Flexibele koolstofvezelplaten: prestaties verhogen & gewicht verminderen in atletische schoenen

Koolstofvezel tussenzoolplaten, schenen en andere componenten verbeteren al jaren de prestaties en verlagen het gewicht van top-atletische schoenen. Echter, legt Junus Khan, oprichter en chairman van Carbitex Inc. (Kennewick, Washington, VS), uit dat schoonontwikkelaars zelfs met composieten meestal moeten compromitteren bij de materiaalkeuze voor tussenzoolplaten: de keuze is tussen een materiaal dat stijf genoeg is om de voet tijdens de vereiste activiteit te ondersteunen, hoewel het onbuigzaam en zwaar kan zijn, of een materiaal dat licht en flexibel is, maar niet zoveel ondersteuning biedt. Elke keuze, of een compromismateriaal ergens ertussenin, maakt de schoen – en de drager – inherent inefficiënt, iets waar Carbitex beweert door de ontwikkeling van zijn productlijn van flexibele koolstofvezel/thermoplastische composietmaterialen te hebben overwonnen.

Echter, merkt Khan op, hij stelde niet oorspronkelijk uit de schoenenindustrie te transformeren. Een beetje meer dan 10 jaar geleden, Khan, wiens achtergrond in economie ligt maar die over koolstofvezelcomposieten leerde door te werken in de auto-industrie, keek naar de bagagemarkt en vroeg zich af waarom bagagefabrikanten probeerden de esthetiek van koolstofvezel na te bootsen met ballistisch nylon en andere stoffen, in plaats van echte koolstofvezel te gebruiken. Onvindbaar een bedrijf dat een zacht, buigzaam koolstofvezelproduct maakte geschikt voor de bagagemarkt, besloot hij het zelf te proberen.

In 2010 begon Khan met het onderzoeken van verschillende koolstofvezelmaterialen in zijn garage in zijn vrije tijd, en in 2011 werd zijn eerste materiaal en proces getest bij het U.S. Department of Energy Pacific Northwest National Laboratory. Op dat moment, zegt hij, "had ik een haalbaar concept, en een beter begrip van de materieruimte," en besloot hij dit concept om te zetten in een bedrijf, met het doel om de ontwikkeling voort te zetten en uiteindelijk het materiaal te verkopen. Carbitex Inc. werd in februari 2012 opgericht.

Van bagage naar schoenen

Khan legt uit dat andere bedrijven semi-flexibele koolstofvezelstoffen hebben ontwikkeld door een enkele laag stof tussen twee thermoplastische films op te hangen. "Echter, als je dat materiaal op trekking trekt, is de breukmodus die films die van het oppervlak van de koolstof afscheuren," zegt hij, wat betekent dat een neiging tot delaminatie de hoeveelheid daadwerkelijke flexibiliteit die beschikbaar is voor het laminaat kan hinderen.

Flexibiliteit vergroten. Carbitex's CX6-product gebruikt een speciaal ontwikkelde binder om de flexibiliteit van het laminaat te vergelijken met andere composietmaterialen.

Carbitex's CX6-product, de oorspronkelijke productaanbieding, is ook een enkele laag koolstofvezelstof gelamineerd tussen thermoplastische films. Maar, zegt Khan, de stof wordt eerst behandeld met een speciaal ontwikkelde binder die, volgens een VS-octrooi dat Carbitex in 2015 indiende, het gelamineerde stof "flexibiliteit geeft vergelijkbaar met stof niet gelamineerd met polymere films, en verbeterde adhesie en trekkracht." Hij voegt toe, "Als je ons CX6-materiaal op trekking trekt, is de breukmodus de vezels die daadwerkelijk breken, niet het film delamineren. Je krijgt echt die handelsmerksterkte van de koolstofvezel." Het materiaal heeft ook erg lage rek-eigenschappen vergeleken met andere composietmaterialen, wat Carbitex een toepassing vond in precies gefabriceerde schoenencomponenten met verbeterde krachtsoverdracht.

Carbitex begon zijn eerste CX6-product te verkopen binnen de bagage- en handtasindustrie aan bedrijven zoals Tumi (South Plainfield, N.J., VS), zoals Khan oorspronkelijk van plan was. Snel echter, begon Carbitex verzoeken te ontvangen van diverse andere industrieën, zoals consumentenelektronica. Hoewel de groei opwindend was, zegt hij, "Tegelijkertijd begonnen we te realiseren dat we ons erg dun verspreidden." Ongeveer drie jaar geleden, nam het bedrijf de beslissing om zich te richten op één markt die het meest potentieel toonde: schoenen.

Vandaag de dag levert Carbitex zijn koolstofvezelplaten over de hele schoenenindustrie, waar ze gebruikt worden in snowboarden, fietsen, watersporten, hardlopen, wandelen, modeproducten en meer. Een van de meest recente en hoogst presterende schoenentoepassingen van het bedrijf is een voetbal-schoen vrijgegeven door Adidas in de herfst van 2020.

AFX en DFX: schoenen transformeren

Focus op schoenen. Hoewel verwacht wordt dat ze binnenkort in andere industrieën zullen bewegen, legt Carbitex tot nu toe de meeste van zijn ontwikkelingsfocus over de schoenenindustrie.

De afgelopen jaren heeft Carbitex twee nieuwe composiettechnologieën uitgebracht, genaamd AFX en DFX. Volgens Khan, in tegenstelling tot "typische composieten" wiens stijfheid wordt gecontroleerd door vezeloriëntatie en laaglengte, is de stijfheid van een Carbitex koolstofvezelblad uniform over de lengte. Waar andere composieten kunnen bestaan uit één type harsysteem en vezel, zegt hij, zijn Carbitex's materialen complexer, met ingewikkelde lagen van polymere bladen en stoffenlagen, om de gewenste flexibiliteitseigenschappen te bereiken. "Een heel eenvoudige versie van ons AFX-materiaal kan twee verschillende typen koolstofvezel hebben tussen nog eens twee of drie verschillende typen polymere," zegt hij. "Het is een ingewikkeld laagstelsel, en je moet begrijpen hoe die lagen bijeen moeten komen voor de vereiste eigenschappen."

In het algemeen begint het productieproces met het leggen van stoffen, die kunnen worden behandeld met bindmiddelen of andere stofbehandelingen, en polymere bladen in een paneel. Een verscheidenheid aan vezels van verschillende leveranciers wordt gebruikt, hoewel Khan zegt dat de meeste van Carbitex's producten vezels van Toray Composite Materials America (Tacoma, Washington, VS) en vaak spread tow stoffen van Hexcel (Stamford, Conn., VS) bevatten. Polymere variëren ook per toepassing, maar zijn typisch thermoplastisch voor flexibiliteit en vormbaarheid, "hoewel het soms niet volledig thermoplastisch is, afhankelijk van de toepassing," voegt hij toe.

Deze panelen worden geconsolideerd in verwarmde pressen; eenmaal verwijderd, worden individuele onderdelen via waterstraal gesneden en gevormd. Productie in panelen in plaats van het leggen van individuele onderdelen leidt tot hogere opbrengst dan traditionele legging, zegt Khan.

Productieproces

Eerst worden specifieke lagen van geweven stoffen, prepregs en polymere films samen gestapeld in een paneel.

Vervolgens wordt het paneel geconsolideerd in een verwarmde pers.

Specifieke componenten worden uit de gecureerde panelen via waterstraal gesneden.

Het vermijden van individuele onderdeellegging bereikt hogere doorvoer, aldus Carbitex.

De resulterende koolstofvezel composiet tussenzool (op de foto een DFX-component) zal gemonteerd worden in een finale schoenentoepassing.

Naast het balanceren van rigiditeit en flexibiliteit, is er een extra uitdaging bij het ontwikkelen van schoenen: de menselijke voet kan maar in één richting buigen zonder overmatig te rekken of te breken, dus schoenenmaterialen moeten de veelzijdigheid hebben om in bepaalde richtingen te buigen maar niet in andere. Carbitex bereikt dit, aldus Khan, door gecontroleerde kinking, of buigen, van het laminaat. "Typisch in composieten wordt het woord 'kinking' toegeschreven aan falen," zegt Khan, "maar we hebben manieren gevonden om de vezel te laten kinken maar niet te breken." Deze uitvinding, voegt hij toe, werd initieel per ongeluk gemaakt, toen een collega realiseerde dat een bepaalde combinatie van vezel- en polymere lagen had geresulteerd in een materiaal dat alleen in één richting kinkte. "We realiseerden dat er een soort voordeel aan moest zitten," zegt Khan, "dus we begonnen de lagen af te pikken, om te leren hoe het gebeurde en dan te begrijpen hoe we het exprès konden doen."

Expres kinken. Het AFX-materiaal is ontworpen om alleen in één richting te buigen, volgend de beperkingen van de menselijke voet.

Het resulterende product heet AFX, waar de "AF" staat voor "Asymmetrisch Flexibel," wat aangeeft dat het in één richting buigt maar volledig rigide is in de andere. Volgens een octrooi-aanvraag uit 2018, omvat Carbitex's AFX-product een geweven stof laag, een prepreg laag, en ertussen, ten minste één polymere laag, die gecombineerd worden in een assemblage die vervolgens gevormd en gecureerd wordt. "De gelaagde rangschikking heeft een hoge weerstand tegen buigen in een eerste richting, en een lage weerstand tegen buigen in een tegenovergestelde tweede richting," zegt het octrooi.

"Onze technologie stelt het niveau van stijfheid en bescherming in de richting die je wilt in," voegt Khan toe. "Een wandelschoen met een AFX koolstofvezel tussenzool, bijvoorbeeld, omvat de ondersteuning en rigiditeit nodig om de voet te beschermen tegen het verkeerd buigen op oneffen of verticale terreinen, maar 'wanneer je gaat buigen om op vlakke grond te lopen, is [de schoen] net zo flexibel als, zeg, een hardloopschoen,'" zegt hij. AFX is ook lichter dan de combinatie van bord en rubbermaterialen die vaak gebruikt worden om wandelschoenen te versterken.

Carbitex's derde product heet DFX, een afgeleide van AFX die staat voor "Dynamisch Flexibel," wat betekent dat de stijfheid van het materiaal binnen de schoen verandert als de voet beweegt. Met DFX, "kun je [een schoen] hebben die super flexibel is bij bepaalde hoeken, en dan progressief of exponentieel stijfer wordt bij hogere hoeken," zegt Khan. "In schoenen correleert dit direct met prestaties." Volgens de octrooi-aanvraag van 2020, bestaat DFX uit ten minste drie lagen geassembleerd en gecureerd in één laminaat: een binder-verbeterde, flexibele geweven stof laag; een rigidere geweven stof laag; en ten minste één polymere laag.

"Een hardloopschoen of voetbalschoen kan zacht en flexibel zijn wanneer een atleet op een baan of op een veld loopt, en dan, zodra de loper opstart en de voet begint te buigen bij hogere hoeken, wordt de schoen stijfer om de beweging te ondersteunen," voegt hij toe. "Bedrijven hoeven niet langer te compromitteren en een specifieke middenvoetstijfheid te kiezen – we kunnen de verschillende functies van een gegeven activiteit identificeren en de stijfheid daaromheen ontwerpen."

"Een andere manier om ernaar te kijken is dat DFX de prestaties van de voet versterkt, alsof het spieren of ligamenten zijn die flexibel of stijf worden afhankelijk van hoe ze gerekt worden. Het AFX-materiaal gedraagt zich meer als een gewricht zoals je elleboog of je enkeltje – het is ontworpen om echt goed één kant op te buigen," voegt hij toe.

Dynamische flexibiliteit. In Adidas' X Ghosted voetbalschoenen en vergelijkbare toepassingen, stelt het DFX-materiaal veranderlijke flexibiliteit in afhankelijk van de beweging van de drager.

Elke materiaaliteratie tot nu toe is speciaal ontworpen voor een bepaald prestatiebereik en niveau van productie-integratie geïdentificeerd als toepasbaar op de industrie, met ruimte voor aanpassing binnen dat, zoals specifieke stijfheid- of duurzaamheidseisen. Het bedrijf biedt ook aangepaste monsters aan potentiële klanten. "We verzamelen continu data over onze composieten en hoe ze werken en waarom, en hebben onze eigen modelleringssystemen gebouwd om verschillende versies redelijk snel om te zetten. Meestal binnen een dag of twee na ontvangst van een verzoek kunnen we een aangepast monster maken en de deur uit sturen," voegt Khan toe.

Buiten schoenen

"Op dit moment is ons doel om door te groeien binnen schoenen, en die kans te grijpen," zegt Khan. Een langetermijndoel is echter dat het bedrijf uitgroeit tot andere industrieën, zoals luchtvaart en medische toepassingen.

"Eén industrie die echt top of mind is voor ons, zowel als een markt waar onze producten een echt voordeel zouden hebben en ook als een die enkele gelijkenissen met schoenen heeft, is de orthopedische en prosthetische wereld, en misschien zelfs de robotische kant ook," zegt hij. Dynamische flexibiliteit in prosthetische ledematen wordt momenteel bereikt door zware en dure elektronische systemen en hydraulische actuatoren. Khan ziet gebruik van Carbitex's producten in toepassingen zoals knie- of rugbraces, waar het materiaal geïngenieurd kan worden om bepaalde bewegingen of hyperextensies te voorkomen, terwijl andere bewegingen mogelijk gemaakt worden. Hij voegt toe, "Met een brace, immobiliseer je typisch een deel van iemands lichaam vanwege slechts één beweging die er erg slecht voor zou zijn. De sleutel zou zijn om een brace te maken die die ene bewegingsrichting beperkt, maar de persoon in staat stelt om in andere richtingen te bewegen." In lijn met dit doel, heeft Carbitex onlangs de ontwikkeling van een toepassing begonnen met een bedrijf dat braces maakt gericht op kinderen. De materialen van het bedrijf zijn ook gebruikt, aldus Carbitex, om een koolstofvezelkussen voor een compressiemanchet te ontwikkelen voor wandelaars, en een nekbrace die verbindt met een voetbalhelmen en schouderpads om de nek te voorkomen om achterover te knikken tijdens gameplay.

In het nastreven van andere toepassingen, hoopt Carbitex zijn producten te gebruiken om materiaalcompromissen in andere industrieën te elimineren, zoals het voortdurend nastreeft in schoenen. Khan voegt toe, "Het klinkt cooler om te zeggen dat je streeft naar producten die je sneller, beter en sterker maken, en we doen dat – maar uiteindelijk duwen we altijd voor efficiëntie."