Warum Flachstrickmaschinen für die Herstellung von 3D-Schuhoberteilen eingesetzt werden

Der Übergang von der Cut-and-Sew-Konstruktion hin zu vollständig gestrickten Schuhoberteilen hat die Art und Weise, wie Funktions- und Freizeitschuhe entwickelt und hergestellt werden, grundlegend verändert. Im Zentrum dieses Wandels steht die computergesteuerte Flachstrickmaschine – eine Technologie, die sich weit über ihre Ursprünge in der Bekleidungsproduktion hinaus weiterentwickelt und zur dominierenden Plattform für die Herstellung von 3D-Schuhoberteilen im kommerziellen Maßstab geworden ist. Im Gegensatz zu Rundstrickmaschinen, die schlauchförmige Stoffe herstellen, die sich für Socken und nahtlose Kleidungsstücke eignen, arbeiten Flachstrickmaschinen mit zwei gegenüberliegenden Nadelbetten, die in V-Form angeordnet sind. Dies gibt ihnen die Möglichkeit, in mehrere Richtungen zu arbeiten, Maschen zwischen den Nadelbetten zu übertragen und Stoff dreidimensional zu formen, ohne ihn zu schneiden. Aufgrund dieser Fähigkeit eignen sie sich hervorragend für die Herstellung von Schuhoberteilen als einteilige Strickstrukturen, die sich der komplexen Geometrie eines Fußes anpassen, ohne Nähte an strukturell kritischen Stellen.

Die praktischen Vorteile gegenüber herkömmlichen Obermaterialkonstruktionen sind erheblich: Der Materialabfall wird auf weniger als 5 % im Vergleich zu 30–40 % bei Schnitt- und Nähmethoden reduziert, der Arbeitsaufwand ist erheblich geringer, da keine Nähte erforderlich sind, und die Strickstruktur ermöglicht eine zonenspezifische Leistungsentwicklung – die Platzierung atmungsaktiver offener Netze am Vorfuß, stützendes dichtes Gestrick am Mittelfuß und dämpfende Frotteestrukturen an der Ferse in einem einzigen durchgehenden Stoff. Zu verstehen, wie man eine Flachstrickmaschine speziell für die 3D-Schuhoberteilproduktion konfiguriert und bedient, ist eine technische Disziplin, die Maschinenprogrammierung, Garnwissenschaft und Schuhtechnik kombiniert.

Verstehen der für Schuhoberteile erforderlichen Maschinenspezifikationen

Nicht jede Flachstrickmaschine ist in der Lage, ein richtiges 3D-Schuhoberteil herzustellen. Mehrere Maschinenspezifikationen sind entscheidende Voraussetzungen, bevor mit der oberen Produktion begonnen wird, und die Auswahl der richtigen Maschinenkonfiguration ist die erste Entscheidung, die ein Hersteller treffen muss.

Gauge – die Anzahl der Nadeln pro Zoll auf jedem Nadelbett – ist die grundlegendste Spezifikation. Bei Schuhoberteilen sind Stärken zwischen 12 und 15 am gebräuchlichsten, wobei 15-Gauge-Maschinen feinere, glattere Stoffe erzeugen, die für Lifestyle- und Modeschuhe geeignet sind, und 12-Gauge-Maschinen besser für Sportoberteile geeignet sind, bei denen die Garnanzahl und das Stoffgewicht höher sind. Feinere Stärken wie 18 führen zu strumpfwarenschweren Stoffen, die für die meisten Schuhobermaterialanwendungen ohne nennenswerte Verstärkungsgarne zu empfindlich sind. Die Maschine muss außerdem über mindestens zwei Garnträger verfügen, die gleichzeitig arbeiten können, um eine intarsienartige Farb- und Strukturzonierung zu ermöglichen, ohne Garn zwischen den Abschnitten zu schneiden und wieder zusammenzufügen.

Maschinen für 3D-Schuhoberteile müssen die Verbundnadeltechnologie oder Zungennadelbetten mit zuverlässiger Maschenübertragungsfähigkeit unterstützen. Verbundnadeln ermöglichen eine feinere Stichkontrolle und einen schnelleren Betrieb, während die Transferfunktion für die dreidimensionale Formgebung unerlässlich ist, die ein gestricktes Obermaterial von einem flachen Stoff unterscheidet. Führende Maschinenhersteller wie Shima Seiki, Stoll und Lonati bieten spezielle Schuhoberteil-Stricksysteme mit speziellen Platinengeometrien und Abnahmemechanismen an, die darauf ausgelegt sind, die konzentrierte Masse eines Schuhoberteils zu bewältigen, die sich beim Stricken auf dem Nadelbett aufbaut.

Garnauswahl für verschiedene Zonen des Schuhoberteils

Die Leistungsmerkmale von a 3D-gestricktes Schuhobermaterial werden sowohl durch die Garnauswahl als auch durch die Maschinenprogrammierung bestimmt. Unterschiedliche Zonen des Obermaterials stellen unterschiedliche funktionelle Anforderungen und moderne Flachstrickmaschinen können mitten im Lauf zwischen den Garnträgern wechseln, um zonenspezifische Garne in ein einzelnes Stück einzuführen. Das Verständnis der Eigenschaften der verfügbaren Garne und ihrer Zuordnung zu den oberen Zonen ist ein wesentliches Wissen für jeden Techniker, der an der Herstellung von Schuhoberteilen arbeitet.

• Monofilament- und Multifilament-Polyester: Feine Polyester-Multifilamentgarne (typischerweise 75D bis 150D) bilden das strukturelle Rückgrat der meisten gestrickten Obermaterialien. Sie bieten Dimensionsstabilität, Abriebfestigkeit und eine gleichmäßige Stichgeometrie. Monofilamentgarne in feineren Garnstärken werden dort eingesetzt, wo eine steife, offene Netzstruktur erforderlich ist, beispielsweise in Blattbereichen, in denen der Luftstrom Vorrang hat.

• Thermoplastische Garne (Hotmelt): TPU- oder niedrig schmelzende Polyestergarne werden in Zonen gestrickt, die eine strukturelle Verstärkung erfordern – Fersenkappe, Ösenreihen und Kragenkante. Wenn das fertige Obermaterial nach dem Stricken durch einen Wärmetunnel geleitet wird, verschmelzen diese Garne mit benachbarten Garnen und erzeugen steife, verbundene Zonen, die herkömmliche Verstärkungskomponenten ohne zusätzliche Klebstoff- oder Materialschichten ersetzen.
• Elastomergarne (Spandex/Lycra): Im Knöchelkragen und im Spannbereich sind elastische Garne eingearbeitet, um für Dehnbarkeit und Erholung zu sorgen und den Fuß im Schuh zu fixieren, ohne dass eine separate elastische Komponente erforderlich ist. Diese Garne werden typischerweise eingelegt (zwischen Maschenmaschen gelegt, anstatt selbst zu Maschenmaschen geformt zu werden), um die elastische Erholung zu maximieren.
• Recyceltes PET und Spezialfasern: Nachhaltigkeitsanforderungen großer Schuhmarken haben die Einführung von rPET-Garnen vorangetrieben, die aus gebrauchten Plastikflaschen hergestellt werden. Diese sind beim Stricken vergleichbar mit reinem Polyester, erfordern jedoch aufgrund des etwas höheren Garnreibungskoeffizienten eine strengere Spannungskalibrierung. Spezialfasern wie Dyneema oder Vectran werden als Einlageverstärkung in Performance-Modellen eingesetzt, bei denen es auf die Reißfestigkeit ankommt.

Programmierung der 3D-Struktur: Formungs- und Zonentechniken

Die entscheidende Fähigkeit einer Flachstrickmaschine bei der Herstellung von Schuhoberteilen ist ihre Fähigkeit, durch programmierte Formgebung eine dreidimensionale Struktur zu erzeugen – mithilfe von Nadelaktivierungsmustern, Maschenübertragung und Teilstricken, um einen Stoff herzustellen, der sich der Geometrie eines Fußleistens anpasst, ohne zu schneiden oder zu nähen. Für die Programmierung dieser Struktur ist eine spezielle CAD-Software erforderlich. Das SDS-ONE APEX-System von Shima Seiki und das M1 Plus von Stoll sind die beiden am weitesten verbreiteten Plattformen. Beide umfassen schuhoberteilspezifische Designmodule, die die Strickstruktur in 3D simulieren, bevor ein physisches Muster hergestellt wird.

Teilstricken zur dreidimensionalen Formgebung

Teilstricken – auch Kurzreihenstricken genannt – ist die primäre Technik, um eine dreidimensionale Geometrie in ein flachgestricktes Obermaterial einzubauen. Indem während ausgewählter Maschenreihen nur eine Untergruppe von Nadeln auf einem oder beiden Nadelbetten aktiviert wird, baut die Maschine in bestimmten Bereichen zusätzliche Stoffreihen auf, während die umgebenden Nadeln ihre Maschen halten. Dadurch entsteht eine kontrollierte Krümmung: Der Bereich, der zusätzliche Reihen aufnimmt, wird im Vergleich zu angrenzenden Bereichen länger, wodurch sich der Stoff krümmt oder wölbt. Bei der Programmierung von Schuhoberteilen wird Teilstrick verwendet, um die Tiefe der Fersenkappe, das Volumen des Zehenbereichs und die Krümmung des Spanns zu erzeugen, die es dem flachgestrickten Teil ermöglicht, über einen Fußleisten zu passen, ohne bei kritischen Geometrieänderungen zu ziehen oder sich zu verziehen.

Stichübertragung für Struktur- und Texturvariationen

Durch die Maschenübertragung zwischen dem vorderen und hinteren Nadelbett werden Struktureffekte erzeugt, die sowohl ästhetischen als auch funktionalen Zwecken dienen. Durch die Übertragung von Maschen vom Vorderbett auf das Hinterbett und das erneute Stricken entsteht ein Biesen- oder Zopfeffekt, der die Dicke und Steifigkeit des lokalen Stoffes erhöht – nützlich für die Schaffung integrierter Zehenkappen oder Mittelfußstützstrukturen, ohne dass separate Komponenten hinzugefügt werden müssen. Durch die Übertragung von Stichen entlang des Bettes nach außen (Verbreiterung) oder nach innen (Verengung) wird die geformte Silhouette des Obermaterials erreicht, wobei die Breite der Knöchelöffnung, die Halsweite an der Schnürzone und die Zehenform entsprechend den letzten im CAD-System programmierten Maßen gesteuert werden.

Intarsien- und Jacquard-Programmierung zur Zonendifferenzierung

Beim Intarsienstricken können verschiedene Garnträger in isolierten Zonen innerhalb derselben Reihe arbeiten, ohne dass das Garn über das gesamte Nadelbett geführt wird. Diese Technik ist für Schuhoberteile von entscheidender Bedeutung, bei denen benachbarte Zonen völlig unterschiedliche Garne erfordern – zum Beispiel eine atmungsaktive Monofilament-Mesh-Zone direkt neben einer festen Polyester-Jacquard-Zone. Die Jacquard-Programmierung auf Doppelbettmaschinen ermöglicht die Integration von bis zu vier Garnfarben oder -arten innerhalb einer einzigen Reihe über die gesamte Breite, sodass komplexe grafische Muster, Multimaterialstrukturen und integrierte Branding-Elemente vollständig im Strickprozess ohne Nachdruck oder Stickerei hergestellt werden können.

Maschineneinrichtung und Spannungskalibrierung für das Stricken des Obermaterials

Die Einrichtung einer Flachstrickmaschine für die Schuhoberteilproduktion erfordert eine sorgfältige Kalibrierung mehrerer voneinander abhängiger Parameter. Die Spannung – die Kraft, mit der der Stoff beim Stricken vom Nadelbett nach unten gezogen wird – ist die empfindlichste Variable und muss dynamisch angepasst werden, wenn das Obermaterial an Masse zunimmt. Zu Beginn des Obermaterials, wenn nur wenige Maschen gestrickt wurden, ist eine sehr geringe Abzugsspannung erforderlich, um zu verhindern, dass die ersten Maschenreihen von den Nadeln abgezogen werden. Wenn der Stoff wächst, wird die Spannung zunehmend erhöht, um eine gleichmäßige Stichgeometrie beizubehalten. Maschinen, die mit servogesteuerten Abnahmesystemen ausgestattet sind, erledigen dies automatisch auf der Grundlage programmierter Spannungskurven, während ältere pneumatische Abnahmesysteme eine manuelle Anpassung zwischen den Abschnitten erfordern.

Die Einstellungen der Stichnocken – die steuern, wie weit die Nadeln absinken, um Garnschlaufen zu ziehen – müssen für jede Garnzone separat kalibriert werden, da unterschiedliche Garne unterschiedliche Steifigkeits- und Reibungseigenschaften aufweisen. Ein thermoplastisches Garn erfordert eine etwas tiefere Maschennockeneinstellung als ein Standardpolyester bei gleicher Garnstärke, da seine höhere Oberflächenreibung dem Durchziehen durch den Nadelhaken widersteht. Die Verwendung der gleichen Nockeneinstellung für beide Garne in einem Obermaterial aus mehreren Garnen führt zu inkonsistenten Schlaufenlängen, die sich in sichtbaren Texturunregelmäßigkeiten und Maßabweichungen im fertigen Stück bemerkbar machen. Techniker erstellen in der Regel ein Kalibrierungsmuster für jedes Garn im Programm, bevor sie das erste vollständige Obermaterial stricken. Dabei messen sie die Stichlänge anhand der Spezifikation, bevor sie die Maschineneinstellungen für die Produktion genehmigen.

Nach dem Stricken durchgeführte Prozesse vervollständigen das 3D-Obermaterial

Das von der Strickmaschine kommende Obermaterial ist noch nicht zum Zwicken und Zusammenfügen bereit. Durch mehrere Nachstrickprozesse entsteht aus dem rohen Strickstück ein formstabiles Obermaterial, das dem Dauerbetrieb und den mechanischen Beanspruchungen der Schuhmontage standhält.

Besonders kritisch ist die Wärmeaktivierung bei der Verwendung thermoplastischer Verstärkungsgarne. Das Obermaterial muss flach oder auf einer perforierten Form im Wärmetunnel platziert werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung in allen Zonen zu gewährleisten. Durch ungleichmäßige Erwärmung entstehen teilweise verschmolzene Bereiche, die sich für den Träger uneinheitlich anfühlen und bei der Beugungsbelastung während des Gebrauchs abblättern können. Nach der Wärmeaktivierung wird das Obermaterial auf einen Leisten gelegt und durch Dampf oder Hitze in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht. In diesem Schritt werden die Tiefe der Fersenkappe, die Zehenfeder und die Kragenöffnungsgeometrie festgelegt, sodass das Obermaterial am Fließband ohne Verformung effizient gezwickt werden kann.

Häufige Mängel an 3D-Strickoberteilen und wie man sie verhindert

Selbst bei gut kalibrierten Maschinen und korrekt programmierten Designs sind 3D-gestrickte Schuhoberteile anfällig für eine Reihe wiederkehrender Fehler, für deren Identifizierung, Diagnose und Korrektur Techniker auf Maschinenebene geschult werden müssen, bevor sie sich durch einen Produktionslauf ausbreiten.

• Ausgelassene Maschen: Ursache ist eine unzureichende Fadenspannung, ein beschädigter Nadelhaken oder eine falsche Stichnockentiefe. Ausfallstiche erzeugen sichtbare Löcher im Stoff und strukturelle Schwachstellen. Zu den Korrekturmaßnahmen gehört die Inspektion der Nadeln im betroffenen Bereich und die Neukalibrierung der Nockeneinstellungen für diesen Garnträger.
• Dimensionsinkonsistenz zwischen den Größen: Tritt auf, wenn die CAD-Einstufung nicht proportional korrekt ist oder wenn die Stichdichte zwischen den Nadelbettzonen aufgrund von Spannungsdrift variiert. Jede Größe in einem Lauf muss hinsichtlich der Abmessungen mit dem genehmigten Leisten verglichen werden, bevor die vollständige Produktion fortgesetzt werden kann.
• Kollision des Garnträgers: Tritt auf, wenn in einem Intarsienprogramm zwei Träger so programmiert sind, dass sie gleichzeitig dieselbe Bettposition einnehmen. Dies führt zu Maschinenstopps und möglichen Schäden an der Nadel. Die Reihenfolge der Trägerpfade muss in der Simulation überprüft werden, bevor das Programm an die Maschine gesendet wird.
• Ungleichmäßige Wärmeaktivierungszonen: Dies ist auf eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Wärmetunnel oder eine inkonsistente obere Positionierung auf dem Förderband zurückzuführen. Regelmäßige Kalibrierung der Tunneltemperaturprofile und standardisierte obere Platzierungsvorrichtungen verhindern, dass sich dieser Defekt auf verbundene Strukturzonen auswirkt.