Už konštruktéri „predpočítačovej éry“ pri kreslení výkresov na rysovacích doskách snívali o spôsobe, ako čo najrýchlejšie svoje nakreslené nápady previesť do hmotnej podoby a overiť si tak tvarové riešenie, zmontovateľnosť, prístupnosť niektorých častí či iné vlastnosti navrhovaných súčiastok. S nástupom počítačového konštruovania na báze modelov sa začalo hovoriť o Rapid prototypingu – rýchlej výrobe prototypov, presnejšie povedané prototypov nie celých výrobkov ale skôr jednotlivých súčiastok. Za týmto účelom sa skúšali a vyvíjali rôzne výrobné technológie a ako najuniverzálnejší sa ukázal spôsob, ktorý dnes nazývame 3D tlač. Z hľadiska princípu hovoríme o aditívnej výrobnej technológii, pretože finálny výrobok vzniká vrstvením materiálu. V praxi sa využíva viacero metód líšiacich sa použitým materiálom a spôsobom jeho nanášania.
Komerčne sa ako prvá uplatnila stereolitografia, kde sa výrobok vytvára vytvrdzovaním tekutého fotopolyméru pomocou ultrafialového lúča. Výrobok je umiestnený na vertikálne pohyblivej doske, zatiaľčo lúč sa pohybuje v horizontálnej rovine. Po vytvorení jednej vrstvy výrobok klesne o nastavenú hrúbku vrstvy dole a začne sa vytvárať ďalšia. Toto sa opakuje, pokým nie je vytvorený celý výrobok. Výsledkom sú veľmi presné modely s hladkým povrchom. Touto technológiou možno vytvárať aj veľké objekty. Nevýhodou je vyššia nákladnosť a nemožnosť výberu materiálu či kombinácie viacerých materiálov.
V súčasnosti dominujú technológie založené na nanášaní vrstiev roztaveného materiálu, ktorý je buď vo forme vlákna alebo prášku. Pri technológii Fused deposition modeling (FDM) výrobok vzniká nanášaním roztaveného plastu alebo kovového drôtu vo vrstvách. Pri spôsoboch Selective Laser Sintering (SLS) a Direct Metal Laser Sintering (DMLS) – sa využíva zapekanie kovového alebo polymérového prášku vo vrstvách pomocou lasera. Veľmi progresívnou metódou je Electron beam melting (EBM), pri ktorej model vzniká pomocou tavenia vrstiev kovového prášku (zliatiny titánu) pomocou lúča elektrónov vo vysokom vákuu.
Iný princíp využíva Inkjet head 3D printing, kedy je model vytváraný nanášaním tenkej vrstvy prášku (sadry alebo živice) a spojovacieho lepidla z tlačových hláv. Táto metóda umožňuje v modeli skombinovať viaceré materiály s rôznymi farbami i vlastnosťami. Pri Laminated object manufacturing (LOM) sa využíva zlepovanie vrstiev lepiaceho papiera, plastu, alebo kovovej fólie na seba a následné tvarovanie nožom alebo laserom. Metóda Polyjet MatriX je zasa založená na vytláčaní fotopolyméru tlačovými hlavami a následným vytvrdzovaním pomocou UV lampy. Vznikajú tak modely s veľmi kvalitným povrchom vrátane veľmi drobných detailov.
Dôležitým faktorom vplývajúcim na voľbu technológie 3D tlače je požiadavka, či vyrábaný model bude plné alebo škrupinové teleso. Niektorými technológiami možno docieliť už stenu hrubú 0,25 mm, problémom však môže byť jej nízka pevnosť. Vo všeobecnosti možno povedať, že z hľadiska tvarov neexistujú výraznejšie obmedzenia a vieme vytlačiť aj tvarovo zložité súčiastky. Hlavná pozornosť vývojových pracovníkov je preto zameraná na oblasť materiálov, aby vytlačený výrobok mal požadované mechanické či iné vlastnosti. Zjednodušene povedané, prostredníctvom 3D tlače dokážeme vyrobiť tvarovo i rozmerovo presné ozubené koleso, len zatiaľ nie je dostatočné pevné, odolné voči opotrebeniu a pod. Vývoj v tejto oblasti však napreduje míľovými krokmi a na jazyk sa vkráda otázka:
Idú vôbec 3D tlač a obuvníctvo dokopy?
„Šiju, šiju si botičky
do sucha i do vodičky:
sviť, měsíčku, sviť,
ať mi šije niť.“
V známom monológu vodníka z rovnomennej balady jej autor - český básnik Karel Jaromír Erben popisuje klasický „baťovský“ prístup k výrobe obuvi. V minulosti obuvníci jednotlivé časti topánky vyrobené z kože a neskôr aj iných materiálov postupne zošívali do výsledného celku. V dôsledku narastajúceho tlaku na zvyšovanie i zlacňovanie produkcie bolo zdĺhavé a pracné šitie na mnohých miestach nahrádzané lacnejším a súčasne aj ľahšie automatizovateľným lepením. Samozrejme progresívne technológie v spojení s novými materiálmi v dnešnej dobe neobchádzajú ani obuvníkov, takže v súvislosti s 3D tlačou sa natíska otázka: Bude znieť podobný monológ vodníka - bežca v neďalekej budúcnosti nasledovne?
„Tlačím, tlačím si tretričky,
na cesty i na chodníčky.
Či je noc a či deň,
nech funguje tlačiareň.“
Nuž napriek veľkým pokrokom vo vývoji nových materiálov i výrobných technológii, kam už môžeme 3D tlač s kľudným svedomím zaradiť, si dovolíme tvrdiť, že asi ešte dlho nie. Vysvetlenie, prečo ešte veľa času ubehne, kým si budeme vyrábať doma obuv presne podľa nášho gusta, treba hľadať v stavbe samotnej topánky. Pritom vôbec nie je podstatné, či máme na mysli bežeckú maratónku alebo obuv určenú na bežné chodenie. V princípe môžeme topánku rozdeliť na tri hlavné časti - podrážku, medzipodošvu a zvršok. Tieto časti sa výrazne líšia vlastnosťami použitých materiálov, pričom ich voľba vychádza z rozdielnych požiadaviek, ktoré musia počas našej chôdze či behu spĺňať.
Prostredníctvom podrážky sa realizuje kontakt topánky so zemou a na vlastnosti použitého materiálu sú kladené protichodné požiadavky. Na jednej strane musí byť pružný, aby nezhoršoval celkovú ohybnosť topánky. Dobrou priľnavosťou najmä na mokrých povrchoch musí zasa zaručiť „istotu pri kroku“. Na druhej strane je vyžadovaná veľká odolnosť voči opotrebeniu, aby sa topánky rýchlo neobehali najmä na určitých miestach typických pre spôsob došľapu. Z materiálového pohľadu sa podrážky najčastejšie vyrábajú z gumy alebo špeciálnych plastov.
Veľmi dôležitou časťou topánky je medzipodošva, ktorá v rozhodujúcej miere určuje jej tlmiace vlastnosti a teda prenos nárazov na chodidlo bežca. Jednotliví výrobcovia tu volia rôzne spôsoby buď len čisto na materiálovej báze (napr. materiály Eva a BOOST používané Adidasom) alebo kombináciu materiálu a špeciálneho tvarovania (napr. vlna pri Mizunách). Základnou požiadavkou na materiál je opäť pružnosť, ale samozrejme s inými charakteristikami v porovnaní s podrážkou.
Možno trocha nedocenenú časť topánky predstavuje zvršok, ktorý najviac rozhoduje o tom, „ako nám topánka sadne“, či bude dobre vetrať, či nepremokne a pod. Pri bežeckých topánkach sa najčastejšie používa poddajná sieťovaná látka zaisťujúca pevné obopnutie hornej a bočnej časti chodidla.
Z tohto stručného prehľadu možno vidieť, že na jednotlivé časti topánky sú z pohľadu užívateľa kladené výrazne odlišné požiadavky, ktoré sa premietajú veľkej rozmanitosti vlastností použitých materiálov. Asi ťažko sa niekedy podarí vytvoriť jeden materiál vhodný na 3D tlač, ktorý by spĺňal široké spektrum často protichodných požiadaviek.
Aký je teda súčasný stav vo využívaní 3D tlače pri výrobe obuvi?
Vo všeobecnosti možno povedať, že výrobcovia aplikujú túto progresívnu technológiu v dvoch oblastiach. Prvou je proces návrhu výrobku. Keďže ešte dlho bude platiť, že (aj) obal predáva, celkový dizajn topánky zahŕňajúci nielen tvarové riešenie, ale aj farebný koncept sa finálne posudzuje pomocou modelov vytvorených v 3D tlačiarňach. V súčasnosti už nie je problém vytlačiť model prepracovaný do najmenších detailov, ktorý je na pohľad nerozoznateľný od skutočnej topánky. Rozmach technológie však trocha pribrzďuje vysoká cena a relatívne dlhý čas výroby. Napr. topánka na obrázkoch sa tlačila približne 15 hodín, jej cena je 1000 Eur a v hmotnosti môže smelo konkurovať lyžiarskym „klipsniakom“. A chodiť či behať by sa v nej už vôbec nedalo, lebo použitý materiál je úplne nepoddajný. To však nie je až také dôležité, hlavným cieľom pri jej tvorbe bolo premeniť dizajnovú predstavu návrhárov na hmotný objekt.
Druhou oblasťou v obuvníctve, kde sa uplatňovanie 3D tlače rozširuje míľovými krokmi, predstavuje výroba určitých častí topánky. Výrobcovia veľmi skoro pochopili, že táto technológia ponúka vysokú možnosť individualizácie produktu, pričom vôbec nemáme na mysli zákaznícku modifikáciu jeho vzhľad ale predovšetkým prispôsobenie kvalitatívnych vlastností. Ako už bolo spomenuté, tie sú do značnej miery určené najmä medzipodošvou, takže práve na tento komponent sa zameriava pozornosť návrhárov a technológov. Trocha zjednodušene možno povedať – čo bežec, to iný spôsob behu. Niekto beží cez špičky, iný ide cez pätu, o natáčaní chodidla v podobe supinácie či pronácie nehovoriac. A opomenúť nemožno ani klenbu chodidla a hmotnosť bežca. Toto všetko sú premenné nadobúdajúce v spojení s konkrétnym bežcom rôzne hodnoty a súčasne brániace produkcii univerzálnej topánky, ktorá by vyhovovala všetkým. V súčasnej hromadnej výrobe sa štandardná medzipodošva sa vyrába vstrekovaním plastu do kovovej formy. Pre daný model sa produkuje len jeden tvar s určitými vlastnosťami, ktorý bol navrhnutý ako kompromisné riešenie pre čo najväčšiu skupinu zákazníkov. A teda buď topánka vyhovuje alebo nie.
V súčasnosti mnohé predajne ponúkajú rôzne analýzy bežeckého štýlu s cieľom pomôcť nájsť vhodné bežecké topánky. Nie je však ďaleko doba, kedy na základe dát z takejto analýzy bude pomocou 3D tlače vyrobená medzipodošva na mieru, ktorú si bežec – zákazník vloží do topánky. Pritom vôbec nejde len o optimálny tvar maximálne prispôsobený nohe bežca. Technológia umožňuje aj určitú variáciu mechanických vlastností. Napr. tam kde je zaťaženie najväčšie, tak bude materiál medzipodošvy tuhší inde mäkší. Docieli sa to rozdielnou vnútornou makroštruktúrou materiálu. Tá na prvý pohľad pripomína včelí plást, pričom veľkosťou a hustotu jednotlivých „očiek“ možno výrazne meniť mechanické vlastnosti, najmä pružnosť a tuhosť. Podľa dostupných informácií túto technológiu v komerčne aplikovateľnej podobe (vrátane ponuky „celej“ topánky) má zvládnutú firma Adidas s modelom Futurcraft 3D a New Balance s modelom Zante Generate, ale v blízkej budúcnosti určite pribudnú aj ďalší výrobcovia. Hlavnými brzdami masívneho rozširovania takýchto výrobkov je zatiaľ vysoká cena a relatívne dlhý čas tlače. Na vyrobenie jednej medzipodošvy treba približne 2 až 5 hodín.
Vývojoví pracovníci z New Balance už teraz smelo vyhlasujú, že aj súčasné zvládnutie technológie 3d tlače umožňuje kompletné vyrobenie topánky pomocou 3D tlače. Samozrejme jej cena by bola vysoká a otáznou sa ukazuje aj trvanlivosť produktu. Napriek tomu predstava - večer modelujem, v noci tlačím a ráno bežím vo „fungláčoch“ - bude ešte asi dlhý čas len utopickým snom mnohých bežcov...
