Bei der Konzeption des Sprintschuhes Adizero Prime hatte sich Adidas ambitionierte Ziele gesteckt. Der Schuh sollte die Schallmauer von 100 g Gewicht unterschreiten und gleichzeitig hohen Belastungskräften standhalten. Eine spezielle Spaceframe-Zone im Mittelfußbereich gewährleistet diese Stabilität. Sie muss als Schnittstelle die Schnellkraft des Sprinters möglichst verlustfrei auf die Tartanbahn übertragen. Die Ingenieure bauen den Sohlenkern in der Mittelfuß-Zone mit einem Kunststoff (PA 12) in natürlicher Form und einer glas-/kohlefaserverstärkten Variante auf. Um diese Spaceframe-Zone zuverlässig zu produzieren, entschieden sich die Entwickler für das Laserschweißen mit LPKF-Systemen.

Beim Laser-Durchstrahlschweißen von Kunststoffen werden ein lasertransparenter und ein laserabsorbierender Werkstoff miteinander verbunden. Die Laserstrahlung dringt mit geringer Abschwächung durch den oberen Fügepartner in die Fügezone und wird dort vom unteren Fügepartner an der Oberfläche absorbiert. Der untere Teil der Schweißnaht wird bis zum Aufschmelzen erwärmt. Durch Wärmeübertragung übernimmt der obere Fügepartner die Energie und erwärmt sich so weit, dass ein Diffundieren der Molekülketten im Berührungsbereich stattfindet. Nach dem Abkühlen entsteht eine stoffschlüssige Verbindung. Die Festigkeiten einer Laserschweißnaht sind denen im vollen Material ähnlich und erreichen somit nahezu Schweißfaktor 1. Zur Zuverlässigkeit trägt eine besondere Eigenheit des Laser-Kunststoffschweißens bei: Bereits im Fügeprozess lassen sich qualifizierte Aussagen zum Schweißerfolg machen. Die eingesetzten Schweißanlagen erfassen wichtige Prozessparameter bei der Produktion und reagieren auf Abweichungen von Sollwerten mit automatischen Korrekturen oder einem Hinweis an den Bediener. So misst die Fügewegüberwachung beim Laserstrahlfügen den Abschmelzweg und lässt Rückschlüsse auf die Qualität zu.

Fast alle scannerbasierten Systeme des Herstellers sind mit dieser Überwachungsmethode ausgestattet. Weitere Methoden komplettieren die Prozessüberwachung: Die Temperaturüberwachung durch Pyrometer prüft die Fügezonentemperatur und gibt Aufschluss über lokale Störstellen. Die Verbrennungsdiagnostik deckt selbst kleinste Verbrennungen an der Oberfläche auf, während sich Vision-Systeme bei kontraststarken Materialpaarungen anbieten.

Die Sohlenplatte wurde von Adidas zusammen mit Framas Kunststofftechnik, Pirmasens, konzipiert, einem Spezialisten für High-Performance-Kunststofftechnik im Sport. Die Sohlenkerne werden ausschließlich von den Pfälzern hergestellt, für die präzise Schweißung nutzt das Unternehmen das Lasersystem mit dem Quasisimultan-Verfahren. Ein Scannersystem lenkt den Laserstrahl mehrfach schnell über die gesamte Schweißnaht, bis diese auf der gesamten Länge aufgeschmolzen ist. Dieser Fertigungsschritt trägt dazu bei, dass der Hochleistungsschuh weniger als eine Tafel Schokolade wiegt. Zudem zeigt das Verfahren bei diesem Produkt auch, welche Flexibilität möglich ist: Beim Laser-Durchstrahlschweißen können beim Schweißen die individuellen Bedürfnisse des Sportlers berücksichtigt werden – für dieses maßgeschneiderte Produkt im High-End-Bereich des Sports ein wesentlicher Faktor.

„Um die 100-g-Grenze zu unterschreiten entschied das Team sich für ein völlig neues Design und eine außergewöhnliche Vorgehensweise. Die Entwicklung dauerte 34 Monate, beteiligt waren 15 Städte, 32 Länder und zwei Universitäten sowie tausende Menschen.”

Udo Müller, Leiter Head of Technical Marketing Innovation bei Adidas

 

Produkt im Detail

Der Schuh für Sprinter

Der Sprinterschuh Adizero ist mit nur 99 g der leichteste Sprinterschuh, der jemals hergestellt wurde. Er hatte auf der Olympiade 2012 in London seinen großen Auftritt. Eine besondere Kombination aus neuen Materialien, Leichtgewichts-Konstruktionstechniken und Verarbeitungstechnologien macht den Schuh um 25 Prozent leichter und gleichzeitig belastungsfähiger als vorhergehende Schuhgenerationen. Der Sprinterschuh wurde unter maßgeblicher Mitwirkung internationaler Spitzensportler entwickelt, unter anderem des Amerikaners Tyson Gay. Ein Kernelement – wie bei einem T-Träger in einem Hochhaus – stabilisiert eine lasergeschweißte Zone des Schuhs im Mittelfußbereich.

Zwei 1,5 mm dicke, zusammengeschweißte Kunststoffelemente umschließen einen Leerraum von etwas mehr als sechs Millimetern. Dieser wird durch Stege zusätzlich stabilisiert. So entsteht ein Flächentragwerk, das im Aufbau einem Flugzeugflügel ähnelt: Dünne Schalen oben und unten erhalten durch unterstützende Stege eine außerordentliche Stabilität bei minimiertem Gewicht. Das Ergebnis ist ein Sohlenelement, das 27-mal steifer ist, als die eingesetzten Materialien an sich. Diese Sohle unterstützt das Mittelgelenk des Fußes. Die Energie des Läufers wird dadurch optimal in eine Vorwärtsbewegung geleitet. Doch der Adidas-Schuh hat noch weitere Besonderheiten: Die nur 1,3 mm dünne Sohle ist um 50 Prozent dünner als bei vergleichbaren Modellen. Die verwendeten Nano-Kohlenstoff-Röhren erreichen mit der halben Materialstärke die doppelte Stabilität. Die verwendete Nano-Keramik bei den Stollen ist 66 Prozent leichter als Stahl bei vergleichbarer Stabilität.

Hintergrund

Viele Anwendungsbereiche

Das Laser-Kunststoffschweißen ist als sauberes und partikelfreies Fügeverfahren konventionellen Verfahren qualitativ überlegen. Häufig eingesetzt wird es in der Automobilindustrie, der Medizintechnik, für Konsumgüter und Sportartikel. In der Automobilindustrie wird das Laserstrahl-Kunststoffschweißen seit 1998 in mehr als 3.000 Serienprozessen für viele Produktvarianten eingesetzt. Bei Produkten für die Medizintechnik spielen die Sauberkeit und die sichere Schweißung die entscheidende Rolle. Denn Sauberkeit und Sicherheit sind wichtige Argumente, wenn es um die Herstellung von Herzkathetern, Infusionsbeuteln oder anderer medizinischer Produkte geht. Elektrische Geräte und Sportartikel sind weitere große Anwendungsgebiete. Das Spektrum reicht von Rasierer- bis zu Fernsehergehäusen, über Bauteile für die Waschmaschine bis zu besonderen Sportschuhen.

 

Autor

Über den Autor

Frank Brunnecker ist Leiter des LPKF- Geschäftsbereichs Laser Welding bei LPKF Laser & Electronics, Erlangen. Frank.Brunnecker@lpkf.com