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• Für Sport und Physiotherapie

Forschende der ETH Zürich, der Empa und der EPFL entwickeln eine 3D-gedruckte Einlagesohle mit integrierten Sensoren, die das Messen des Sohlendrucks im Schuh und damit während beliebiger Aktivitäten erlaubt. Dies hilft Athletinnen oder Patienten, Leistungs- und Therapiefortschritte zu bestimmen.

Im Spitzensport entscheiden manchmal Sekundenbruchteile zwischen Sieg und Niederlage. Um ihre Leistungen zu optimieren, nutzen Sportlerinnen und Sportler deshalb unter anderem massgefertigte Einlagesohlen. Aber auch Menschen mit Schmerzen des Bewegungsapparates greifen auf Einlagen zurück, um ihre Beschwerden zu bekämpfen.

Um solche Einlagen exakt anzupassen, müssen Fachleute zuerst ein Druckprofil der Füsse erstellen. Dazu müssen Sportler oder Patientinnen barfuss über druckempfindliche Matten gehen, wo sie ihren individuellen Fussabdruck hinterlassen. Aufgrund dieses Druckprofils erstellen Orthopädinnen und Orthopäden dann in Handarbeit individuell passende Einlagen. Optimierungen und Anpassungen brauchen aber Zeit. Weiterer Nachteil: Die druckempfindlichen Matten lassen nur Messungen in einem begrenzten Raum zu, aber nicht während des Trainings oder Outdoor-Aktivitäten.

Nun könnte aber eine Erfindung eines Forschungsteams der ETH Zürich, der Empa und der EPFL die Situation deutlich verbessern: Die Forschenden fabrizierten nämlich mittels 3D-Druck eine massgeschneiderte Einlagesohle mit integrierten Drucksensoren. Damit kann der Fusssohlendruck direkt im Schuh bei verschiedenen Aktivitäten gemessen werden.

«Man kann anhand der ermittelten Druckmuster erkennen, ob jemand geht, läuft, eine Treppe hochsteigt oder gar eine schwere Last am Rücken trägt. Dann verlagert sich der Druck nämlich mehr auf die Ferse», erklärt Co-Projektleiter Gilberto Siqueira, Oberassistent an der Empa und am Labor für komplexe Materialien der ETH Zürich. Mühsame Mattentests sind damit passé. Die Erfindung wurde vor kurzem in der Fachzeitschrift Scientific Reports vorgestellt.

Ein Gerät, mehrere Tinten
Dabei ist aber nicht nur die Benutzung, sondern auch die Herstellung der Einlagesohlen einfach. Samt den integrierten Sensoren und Leiterbahnen werden sie in nur einem Arbeitsgang und nur auf einem 3D-Drucker hergestellt, einem sogenannten Extruder. Zum Drucken verwenden die Forschenden verschiedene Tinten, deren Rezepturen sie eigens für diese Anwendung entwickelt haben. So nutzen die Materialwissenschaftler als Grundlage der Einlagesohle ein Gemisch aus Silikon und Zellulose-Nanopartikeln.

Auf diese erste Schicht drucken sie dann mit einer leitfähigen silberhaltigen Tinte die Leiterbahnen, und auf diese an einzelnen Stellen – mit russhaltiger Tinte – die Sensoren. Die Verteilung der Sensoren ist dabei nicht zufällig: Sie werden genau dort platziert, wo der Fusssohlendruck am stärksten ist. Um die Leiterbahnen und die Sensoren zu schützen, überziehen die Forschenden diese mit einer weiteren Silikonschicht.

Eine anfängliche Schwierigkeit bestand darin, eine gute Haftung der unterschiedlichen Materialschichten zu erzielen. Die Forschenden behandelten deshalb die Oberfläche der Silikonschichten mit einem heissen Plasma.

Die Sensoren sind sogenannte Piezoelemente, die mechanischen Druck in elektrische Signale umwandeln. Sie messen Normal- und Scherkräfte. Die Forschenden haben auch eine Schnittstelle zum Auslesen der generierten Daten in die Sohle eingebaut.

Laufdaten bald drahtlos auslesen
Tests zeigten den Forschenden, dass die additiv gefertigte Einlage gut funktioniert. «Mit einer Datenanalyse können wir also tatsächlich verschiedene Aktivitäten identifizieren, je nachdem, welche Sensoren wie stark angesprochen haben», sagt Projektleiter Siqueira.

Im Moment brauchen er und seine Kolleginnen und Kollegen noch eine Kabelverbindung, um die Daten auszulesen. Seitlich der Einlage haben sie einen Kontakt eingebaut. Einer der nächsten Entwicklungsschritte werde sein, eine drahtlose Verbindung zu schaffen. «Das Auslesen der Daten stand bisher jedoch nicht im Vordergrund unserer Arbeit», betont der Forscher.

Eine solche 3D-gedruckte Einlagesohle mit integrierten Sensoren könnte künftig von Sportlerinnen und Sportlern oder auch in der Physiotherapie genutzt werden, etwa um Trainings- oder Therapiefortschritte zu messen. Auf den Messdaten basierend können dann Trainingspläne angepasst und mittels 3D-Druck permanente Schuheinlagen mit unterschiedlich harten und weichen Zonen fabriziert werden.

Obwohl Siqueira das Marktpotenzial für ihre Entwicklung besonders im Spitzensport als gross einschätzt, hat sein Team bislang noch keine Schritte in Richtung Kommerzialisierung unternommen.

An der Entwicklung der Einlagesohle waren Forschende der Empa, der ETH Zürich und der EPFL beteiligt. EPFL-Forscher Danick Briand koordinierte das Projekt und seine Gruppe steuerte die Sensoren bei, die ETH- und Empa-Forschenden die Entwicklung der Tinten und die Druckplattform. Am Projekt beteiligt waren auch das Universitätsspital Lausanne CHUV und die Orthopädiefirma Numo. Gefördert wurde das Projekt im Rahmen der «Strategic Focus Area» Advanced Manufacturing des ETH-Bereichs.

• Gesamtwirtschaftliche Entwicklungen belasten Stimmung in der Composites-Industrie
• Zukunftserwartungen optimistisch
• Investitionsklima auf konstantem Niveau
• Erwartungen an Anwendungsindustrien unterschiedlich
• Wachstumstreiber bleiben unverändert
• Composites-Index zeigt in verschiedene Richtungen

Zum 20. Mal hat Composites Germany aktuelle Kennzahlen zum Markt für faserverstärkte Kunststoffe erhoben. Befragt wurden alle Mitgliedsunternehmen der Trägerverbände von Composites Germany: AVK und Composites United, sowie des assoziierten Partners VDMA.  

Gesamtwirtschaftliche Entwicklungen belasten Stimmung in der Composites-Industrie
Wie die Industrie generell war auch die Composites-Industrie in den vergangenen Jahren von starken negativen Einflüssen betroffen. Zentrale Herausforderungen in den letzten Jahren waren vor allem die Corona-Pandemie, der Halbleitermangel, Probleme in den Logistikketten und ein starker Anstieg der Rohstoffpreis. Hinzu kamen weitere Einzeleffekte, die den Druck auf die Industrie zusätzlich erhöht haben.

Zentrale Herausforderungen des letzten Jahres waren hauptsächlich der extreme Anstieg der Energie- und Spritpreise sowie der Logistikkosten. Daneben hat der Krieg in der Ukraine-Krise die ohnehin geschwächten Handelsketten weiter belastet.

Insgesamt zeigen sowohl die Börsenpreise für Strom als auch Erdölpropdukte derzeit zwar deutlich nach unten. Allerdings werden die deutlich geringeren Preise von den Erzeugern/Einkäufern noch nicht an Endkunden weitergegeben.

Die vorgenannten Effekte haben die Stimmung in der Composites-Industrie weiter nach unten gezogen. Der entsprechende Index für die Bewertung der aktuellen generellen Geschäftslage in Deutschland und Europa gibt nochmals nach. Etwas positiver zeigt sich die Bewertung der weltweiten Situation.
    
Trotz dieser generell negativen Bewertung der aktuellen Situation dreht die Bewertung der eigenen Geschäftslage der Unternehmen in der aktuellen Befragung leicht ins Positive. Die befragten Unternehmen bewerten die Position der eigenen Unternehmen somit besser als bei der letzten Befragung.

Zukunftserwartungen optimistisch
Die Erwartungen an die zukünftige Marktentwicklung zeigen ein sehr positives Bild. Die entsprechenden Kennwerte für die generelle Geschäftslage zeigen, nach einem deutlichen Abrutschen bei der letzten Befragung, nun wieder deutlich nach oben. Auch für das eigene Unternehmen zeigen sich die Befragten hinsichtlich ihrer Zukunftserwartungen deutlich optimistischer.

Das Investitionsklima bleibt auf einem relativ stabilen Niveau. Fast die Hälfte der befragten Unternehmen plant für das kommende halbe Jahr entsprechend Personal einzustellen. Nach wie vor halten etwa 70 % der Befragten Maschineninvestitionen für möglich oder planen diese. Dieser Wert bleibt im Gegensatz zur Vorbefragung fast gleich.    

Erwartungen an Anwendungsindustrien unterschiedlich
Der Composites Markt ist durch eine starke Heterogenität sowohl material- aber auch anwendungsseitig gekennzeichnet. In der Befragung werden die Teilnehmer gebeten, ihre Einschätzung hinsichtlich der Marktentwicklung unterschiedlicher Kernbereiche zu geben. Die Erwartungen zeigen sich äußerst verschieden.
 
Das bedeutendste Anwendungssegment für Composites ist der Transportbereich. Die Zulassungszahlen im PKW-Bereich waren dabei in den letzten Jahren rückläufig. Hier manifestierte sich die Abkehr der OEM von Volumenmodellen hin zu margenstarken Mittel- und Hochpreissegmenten. Dies zeigt sich in der aktuellen Befragung an relativ zurückhaltenden Erwartungen an dieses Segment.

Größere Rückgänge werden der derzeit eher pessimistischen Erwartung an die Baukonjunktur folgend vor allem auch in diesem Bereich erwartet. Speziell der Baubereich reagiert oftmals eher langsam auf entsprechende kurzfristige, wirtschaftliche Schwankungen und zeigte sich lange relativ robust gegenüber den oben genannten Krisen. Nun scheint es auch in diesem Bereich zu entsprechend negativen Einflüssen zu kommen.

Die pessimistische Sichtweise auf den Sport- und Freizeitbereich erklärt sich durch eine eher pessimistische Sichtweise auf das Konsumentenverhalten der Verbraucher.
Die Erwartungen an die zukünftige Marktentwicklung sind aber deutlich positiver, als dies die hier dargestellten Zahlen vermuten lassen.
 
Wachstumstreiber bleiben unverändert
Regional bleiben in der aktuellen Erhebung Deutschland, Europa und Asien die Weltregionen, aus denen die wesentlichen Wachstumsimpulse für das Composites-Segment erwartet werden, wobei Europa dabei für viele der Befragten eine Schlüsselrolle einnimmt.

Bei den Werkstoffen setzt sich der Paradigmenwechsel weiter fort. Wurde von den Befragten in den ersten 13 Erhebungen stets CFK als Material genannt, aus dessen Umfeld die wesentlichen Wachstumsimpulse für den Composites-Bereich zu erwarten sind, so werden die wesentlichen Impulse mittlerweile durchweg von GFK oder materialübergreifend erwartet.

Composites-Index zeigt in verschiedene Richtungen
Trotz der zahlreichen negativen Einflüsse der letzten Zeit zeigen sich Composites für die Zukunft gut aufgestellt. Durch eine sehr starke Marktentwicklung in 2021 konnte das Vor-Corona-Niveau bereits fast wieder erreicht werden. Die Aussichten für die Marktentwicklung 2022 liegen noch nicht final vor, zeigen aber eine weniger positive Entwicklung für das letzte Jahr.

Dennoch spricht vieles dafür, dass sich die generell über die letzten Jahre positive Entwicklung der Composites-Industrie weiterhin fortsetzen kann. Die strukturellen Änderungen im Mobilitätsbereich eröffnen Composites mittelfristig die Möglichkeit, auch in neuen Anwendungen Fuß zu fassen. Große Möglichkeiten bieten der Bau- und Infrastrukturbereich. Hier zeigen sich, der schwächeren Marktlage zum Trotz, enorme Chancen für Composites, aufgrund ihres einmaligen Eigenschaftsniveaus, das sie für den langfristigen Einsatz prädestiniert. Langlebigkeit bei nahezu wartungsfreiem Einsatz und die Möglichkeit zur Umsetzung entsprechender Leichtbaukonzepte sowie ein positiver Einfluss im Hinblick auf Nachhaltigkeit sprechen für den Einsatz der Materialien. Darüber hinaus wird die Windindustrie zu einem wesentlichen Wachstumstreiber werden, wenn die politisch selbst gesteckten Ziele zum Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch eingehalten werden sollen.

Insgesamt zeigt der Composites-Index eine verhaltene Bewertung der aktuellen Situation, wohingegen die Bewertung der zukünftigen Situation deutlich positiv ausfällt. Die Befragten schauen somit optimistisch in die Zukunft. Dies deckt sich mit der oben angesprochenen Einschätzung: Composites befinden sich seit vielen Jahrzenten im industriellen (Serien-)Einsatz und offenbaren trotz zahlreicher Herausforderungen auch für die Zukunft ein enormes Potenzial, sich weitere Anwendungsfelder zu erschließen.

Die nächste Composites-Markterhebung erscheint im Juli 2023.