bestmögliche Paddel in der Hand hatte, machte einen riesigen Unterschied und trug maßgeblich zu meinem Sieg bei."

 

• 3D-GEDRUCKTE INDIVIDUELLE SPORTGERÄTE

Beispiele hierfür sind:

Schutzausrüstung - z. B. Helme, Augenschützer, Polster und Protektoren, Mundschutz, Handschuhe und Stollenschuhe
Sportbekleidung - z. B. Schuhe, Einlegesohlen, Stiefel und ausgewählte Kleidungsstücke
Sportgeräte - z. B. Schläger, Keulen, Köpfe, Sitze und Griffe
Prothesen
Trainingsgeräte - z. B. Präzisionshilfen, Gewichte und Griffe
Einer der bekanntesten Vorteile des 3D-Drucks im Sport ist die einfache Herstellung maßgeschneiderter Artikel für optimale Passform, Schutz, Unterstützung und Komfort. Dies ist derzeit die häufigste Anwendung der Technologie.

3D-gedruckte Sportartikel können auf viele verschiedene Arten angepasst werden, von kleinen Änderungen wie dem Ändern der Farbe oder dem Aktualisieren eines Sponsorenlogos bis hin zu komplexeren Modifikationen wie dem schnellen Umgestalten und Herstellen eines Schutzanzugs für eine perfekte Passform.

Eine schlecht sitzende und unbequeme Ausrüstung beeinträchtigt die sportliche Leistung erheblich. Sie können Schmerzen, Wunden und Blasen verursachen und sogar das Verletzungsrisiko erhöhen. Dies gilt insbesondere für eine Prothese (ein Gerät, das ein fehlendes Körperteil ersetzen soll). Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung maßgeschneiderter Einzelstücke ist jedoch langsam und teuer.

Die Kombination aus hochauflösendem Laserscannen, hochentwickelter Computermodellierungssoftware und 3D-Druck hat den Prozess drastisch vereinfacht und rationalisiert.

Diese Technologien ermöglichen die rasche Herstellung passgenauer Produkte, die genau auf die Anatomie, die Anforderungen und den Stil des Benutzers abgestimmt sind. Der Verzicht auf manuelle Messungen und die Herstellung von Gussformen erhöht die Genauigkeit und Geschwindigkeit des Prozesses. Dies ermöglicht eine deutlich schnellere Entwicklung, Lieferung und iterative Verbesserung.

Darüber hinaus werden bei 3D-gedruckten Produkten häufig Gitter- oder Netzstrukturen verwendet, die sich mit anderen Fertigungsmethoden nur schwer nachbilden lassen. Diese Strukturen bieten mehr Flexibilität und Stoßdämpfung und sind gleichzeitig leichter, haltbarer und atmungsaktiver. All diese Eigenschaften tragen dazu bei, dass Sportler sich wohl fühlen, kühl bleiben und wettbewerbsfähig sind.

3D-DRUCK IN DER SPORTMEDIZIN
Beispiele sind:

Gesichtsmasken, medizinische Kissen, Hosenträger, Gipsverbände, Schienen und Stiefel
Eine der am schnellsten wachsenden Anwendungen des 3D-Drucks im Sport ist der Bereich der Medizin. Nach einer Verletzung stehen Sportteams und Sportler unter großem Druck, so schnell wie möglich wieder fit zu werden. Der 3D-Druck bietet neue und innovative Möglichkeiten, um die Genesung zu beschleunigen und gebrochene Knochen zu rekonstruieren.   

3D-gedruckte Artikel sind nicht nur dafür optimiert, die Genesung abseits des Spielfelds zu beschleunigen, sondern sie ermöglichen es den Sportlern auch, während der Heilung ihrer Verletzungen weiterhin an Wettkämpfen teilzunehmen. Mit 3D-gedruckten Gesichtsmasken können Fußballer zum Beispiel spielen, während sie sich von einem Nasen- oder Wangenbruch oder anderen Gesichtsverletzungen erholen.

Ähnlich wie die oben erwähnten Schutzausrüstungen und Sportgeräte können 3D-gedruckte Medizinprodukte schnell und einfach angepasst werden, um die optimale Passform und Unterstützung für die Genesung zu erreichen.

3D-DRUCK IM MOTORSPORT
Beispiele hierfür sind:

Verkleidungskomponenten - z. B. Armaturenbretter, Sitzrahmen, Schalttafeln, Schaltkästen, Kühlluftöffnungen und -kanäle, Abdeckungen und Konsolenzubehör
Mechanische Teile - z. B. Halterungen, Querlenker, Bremskomponenten, Auspuffanlagen, Motorteile und einige Stützstrukturen
Geschwindigkeit und Gewicht sind wesentliche Faktoren in vielen Sportarten, insbesondere aber im Motorsport. Von der Formel 1 und der MotoGP bis hin zur Rallye-Weltmeisterschaft und der Tour de France sind die Teilnehmer ständig auf der Suche nach einem Vorteil, der sie schneller macht.

In diesen Sportarten wird der 3D-Druck seit langem für ultraschnelle Prototypen in der Frühphase eingesetzt, die im Windkanal getestet und bei Bedarf modifiziert werden können. Nach der Optimierung wurde das endgültige Teil dann in der Regel mit konventionelleren Fertigungsverfahren wie Spritzguss oder CNC-Bearbeitung hergestellt.

In zunehmendem Maße wird der 3D-Druck im Sport auch für die Herstellung von Endteilen in Kleinserien aus allen möglichen Materialien und komplexen Formen eingesetzt. Die aktuellen Formel-1-Autos zum Beispiel bestehen aus Dutzenden von 3D-gedruckten Leichtbauteilen, die in einigen Fällen 90 % weniger kosten als die mit herkömmlichen Methoden hergestellten Teile. Ein wichtiger Aspekt in Sportarten mit strengen Ausgabenobergrenzen für konkurrierende Teams.

3D-DRUCK AUF ANFRAGE
Die Möglichkeit, Teile auf Anfrage zu fertigen, ist eine weitere Schlüsselfunktion, die die Einführung des 3D-Drucks im Sport vorantreibt. Die Verlagerung des Produktionsprozesses ins eigene Haus ermöglicht eine bessere Kontrolle über den Prozess und verkürzt die Zeit zwischen Entwurf und Herstellung.

Hinzu kommt, dass viele Sportmannschaften häufig weit entfernt von ihrem Hauptsitz und den dazugehörigen technischen Einrichtungen an Wettkämpfen teilnehmen. Das macht die Versorgung mit leicht zugänglichen Ersatzteilen zu einer Herausforderung.

Die Teams haben weder die Kapazität noch das Budget, um für alle Eventualitäten ein Ersatzteil mitzuführen, noch haben sie die Zeit, es mit herkömmlichen Methoden herzustellen. Daher ist es nicht ungewöhnlich, dass ein Teil z. B. in der ersten Klasse zu einem Rennort geflogen werden muss.  

Dank der Geschwindigkeit, Flexibilität und Effizienz des 3D-Drucks im Sport können Teile schnell und kostengünstig hergestellt werden, wann und wo sie benötigt werden. Digitale CAD-Dateien tragen auch zur Optimierung der Lagerbestände bei und machen große Lagereinrichtungen überflüssig.

 

Knie, Knöchel und Ellbogen sind die häufigsten Körperteile, die bei sportbedingten Verletzungen beschädigt werden. Verletzungen dieser Knochen, von kleinen Rissen bis hin zu abgebrochenen Stücken, können schmerzhaft sein und beenden oft die Karriere der Sportler. Sie können auch zu einer behindernden Arthritis führen.

Auch wenn Sportler überproportional von diesen Verletzungen betroffen sind, können sie jeden treffen.

Wissenschaftler der Rice University und der University of Maryland haben ein 3D-gedrucktes Gerüst entwickelt, das die physikalischen Eigenschaften von osteochondralem Gewebe nachbildet (harter Knochen unter einer komprimierbaren Knorpelschicht, die als glatte Oberfläche an den Enden langer Knochen erscheint).

Bisher hatten Forscher Schwierigkeiten, den Gradienten von Knorpel zu Knochen und dessen Porosität nachzubilden. Das Biomaterials Lab der Rice University druckte ein Gerüst mit maßgeschneiderten Mischungen aus Polymeren für den Knorpel und Keramik für den Knochen. Eingebettete Poren ermöglichen es den Zellen und Blutgefäßen des Patienten, das Implantat zu infiltrieren, so dass es schließlich zu einem Teil des natürlichen Knochens und Knorpels werden kann.

Dieser Machbarkeitsnachweis könnte zu einer Reihe neuer Lösungen für die regenerative Medizin führen. Der nächste Schritt des Projekts besteht darin, herauszufinden, wie ein osteochondrales Implantat hergestellt werden kann, das perfekt auf die Autonomie des Patienten abgestimmt ist - eine Herausforderung, für die der 3D-Druck ideal geeignet ist.

Der 3D-Druck im Sport stellt einen Wendepunkt mit nahezu unbegrenzten Wachstumsmöglichkeiten für Amateure und Profisportler dar. Spannende Innovationen werden durch die Verbesserung der Qualität und Detailgenauigkeit der gedruckten Objekte (die sogenannte Auflösung), die größere Vertrautheit der Branche mit der Technologie und die fortgesetzte Forschung an widerstandsfähigeren Materialien wie fortschrittlichen Verbundwerkstoffen vorangetrieben.

Doch die Technologie hat auch ihre Grenzen. Der 3D-Druck im Sport eignet sich gut für die oberen Ebenen, wo Produkte in geringen Mengen benötigt werden und die Unternehmen über beträchtliche F&E-Budgets verfügen. Trotz ihres Potenzials ist die Technologie noch nicht in der Lage, ihr Versprechen einzulösen, massenhaft maßgeschneiderte Produkte in hohen Stückzahlen oder zu hohen Preisen herzustellen.    

PRODUKTION IN GROSSEM MASSSTAB
In vielen Fällen kann der 3D-Druck im Sportbereich einen einzelnen Artikel oder eine kleine Serie von Artikeln schneller und effizienter herstellen als herkömmliche Fertigungsmethoden. Bei größeren Mengen hat die Technologie jedoch noch Probleme.

Jede Maschine kann nur eine bestimmte Anzahl von Objekten gleichzeitig drucken, je nach Größe der Maschine und des Objekts. Daher ist der 3D-Druck möglicherweise nicht die schnellste oder kosteneffektivste Technik für viele Produkte, die von einer Massenanfertigung profitieren könnten.

REGULIERUNGSSTANDARDS
Der 3D-Druck im Sport unterliegt denselben Qualitätsprüfungen wie jede andere Technologie oder Fertigungsmethode. Diese Prüfungen sind ein wichtiger Schritt, um Innovationen aus den F&E-Labors in die breite Anwendung zu bringen. Da sich die Sportindustrie noch in der Anfangsphase der Einführung des 3D-Drucks befindet, müssen viele dieser Prüfungen noch abgeschlossen oder in einigen Fällen erst begonnen werden.

Das Genehmigungsverfahren für sicherheitskritische Bauteile oder Schutzausrüstungen ist besonders streng. Das Ersetzen bewährter Produktionstechniken durch etwas Neues birgt ein Risiko, mit dem sich einige Hersteller oder Sportverbände nicht anfreunden können. 

Dies könnte sich ändern, wenn 3D-Druckanwendungen und -materialien die entsprechenden Zulassungen erhalten und geeignete Regulierungsstandards entwickelt und eingeführt werden.

UNEINHEITLICHE QUALITÄT
3D-Drucker können noch nicht jedes Mal perfekte Ergebnisse drucken. Die Fehlerquote hängt von der Maschine, dem verwendeten Material und dem gedruckten Objekt ab. Auch das Entfernen von Oberflächenunregelmäßigkeiten oder -strukturen kann zusätzliche manuelle Bearbeitungsschritte erfordern, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Faktoren wie die Fehlerquote und die Nachbearbeitung werden sich wahrscheinlich verringern, wenn sich die Technologie verbessert und die Menschen mehr und mehr mit dem 3D-Druck im Sport vertraut werden. Bei Objekten, die auf einem gescannten Modell basieren, hängt die Qualität des fertigen Drucks auch davon ab, wie hoch entwickelt die Scanausrüstung ist. Qualitativ hochwertigere Drucke erfordern möglicherweise die Investition in einen teureren Scanner und 3D-Drucker.

TEILGRÖSSE
3D-Drucker sind aufgrund ihrer begrenzten Größe nicht in der Lage, große Teile zu drucken. In einigen Fällen können mehrere kleinere Teile zusammengefügt werden, was jedoch nicht immer eine ideale Lösung darstellt.

Die Hersteller von 3D-Druckern arbeiten daran, die Größenbeschränkungen bestehender Geräte zu überwinden, indem sie beispielsweise die Barrieren in den typischen Druckkammern beseitigen.

Helme sind ein wichtiger Teil der Sicherheitsbekleidung, der vor Schädelbrüchen und schweren Hirnverletzungen schützt. Wie gut ein Helm auf dem Kopf des Trägers sitzt und ob er sich bewegt oder nicht, hat Einfluss darauf, wie viel Schutz er bietet.

Riddell ist ein Unternehmen, das sich auf Sportausrüstungen für American Football spezialisiert hat und weithin für seine Helme und Technologien zur Überwachung von Kopfaufschlägen bekannt ist. Um den Schutz auf dem Spielfeld für Spieler auf allen Ebenen zu verbessern, hat sich Riddell mit Carbon 3D zusammengetan, um die nächste Generation von Helmen zu entwickeln.

Das Helmmodell Riddell SpeedFlex Precision Diamond kombiniert Riddells Precision-Fit-Kopfscan- und Helmanpassungsprozess mit einem maßgeschneiderten 3D-gedruckten Helmfutter, das präzise an den Kopf des Spielers angepasst ist.

Jeder Helm enthält mehr als 140.000 einzelne Streben, die sorgfältig zu gitterartigen Pads angeordnet sind, die für eine maximale Aufprallabsorption mit hervorragendem Komfort und Passform ausgelegt sind. Die Gitterstrukturen werden mit einem speziell von Carbon entwickelten Harz gedruckt, um die strengen Leistungsanforderungen von Riddell zu erfüllen.

Die Innenpolster befinden sich zwischen der äußeren Helmschale und dem Kopf des Spielers und ihr Design wurde durch die Analyse von mehr als fünf Millionen Aufschlägen auf dem Spielfeld, die von Riddells intelligenter Helmtechnologie erfasst wurden, bestimmt. Diese Datenbank ermöglicht es, jede Gitterstruktur an die Größe, die Position und den Stil eines Spielers anzupassen und zu individualisieren.

Laut einem leitenden Sprecher von Riddell spielen keine zwei Spieler auf die gleiche Weise, sie haben alle unterschiedliche Stile und Tendenzen auf dem Feld. Mit dem SpeedFlex Precision Diamond erleben die Spieler nicht nur den neuesten Kopfschutz, sondern können auch bestimmen, wo der Helm positioniert wird, um die Sichtlinien zu verbessern und die Sicht auf das Spielfeld zu maximieren.