Тонкая настройка беговых кроссовок для максимальной производительности

При проектировании спортивной обуви — или спортивного оборудования в целом — ключевую роль играет производительность. Множество факторов формируют высокопроизводительную обувь, а требования зависят от её назначения: беговые кроссовки отличаются от баскетбольных. Беговые модели легкие и гибкие, обеспечивают амортизацию и стабильность на длинных дистанциях, тогда как баскетбольные — защищают лодыжки и гасят удары при резких сменах направления. То, как беговая обувь позволяет спортсмену приземляться и отталкиваться на каждом шаге, постоянно изучается инженерами по мере появления новых технологий. Высокопроизводительные материалы, такие как углеродное волокно, помогают обеспечить жесткость без значительного увеличения веса в таких элементах, как подошва, носок и шпилька (опорная структура под сводом стопы).

Китайский стартап в сфере спортивной одежды Bmai (Пекин, Китай) поставил целью создание высокопроизводительного марафонского кроссовка по цене, доступной обычным потребителям, но с использованием легкости и жесткости углеродного волокна.

«Одним из главных драйверов инноваций в обуви являются новые материалы», — говорит Аксис Лью, ведущий дизайнер Bmai. «Материаловедение совершило гигантский скачок за последние десять–двадцать лет. Сейчас есть множество материалов на выбор, но всё больше востребованы легкие материалы, дающие лучшую поддержку, стабильность и производительность, так как бренды полагаются на них для усиления конкурентных преимуществ».

Углеродное волокно применяется в высокопроизводительной обуви с 1990-х годов: бренды вроде Nike и Adidas используют его в элитной спортивной обуви. Беговые кроссовки с углеродным волокном стоят от 160 до 250 долларов. Например, Nike ZoomX Vaporfly с полноразмерной пластиной из углеродного волокна в подошве стоит около 250 долларов. Учитывая, что беговые кроссовки нужно менять каждые 300–500 миль (что при 20 милях в неделю составляет 4–6 месяцев), затраты быстро накапливаются. Bmai хотела выпустить кроссовки с хорошей характеристикой, но доступными, эстетичными и доступными для массового рынка.

«Одна из лучших черт бега — для старта достаточно просто пары качественной обуви», — говорит Лью. «Мы не хотим, чтобы дорогая обувь стала барьером».

Компания приступила к тестированию прототипа шпильки из углеродного волокна в ограниченной серии своего флагманского бегового кроссовка Mile 42K — модели для любительских марафонцев. Конечная цель — найти решение для серийного кроссовка розничной ценой около 399 юаней (56 долларов). Также требовалось снизить вес, обеспечивая торсионную устойчивость, в чём углеродное волокно преуспевает.

Возможности высокосерийного производства. Поскольку Maezio — термопластик, его можно термоформировать с высоким выходом годных изделий, короткими циклами и низкими затратами. Источник | Covestro

Настраиваемый материал

В октябре 2018 года Covestro (Леверкузен, Германия; Шанхай, Китай) представил бренд Maezio — композиты с непрерывным волокном, усиленные термопластиком (CFRTP). Линейка включает однонаправленные (UD) ленты и листы из углеродных волокон, пропитанных поликарбонатной (PC) матрицей. По словам Covestro, CFRTP можно настраивать под производительность, эстетику и экономию масштаба, применяя в самых разных отраслях.

Maezio позволяет термоформирование с высоким выходом, короткими циклами и низкими затратами на миллионы деталей в год. Также можно интегрировать овермолдинг, автоматизированную укладку ленты (ATL) и автоматизированное размещение волокна (AFP). Компания видит в Maezio материал-исполнитель для высокосерийного производства в разнообразных приложениях.

«Мы верим, что бренд Maezio принесет ценность новому поколению продуктов во многих отраслях, сочетая легкое строительство, специфическую прочность и отделку в масштабах, недостижимых для других передовых материалов», — говорит Лиза Кетелсен, руководитель направления термопластиковых композитов Covestro.

Главное преимущество Maezio — его настраиваемость. UD-ленты толщиной всего 120 микрон можно ламинировать под разными углами, формируя листы с заданными механическими свойствами. Полученные листы прочные, жесткие, легкие и имеют естественную однонаправленную текстуру. Кроме того, CFRTP-композиты перерабатываемы.

Идеальное соответствие

Новые дизайны спортивной обуви требуют высокой адаптивности. Модификация — неотъемлемая часть процесса, часто нужны многочисленные тесты и итерации.

«Производительность обуви очень целенаправленна», — говорит Арне Бётчер, менеджер по развитию рынка Maezio. «Нужен материал, который можно адаптировать под точные требования приложения и спортсмена — именно таким и является Maezio».

Bmai отмечает, что Maezio идеально подходит для их кроссовка: кроме жесткости при низкой плотности, материал дает свободу настройки.

«В зависимости от укладки лент материал может создавать разную жесткость или торсионные характеристики под очень специфические нужды кроссовка», — объясняет Кетелсен.

Торсионная устойчивость. Углеродная шпилька Covestro проходит под сводом стопы в марафонском кроссовке Bmai. Источник | Covestro

Тонкая, но прочная. Толщина шпильки обычно 1–1,2 мм. Источник | Covestro

Для соблюдения весовых целей шпилька должна быть тонкой, но достаточно прочной для торсионных требований. Команда сосредоточилась на определении числа слоёв. Covestro не раскрывает точное число слоёв или ориентацию волокон, но отмечает, что типичная толщина 1–1,2 мм, и гипотеза: ориентация 45 градусов даст нужную торсионную устойчивость при требуемой толщине. От этой точки стартовало тестирование и итерация различных укладок.

По словам Кетелсен, ключ к оптимальному решению для Bmai — цикл быстрых итераций: мозговые штурмы, настройка продукта, моделирование разных композиций, создание образцов по симуляциям, раскрой и доставка тестовых образцов Bmai для обратной связи.

Covestro использует ABAQUS (ABAQUS Inc., Pawtucket, RI, США) для структурного моделирования и MOLDFLOW (Autodesk, San Rafael, CA, США) для реологического. «Есть требования, которые мы можем смоделировать внутри», — говорит Кетелсен. «Мы моделируем, имеем объекты в Германии, США и Китае для сборки деталей, физических тестов, анализа данных и возврата к производству для адаптации».

В ходе проекта Covestro несколько раз итерировал дизайн, делился деталями и результатами, адаптируя его. Тесная коммуникация между Bmai и Центром инноваций APAC Covestro в Шанхае, где проводились тесты на изгиб, испытания на пригодность и производительность, была критична. Результаты передавались Bmai часто, обсуждались способы настройки продукта.

«Нельзя просто сесть и спроектировать — нужно тестировать и итерировать», — добавляет Бётчер. «Компании вроде Bmai привыкли просто делать и узнавать… тестировать, терпеть неудачу и тестировать снова».

Итерации и коммуникация. Ведущий дизайнер Bmai Аксис Лью работает с командой Covestro в Центре инноваций APAC в Шанхае. Источник | Covestro

Во время множества итераций Covestro также балансировал дополнительными факторами: адгезионной совместимостью компонента с другими материалами кроссовка. Скорость выхода на рынок тоже важна в высококонкурентной индустрии, где новинки появляются быстро. По словам Бётчера, скорость и гибкость в производстве тестовых образцов были жизненно важны.

Уроки

Bmai 42K Lite был представлен в прошлом году и отвечал требованиям компании по торсионной устойчивости, эстетике и общей производительности. Covestro говорит, что процесс дизайна кроссовка дал понимание, как работать с Maezio на других рынках.

«Ключ — взаимодействие с дизайнерами и с теми, кто принимает решения», — говорит Кетелсен. «В этом примере с обувью мы сделали очень хорошо — и хотим перенести на другие отрасли — поставили гипотезу на основе того, что считаем ценным, а затем тестировали и итерировали её с заказчиком».

По словам Covestro, Maezio также привлекает интерес в электронике, автопроме, медицинских технологиях, потребительских товарах (бытовая техника, мебель, багаж), кроме спортивных товаров и обуви.