Fijnstellen van hardloopschoenen voor piekprestaties

Bij het benaderen van het ontwerp voor een atleetsschoen — of voor sportuitrusting in het algemeen — is prestatie de sleutel. Talrijke factoren maken een prestatieschoen, en de eisen variëren per schoenfunctie; hardloopschoenen hebben andere eisen dan basketbalschoenen, bijvoorbeeld. Hardloopschoenen zijn licht en flexibel en ontworpen om te dempen en te stabiliseren voor een lange run, terwijl basketbalschoenen ontworpen zijn om enkelstabiliteit te bieden en schok te absorberen tijdens plotselinge richtingsveranderingen. Hoe een hardloopschoen een loper laat landen en afduwen voor elke stap is een onderwerp van constante evaluatie voor ingenieurs naarmate nieuwe technologieën opduiken. Hoogpresterende materialen zoals koolstofvezel kunnen helpen stijfheid te bieden zonder veel gewicht toe te voegen in dergelijke delen van een schoen als de middenzool, teen kick en schenk (een ondersteunende structuur in de schoen die onder de voetboog loopt).

Chinees sportkleding startup Bmai (Peking, China) had als doel een hoogpresterende marathonschoen te maken tegen een prijs die gewone consumenten kunnen betalen, maar wilde profiteren van koolstofvezel's licht gewicht en stijfheid.

"Een van de belangrijkste drijfveren voor schoeninnovatie is nieuwe materialen," zegt Axis Liu, leidinggevende ontwerper voor Bmai. "Materialentechnologieën zijn de afgelopen een of twee decennia met sprongen vooruit gegaan. Er is nu een overvloed aan materialen om uit te kiezen, maar lichtere materialen die betere ondersteuning, stabiliteit en prestaties bieden, worden steeds meer gezocht naarmate merken erop vertrouwen om hun competitieve voordelen te vergroten."

Koolstofvezel wordt sinds de jaren 90 gebruikt in hoogpresterende schoeisel, met merken als Nike en Adidas die het adopteerden voor elite atleetsschoenen. Hardloopschoenen met koolstofvezel variëren van $160 tot $250. Bijvoorbeeld, de Nike ZoomX Vaporfly, met een full-length koolstofvezelplaat in de middenzool, kost rond $250. Als je bedenkt dat hardloopschoenen elke 300-500 mijl vervangen moeten worden, wat op 4-6 maanden uitkomt voor een loper die gemiddeld 20 mijl per week loopt, kan de kosten snel oplopen. Bmai wilde een sneaker produceren die goede prestaties had, toch toegankelijk, esthetisch aantrekkelijk en betaalbaar voor de massamarkt.

"Een van de beste dingen aan hardlopen is dat je eigenlijk gewoon een paar goedkope schoenen nodig hebt om te beginnen," zegt Liu. "We willen niet dat dure schoenisel een barrière wordt."

Het bedrijf zette zich op om een prototype koolstofvezel schoenschank te testen in een beperkte editie van zijn flagship hardloopschoen, Mile 42K — een ontwerp gericht op recreatieve marathonlopers. Het uiteindelijke doel was een oplossing te vinden die Bmai in staat zou stellen een commerciële schoen te produceren die rond de 399 yuan ($56 VS) zou verkopen. Het bedrijf stelde ook als doel om gewicht te verminderen terwijl torsiewerstand geboden wordt, wat koolstofvezel goed doet.

Hoog-volume productiemogelijkheden. Omdat het een thermoplast is, kan Maezio gethermovormd worden bij hoge opbrengst, kortere cyclus tijden en lagere kosten. BRON | Covestro

Een instelbaar materiaal

Kom het nieuwe Maezio merk 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 polycarboonaat (PC) matrix. Volgens Covestro kan de CFRTP afgestemd worden op prestaties, esthetiek en schaalvoordelen, en kan worden gebruikt in producten in een breed scala aan industrieën.

Maezio kan gethermovormd worden bij hoge opbrengst, kortere cyclus tijden en lagere kosten voor miljoenen onderdelen per jaar. Andere productietechnologieën zoals overmolding, geautomatiseerd tapelawwerken (ATL) en geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) kunnen ook geïntegreerd worden. Het bedrijf ziet Maezio als een materiaal-enabler voor hoog-volume productie in een diverse reeks toepassingen.

"We geloven dat het Maezio merk waarde kan brengen aan een nieuwe generatie producten in alle industrieën door een combinatie van lichtgewicht constructie, specifieke sterktes en afwerkingen op een schaal nog niet bereikt door geavanceerde materialen," zegt Lisa Ketelsen, hoofd Thermoplastic Composites bij Covestro.

Het hoofddoel van Maezio is zijn instelbaarheid. De UD tapes, die slechts 120 micron dik zijn, kunnen onder verschillende hoeken gelamineerd worden om platen te vormen die afgestemd zijn om aan diverse prestatie- en mechanische criteria te voldoen. De resulterende platen zijn sterk, stijf, licht en hebben een natuurlijke, unidirectionele oppervlakteafwerking. Bovendien zijn CFRTP composieten herbruikbaar.

Een goede pasvorm

Nieuwe atleetsschoenontwerpen vereisen een hoge mate van aanpasbaarheid in de aanpak. Modificatie is onderdeel van het ontwerpproces en een groot deel van testen en iteratie is vaak vereist.

"[Schoenprestatie] is erg gericht op het specifieke doel," zegt Arne Boettcher, marktontwikkelingsmanager voor Maezio. "Je hebt een materiaal nodig dat je kunt afstemmen op de exacte behoeften van de toepassing en de atleet — en dat is precies wat Maezio is."

Bmai zegt dat Maezio goed geschikt is voor Bmai's schoen omdat het naast stijfheid met lage dichtheid de vrijheid biedt om af te stemmen.

"Afhankelijk van hoe je de tapes legt, kan het materiaal verschillende stijfheden of torsieprestaties genereren afhankelijk van de heel specifieke behoeften van die schoen," legt Ketelsen uit.

Torsiewerstand. Covestro's koolstofvezel schank loopt onder de voetboog in Bmai's marathonsneaker. BRON | Covestro

Dun, maar sterk. Schankdikten zijn typisch in het 1-1,2 millimeter bereik. BRON | Covestro

Om aan de gewichtdoelstellingen voor de Bmai schoen te voldoen, moest de schank 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 laag aantal voor de schank. Hoewel Covestro geen commentaar zou geven op exact aantal lagen of vezelorietaties, stelde het bedrijf wel dat typische schankdikten 1-1,2 millimeter zijn en hypotheseerde dat een vezeloriëntatie van 45 graden de vereiste torsiewerstand bij de vereiste dikte zou bereiken. Vanaf dat startpunt testte en herhaalde Covestro verschillende opbouwconfiguraties.

Volgens Ketelsen was de sleutel tot het ontwerpen van de optimale oplossing voor Bmai een cyclus van snelle iteraties die ontwerp brainstorm sessies, het afstemmen van het product, het simuleren van verschillende composities, het maken van een steekproef gebaseerd op de simulaties, het snijden en splitsen van elk monster naar vorm, en het leveren van testmonsters aan Bmai voor feedback omvatte.

Covestro gebruikt ABAQUS (ABAQUS Inc., Pawtucket, R.I., VS) voor structurele simulatie en MOLDFLOW (Autodesk, San Rafael, Calif., VS) voor rheologische 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 data te analyseren en terug te koppelen aan productie en aan te passen."

Gedurende het project herhaalde Covestro het ontwerp meerdere keren, deelde details en resultaten, en paste dan het ontwerp aan. Nauwe communicatie was belangrijk tussen Bmai en Covestro's APAC Innovation Experience Center in Shanghai waar een reeks tests werden uitgevoerd inclusief buigtests, en kwaliteitstests voor geschiktheid en prestaties. Het bedrijf communiceerde resultaten frequenter naar Bmai, de manieren communicerend waarop het product afgestemd moest worden.

"Je kunt niet gewoon neerzitten en ontwerpen — je moet testen en itereren," voegt Boettcher toe. "Bedrijven als Bmai zijn meer gewend om gewoon te doen en het uit te zoeken ... testen, falen en dan weer testen."

Iteratie en communicatie. Bmai leidinggevende ontwerper Axis Liu werkt met Covestro teamleden op Covestro's APAC Innovation Experience Center in Shanghai. BRON | Covestro

Tijdens de vele ontwerpiteraties vond Covestro zich ook diverse additionele overwegingen balanceren inclusief de component's hechtingcompatibiliteit met andere materialen in de schoen. Toch was snelheid naar de markt ook belangrijk gegeven de hoogst competitieve atleetsschoenmarkt waar nieuwe stijlen snel debuteren. Volgens Boettcher was snelheid en wendbaarheid in het produceren van testmonsters essentieel.

Lessen geleerd

Bmai's 42K Lite werd vorig jaar onthuld en voldood aan de eisen van het bedrijf voor torsie, esthetiek en algehele prestaties. Covestro zegt dat het ontwerpproces met de schoen inzichten bood in hoe het bedrijf met Maezio in andere markten zou kunnen werken.

"[De] sleutel is de interactie met de ontwerpers, en de interactie met diegenen die beslissingen nemen," zegt Ketelsen. "Wat we heel goed deden in dit voorbeeld met de schoenen — en wat we in andere industrieën ook willen meenemen — was een hypothese opstellen gebaseerd op wat we denken waardevol is, en dan testen en itereren dat met de klant."

Volgens Covestro trekt Maezio ook interesse in de elektriciteit en elektronica industrie, automotief, medische technologie, consumentengoed zoals huishoudelijke apparaten, meubels en bagage, naast sportartikelen en atleetsschoenen.