Гибкие углеволокнистые пластины: повышение производительности и снижение веса в спортивной обуви

Углеволокнистые среднеподошвенные пластины, шанки и другие компоненты годами улучшали производительность и снижали вес топовой спортивной обуви. Однако, объясняет Джунус Хан, основатель и председатель Carbitex Inc. (Кенневик, штат Вашингтон, США), даже с композитами разработчикам обуви обычно приходится компромиссировать при выборе материала для среднеподошвенных пластин: выбор между материалом достаточно жестким для поддержки ноги во время требуемой активности, хотя он может быть негибким и тяжелым, или материалом легким и гибким, но не обеспечивающим столько поддержки. Любой выбор, или компромиссный материал, сидящий где-то посередине, делает обувь — и носителя — неэффективными по сути, что Carbitex говорит, смогло преодолеть через разработку своей линейки гибких углеволокнистых/термопластиковых композитных материалов.

Однако, отмечает Хан, он изначально не выходил на трансформацию обувной индустрии. Чуть более 10 лет назад, Хан, чей бэкграунд в экономике, но кто узнал об углеволокнистых композитах через работу в автопромышленности, посмотрел на рынок багажа и задался вопросом, почему производители багажа пытаются имитировать эстетику углеволокна, используя баллистический нейлон и другие ткани, вместо использования настоящего углеволокна. Не найдя компанию, делающую мягкий, гибкий углеволокнистый продукт, подходящий для рынка багажа, он решил попробовать сделать его сам.

В 2010 году Хан начал исследовать различные углеволокнистые материалы в своем гараже в свободное время, и к 2011 году его первый материал и процесс были протестированы в Тихоокеанской национальной лаборатории Министерства энергетики США. В тот момент, говорит он, «у меня была жизнеспособная концепция и лучшее понимание материального пространства», и он решил превратить эту концепцию в компанию с целью продолжения разработки и в конечном счете продажи материала. Carbitex Inc. была основана в феврале 2012 года.

От багажа к обуви

Хан объясняет, что другие компании разработали полугибкие углеволокнистые ткани, подвешивая один слой ткани между двумя термопластиковыми пленками. «Однако, когда вы тянете этот материал в натяжении, режим отказа — это пленки, рвущиеся с поверхности углерода», — говорит он, означая, что склонность к деламинации может препятствовать количеству фактической гибкости, доступной ламинату.

Увеличение гибкости. Продукт CX6 Carbitex использует специально разработанный связующий агент для увеличения гибкости ламината по сравнению с другими композитными материалами.

Продукт CX6 Carbitex, его оригинальное предложение продукта, также является одним слоем углеволокнистой ткани, ламинированной между термопластиковыми пленками. Но, говорит Хан, ткань сначала обрабатывается специально разработанным связующим агентом, который, согласно американскому патенту Carbitex, поданному в 2015 году, дает ламинированной ткани «гибкость, похожую на ткань, не ламинированную с полимерными пленками, и улучшенное сцепление и растяжную прочность». Он добавляет: «Когда вы тянете наш материал CX6 в натяжении, режим отказа — это сами волокна ломаются, а не пленка деламинирует. Вы действительно получаете ту фирменную прочность углеволокна». Материал также, как говорится, имеет очень низкие свойства растяжения по сравнению с другими композитными материалами, что Carbitex нашло применение в точно изготовленных компонентах обуви с улучшенной передачей мощности.

Carbitex начала продавать свой первый продукт CX6 в индустрии багажа и сумочек компаниям вроде Tumi (Саут-Плейнфилд, Нью-Джерси, США), как Хан изначально намеревался. Быстро, однако, Carbitex начала получать запросы из разного рода других отраслей, таких как потребительская электроника. Пока рост был волнующим, он говорит, «В то же время мы начали осознавать, что мы распыляем себя очень тонко». Около трех лет назад компания приняла решение сфокусироваться на одном рынке, который показал наибольший потенциал: обувь.

Сегодня Carbitex поставляет свои углеволокнистые пластины по всей обувной индустрии, где они используются в сноубординге, велоспорте, водных видах спорта, беге, походе, модных продуктах и др. Одним из самых недавних и высокопроизводительных применений в обуви является футбольная бутса, выпущенная Adidas осенью 2020 года.

AFX и DFX: Трансформация обуви

Фокус на обуви. Хотя ожидая перехода в другие отрасли скоро, пока Carbitex ставит большинство своего фокуса разработки по обувной индустрии.

За последние несколько годы Carbitex выпустила две новые композитные технологии, называемые AFX и DFX. По словам Хана, в отличие от «типичных композитов», чья жесткость контролируется ориентацией волокна и длиной слоя, жесткость листа углеволокнистого Carbitex равномерна по его длине. Где другие композиты могут состоять из одного типа смольной системы и волокна, он говорит, материалы Carbitex более сложны, вовлекающие интрикатные слои полимерных листов и слоев ткани, для достижения желаемых свойств гибкости. «Очень простая версия нашего материала AFX может иметь два разных типа углеволокна, сэндвиченные между еще двумя или тремя разными типами полимеров», — говорит он. «Это интрикатная система слоев, и вы должны понимать, как эти слои должны объединяться для [требуемых] свойств».

Обычно производственный процесс начинается со слоения тканей, которые могут быть обработаны связующими агентами или другими обработками тканей, и полимерных листов в панель. Разнообразие волокон от разных поставщиков используется, хотя Хан говорит, что большинство продуктов Carbitex включают волокна от Toray Composite Materials America (Такома, Вашингтон, США) и часто spread tow ткани от Hexcel (Стамфорд, Коннектикут, США). Полимеры также варьируются по применению, но обычно термопластиковые для гибкости и формовочности, «хотя иногда это не полностью термопластиковый, в зависимости от применения», — добавляет он.

Эти панели консолидируются в нагретых прессах; после удаления отдельные детали вырезаются водоструйной резкой и формируются. Производство в панелях вместо укладки отдельных деталей приводит к более высокому выходу, чем традиционные укладки, говорит Хан.

Производственный процесс

Сначала специфические слои тканей, препрегов и полимерных пленок складываются вместе в панель.

Затем панель консолидируется в нагретом прессе.

Специфические компоненты вырезаются из отвердевших панелей водоструйной резкой.

Избегание индивидуальной укладки деталей достигает более высокой пропускной способности, говорит Carbitex.

Результирующая композитная среднеподошвенная пластина (на фото компонент DFX) будет собрана в финальное обувное применение.

Previous Next

Помимо балансировки жесткости и гибкости, есть дополнительный вызов для разработки обуви: человеческая нога может сгибаться только в одном направлении без перерасширения или ломания, так что материалы обуви должны иметь универсальность сгибаться в определенных направлениях но не в других. Carbitex достигает этого, говорит Хан, через контролируемое выкидывание, или сгибание, ламината.

Выкидывание намеренно. Материал AFX спроектирован сгибаться только в одном направлении, следуя ограничениям человеческой ноги.

«Типично в композитах слово "выкидывание" атрибутируется к отказу», — говорит Хан, — «но мы придумали способы позволить волокну выкидываться но не ломаться». Это изобретение, добавляет он, было изначально сделано случайно, как коллега понял, что определенная комбинация волокнистых и полимерных слоев привела к материалу, который выкидывался только в одном направлении. «Мы поняли, что должно быть какое-то преимущество в этом», — говорит Хан, — «поэтому мы начали снимать слои назад, чтобы узнать, как это произошло и затем понять, как мы могли бы сделать это намеренно».

Результирующий продукт называется AFX, где «AF» означает «Асимметрично Гибкий», указывая, что он сгибается в одном направлении но полностью жесткий в другом. Согласно заявке на патент 2018 года, продукт AFX Carbitex включает тканый слой ткани, слой препрега и, между ними, хотя бы один полимерный слой, которые комбинируются в сборку, которая затем формируется и отвердевает. «Слоистая раскладка имеет высокое сопротивление сгибанию в первом направлении и низкое сопротивление сгибанию во втором противоположном направлении», — говорит патент.

«Наша технология обеспечивает уровень жесткости и защиты в направлении, которое вы хотите», — добавляет Хан. Сапог для походов, включающий углеволокнистую среднеподошвенную пластину AFX, например, включает поддержку и жесткость, необходимые для защиты ноги от сгибания не тем путем на неровных или вертикальных terrenах, но «когда вы идете сгибать ногу для ходьбы по ровной земле, [сапог] такой же гибкий, как, скажем, беговая туфля», — говорит он. AFX также легче комбинации доски и резиновых материалов, часто используемых для усиления сапог для походов.

Третий продукт Carbitex называется DFX, производное AFX, означающее «Динамически Гибкий», означающее, что жесткость материала внутри обуви меняется по мере движения ноги. С DFX, «вы можете иметь [обувь], которая будет супер гибкой при определенных углах, а затем становится прогрессивно или экспоненциально более жесткой при более высоких углах», — говорит Хан. «В обуви это коррелирует напрямую с производительностью». Согласно заявке на патент 2020 года, DFX состоит из минимум трех слоев, собранных и отвердевших в один ламинат: слой ткани с улучшенной гибкостью связующим агентом; более жесткий тканый слой; и хотя бы один полимерный слой.

Хан отмечает, что беговая туфля или бутса может быть мягкой и гибкой, когда спортсмен идет на трек или на поле, и затем, как только бегун разгоняется и нога начинает сгибаться при более высоких углах, туфля станет более жесткой для поддержки движения. «Компании больше не должны компромиссировать и выбирать конкретную среднеподошвенную жесткость — мы можем идентифицировать разные функции данной активности и спроектировать жесткость вокруг этого».

«Другой способ посмотреть на это — DFX усиляет производительность ноги, действуя как мышцы или связки, которые становятся гибкими или жесткими в зависимости от того, как они растянуты. Материал AFX действует больше как сустав, как ваш локоть или лодыжка — он спроектирован сгибаться действительно хорошо в одну сторону», — добавляет он.

Динамическая гибкость. В футбольных бутсах Adidas X Ghosted и подобных применениях материал DFX обеспечивает изменчивую гибкость в зависимости от движения носителя.

Каждая итерация материала до сих пор была специально спроектирована для конкретного производительного диапазона и уровня производственной интеграции, идентифицированного как применимый к индустрии, с комнатой для кастомизации внутри того, такой как специфические требования жесткости или долговечности. Компания также предлагает кастомные образцы потенциальным клиентам. «Мы постоянно собираем данные о наших композитах и как они работают и почему, и построили свои собственные моделирующие системы для поворота разных версий по мере необходимости довольно быстро. Обычно в течение дня или двух после получения запроса мы можем иметь кастомный образец сделанный и ушедший за дверь», — добавляет Хан.

За пределами обуви

«Прямо сейчас наша цель — продолжить расширение в обуви и пытаться захватить эту возможность», — говорит Хан. Однако долгосрочная цель — для компании вырасти в другие отрасли, такие как авиакосмическая и медицинские применения.

«Одна отрасль, которая действительно на вершине ума для нас, как рынок, где наши продукты имели бы истинную выгоду, и также как одна, которая имеет некоторые сходства с обувью, — это ортопедический и протезический реалм, и может быть даже роботизированная сторона тоже», — говорит он. Динамическая гибкость в протезных конечностях, добавляет он, в настоящее время достигается через тяжелые и дорогие электронные системы и гидравлические актуаторы. Хан представляет использование продуктов Carbitex в применениях вроде коленных или спинных браслетов, где материал мог бы быть спроектирован для предотвращения определенных движений или гиперэкстензий, в то время как позволяя другие движения. Он добавляет: «С браслетом вы обычно иммобилизуете часть тела кого-то из-за всего одного движения, которое было бы действительно плохим для него. Ключ был бы сделать браслет, ограничивающий то одно направление движения, но позволяющий человеку затем двигаться в других направлениях». В соответствии с этой целью, Carbitex недавно начала разработку применения с компанией, делающей браслеты, нацеленные на детей. Материалы компании также использовались, говорит Carbitex, для разработки углеволокнистой подушки для компрессионного рукава, спроектированного для туристов, и шейного браслета, соединяющегося с шлемом и наплечниками футболиста для предотвращения заламывания шеи назад во время игры.

В преследовании других применений Carbitex надеется использовать свои продукты для устранения материальных компромиссов в других отраслях, как она постоянно стремится делать в обуви. Хан добавляет: «Звучит круче сказать, что вы стремитесь к продуктам, которые делают вас быстрее, лучше и сильнее, и мы это делаем — но в конечном счете мы всегда толкаемся за эффективность».