De hardloopschoen afstellen

Bij het benaderen van het ontwerp voor een sportschoen - of voor sportuitrusting in het algemeen - is prestatie de sleutel. Talloze factoren vormen een prestatieschoen en de vereisten verschillen per schoenfunctie; hardloopschoenen stellen andere eisen dan bijvoorbeeld basketbalschoenen. Hardloopschoenen zijn licht en flexibel en ontworpen om te dempen en te stabiliseren voor een lange duur, terwijl basketbalschoenen zijn ontworpen om enkelstabiliteit te bieden en schokken te absorberen tijdens plotselinge richtingsveranderingen. Hoe een hardloopschoen een hardloper in staat stelt te landen en af ​​te zetten voor elke stap, is een onderwerp van constante evaluatie voor ingenieurs naarmate nieuwe technologieën opduiken. Hoogwaardige materialen zoals koolstofvezel kunnen stijfheid bieden zonder veel gewicht toe te voegen in delen van een schoen zoals de tussenzool, teenschop en schacht (een ondersteunende structuur in de schoen die onder de voetboog loopt).

De Chinese startup voor sportkleding Bmai (Beijing, China) had als doel een hoogwaardige marathonschoen te maken tegen een prijs die de gewone consument zich kan veroorloven, maar het wilde profiteren van het lichte gewicht en de stijfheid van koolstofvezel.

"Een van de belangrijkste drijfveren voor schoeneninnovatie zijn nieuwe materialen", zegt Axis Liu, hoofdontwerper voor Bmai. “Materiaaltechnologieën zijn de afgelopen een of twee decennia met grote sprongen vooruitgegaan. Er is nu een overvloed aan materialen om uit te kiezen, maar lichtere materialen die betere ondersteuning, stabiliteit en prestaties bieden, worden steeds populairder omdat merken erop vertrouwen om hun concurrentievoordeel te vergroten.”

Koolstofvezel wordt sinds de jaren negentig gebruikt in hoogwaardige schoenen, en schoenenmerken zoals Nike en Adidas gebruiken het voor elite-sportschoenen. Hardloopschoenen met koolstofvezel kunnen variëren van $ 160 tot $ 250. De Nike ZoomX Vaporfly, met een koolstofvezelplaat over de volledige lengte in de tussenzool, kost bijvoorbeeld ongeveer $ 250. Als je bedenkt dat hardloopschoenen elke 300-500 mijl moeten worden vervangen, wat uiteindelijk elke 4-6 maanden is voor een hardloper die gemiddeld 20 mijl per week aflegt, kunnen de kosten snel oplopen. Bmai wilde een sneaker produceren die goede prestaties levert, maar toch toegankelijk, esthetisch aantrekkelijk en betaalbaar is voor de massamarkt.

"Een van de beste dingen van hardlopen is dat je eigenlijk gewoon een paar schoenen van goede kwaliteit nodig hebt om te beginnen", zegt Liu. “We willen niet dat duur schoeisel een barrière wordt.”

Het bedrijf wilde een prototype schoenschacht van koolstofvezel testen in een limited edition-versie van zijn vlaggenschip-hardloopschoen, Mile 42K - een ontwerp gericht op recreatieve marathonlopers. Het uiteindelijke doel was om een ​​oplossing te vinden waarmee Bmai een commerciële schoen zou kunnen produceren die voor ongeveer 399 yuan ($ 56 USD) zou kunnen worden verkocht. Het bedrijf streefde er ook naar om het gewicht te verminderen en tegelijkertijd torsieweerstand te bieden, wat koolstofvezel goed doet.

Mogelijkheden voor grote volumes. Omdat het een thermoplast is, kan Maezio thermogevormd worden met een hoge opbrengst, kortere cyclustijden en lagere kosten. Bron | Covestro

Een afstembaar materiaal

Betreed het nieuwe merk Maezio van continu vezelversterkte thermoplastische (CFRTP) composieten, geïntroduceerd door Covestro (Leverkusen, Duitsland; Shanghai, China) in oktober 2018. De productlijn omvat unidirectionele (UD) versterkte tapes en platen gemaakt van koolstofvezels geïmpregneerd in een polycarbonaat (PC) matrix. Volgens Covestro kan het CFRTP worden afgestemd op prestaties, esthetiek en schaalvoordelen, en kan het worden gebruikt in producten in een breed scala van industrieën.

Maezio kan thermogevormd worden met een hoog rendement, kortere cyclustijden en lagere kosten voor miljoenen onderdelen per jaar. Andere productietechnologieën zoals overmolding, Automatic Tape Leg (ATL) en Automatic Fiber Placement (AFP) kunnen ook worden geïntegreerd. Het bedrijf ziet Maezio als een materiaal dat de productie van grote volumes in een breed scala aan toepassingen mogelijk maakt.

"Wij geloven dat het merk Maezio waarde kan toevoegen aan een nieuwe generatie producten in verschillende bedrijfstakken door een combinatie van lichtgewicht constructie, specifieke sterke punten en afwerkingen te leveren op een schaal die nog niet wordt bereikt door geavanceerde materialen", zegt Lisa Ketelsen, hoofd van Thermoplastic Composites voor Covestro.

Het belangrijkste voordeel van Maezio is de afstembaarheid . De UD-tapes, die slechts 120 micron dik zijn, kunnen onder verschillende hoeken worden gelamineerd om vellen te vormen die zijn afgestemd op verschillende prestatie- en mechanische criteria. De resulterende platen zijn sterk, stijf, lichtgewicht en hebben een natuurlijke, unidirectionele oppervlakteafwerking. Bovendien zijn CFRTP-composieten recyclebaar.

Een goede pasvorm

Nieuwe ontwerpen voor sportschoenen vereisen een hoge mate van aanpassingsvermogen in de aanpak. Modificatie maakt deel uit van het ontwerpproces en er is vaak veel testen en iteratie nodig.

"[Schoenprestaties] zijn zeer gericht op het specifieke doel", zegt Arne Boettcher, manager marktontwikkeling voor Maezio. "Je hebt materiaal nodig dat je kunt aanpassen aan de exacte behoeften van de toepassing en de atleet - en dat is precies wat Maezio is."

Bmai zegt dat Maezio zeer geschikt is voor Bmai's schoen omdat het materiaal niet alleen stijfheid biedt met een lage dichtheid, maar ook de vrijheid om te stemmen.

"Afhankelijk van hoe je de banden legt, kan het materiaal verschillende stijfheid of torsieprestaties genereren, afhankelijk van de zeer specifieke behoeften van die schoen", legt Ketelsen uit.

Torsieweerstand. Covestro's koolstofvezelschacht loopt onder de voetboog in Bmai's marathonsneaker. Bron | Covestro

Dun, maar sterk. Schachtdiktes zijn typisch in het bereik van 1-1,2 millimeter. Bron | Covestro

Om de gewichtsdoelen voor de Bmai-schoen te halen, moet de schacht dun zijn, maar ook sterk genoeg om aan de torsie-eisen te voldoen. Met dat in gedachten richtte het team zich op het bepalen van het aantal lagen voor de schacht. Hoewel Covestro geen commentaar zou geven op het exacte aantal lagen of vezeloriëntaties, verklaarde het bedrijf dat de typische schachtdikte 1-1,2 millimeter is en veronderstelde dat een vezeloriëntatie van 45 graden de vereiste torsieweerstand zou bereiken bij de vereiste dikte. Vanaf dat startpunt, Covestro heeft verschillende lay-ups getest en herhaald.

Volgens Ketelsen was de sleutel tot het ontwerpen van de optimale oplossing voor Bmai een cyclus van snelle iteraties, waaronder brainstormsessies over het ontwerp, het afstemmen van het product, het simuleren van verschillende composities, het maken van een steekproef op basis van de simulaties, het snijden en snijden van elk monster in vorm, en het leveren van testmonsters aan Bmai voor feedback.

Covestro gebruikt ABAQUS (ABAQUS Inc., Pawtucket, R.I., V.S.) voor structurele simulatie en MOLDFLOW (Autodesk, San Rafael, Californië, V.S.) voor reologische simulatie als standaardsoftware. “Er zijn bepaalde eisen die we intern kunnen simuleren”, zegt Ketelsen. "We doen de simulatie [en] hebben faciliteiten in Duitsland, de VS en China om bepaalde onderdelen te assembleren, fysieke tests uit te voeren en de gegevens te analyseren en deze weer in productie te nemen en aan te passen."

In de loop van het project herhaalde Covestro het ontwerp meerdere keren, deelde details en resultaten en paste het ontwerp vervolgens aan. Nauwe communicatie was belangrijk tussen Bmai en Covestro's APAC Innovation Experience Center in Shanghai, waar een reeks tests werden uitgevoerd, waaronder buigtests en kwaliteitstests voor geschiktheid en prestaties. Het bedrijf gaf de resultaten regelmatig door aan Bmai en communiceerde de manieren waarop het product moest worden afgesteld.

"Je kunt niet gewoon gaan zitten en het ontwerpen - je moet testen en herhalen", voegt Boettcher toe. “Bedrijven als Bmai zijn meer gewend om gewoon te doen en erachter komen … testen, falen en dan opnieuw testen.”

Iteratie en communicatie. Bmai hoofdontwerper Axis Liu werkt met Covestro-teamleden in Covestro's APAC Innovation Experience Center in Shanghai. Bron | Covestro

Tijdens de vele ontwerpiteraties merkte Covestro ook dat hij verschillende aanvullende overwegingen in evenwicht bracht, waaronder de hechtingscompatibiliteit van het onderdeel met andere materialen in de schoen. Desalniettemin was speed-to-market ook belangrijk gezien de zeer competitieve markt voor sportschoenen waar nieuwe stijlen snel hun intrede doen. Volgens Boettcher waren snelheid en wendbaarheid bij het produceren van testmonsters essentieel.

Leren geleerd

Bmai's 42K Lite werd vorig jaar onthuld en ontmoette de . van het bedrijf vereisten voor torsie, esthetiek en algemene prestaties. Covestro zegt dat het ontwerpproces met de schoen inzicht bood in hoe het bedrijf met Maezio zou kunnen samenwerken in andere markten.

"[De] sleutel is de interactie met de ontwerpers en de interactie met degenen die beslissingen nemen", zegt Ketelsen. "Wat we in dit voorbeeld heel goed deden met de schoenen - en iets dat we ook in andere industrieën willen toepassen - was om een ​​hypothese op te stellen op basis van wat we waardevol vinden, en dat vervolgens te testen en te herhalen met de klant."

Volgens Covestro trekt Maezio naast sportartikelen en sportschoenen ook interesse in de elektrische en elektronische industrie, auto's, medische technologie, consumptiegoederen zoals huishoudelijke apparaten, meubels en bagage.