Feintuning von Laufschuhen für Spitzenleistung

Beim Design eines Sportschuhs – oder Sportgeräts generell – ist Performance entscheidend. Zahlreiche Faktoren bestimmen einen Performance-Schuh, Anforderungen variieren je nach Funktion: Laufschuhe unterscheiden sich von Basketballschuhen. Laufschuhe sind leicht und flexibel, designed für Dämpfung und Stabilität auf langen Läufen, Basketballschuhe für Knöchelstabilität und Stoßdämpfung bei plötzlichen Richtungswechseln. Wie ein Laufschuh Lande- und Abstoßbewegungen bei jedem Schritt ermöglicht, wird von Ingenieuren ständig evaluiert, wenn neue Technologien entstehen. Hochleistungsmaterialien wie Carbonfaser können Steifigkeit ohne großes Gewicht in Bereichen wie Mittelsohle, Zehenkicker und Schaft (unterstützende Struktur unter dem Fußgewölbe) bieten.

Chinesisches Sportwear-Startup Bmai (Peking, China) hatte das Ziel, einen High-Performance-Marathonschuh zu einem Preis zu machen, den Normalverbraucher zahlen können, aber Carbonfasers Leichtigkeit und Steifigkeit nutzen zu wollen.

„Einer der Haupttreiber für Schuhinnovation sind neue Materialien“, sagt Axis Liu, Lead Designer bei Bmai. „Materialtechnologien haben in den letzten ein, zwei Jahrzehnte gewaltige Sprünge gemacht. Es gibt jetzt eine Fülle an Materialien, aber leichtere, die besseren Support, Stabilität und Performance bieten, werden zunehmend gesucht, da Marken sie für Wettbewerbsvorteile nutzen.“

Carbonfaser wird seit den 1990ern in High-Performance-Schuhen genutzt, Marken wie Nike und Adidas setzen sie für Elite-Sportschuhe ein. Laufschuhe mit Carbonfaser kosten $160–$250. Beispiel: Nike ZoomX Vaporfly mit durchgehender Carbonfaserplatte in der Mittelsohle kostet ca. $250. Da Laufschuhe alle 300–500 Meilen ersetzt werden müssen – alle 4–6 Monate bei 20 Meilen/Woche – summieren sich Kosten schnell. Bmai wollte einen Sneaker mit guter Performance, doch zugänglich, ästhetisch ansprechend und erschwinglich für den Massenmarkt.

„Eines der besten Dinge am Laufen: Man braucht eigentlich nur ein gutes Paar Schuhe“, sagt Liu. „Wir wollen nicht, dass teure Schuhe zur Barriere werden.“

Das Unternehmen testete einen Prototyp-Carbonfaser-Schuhschaft in einer Limited Edition seines Flaggschiff-Laufschuhs Mile 42K – ein Design für Freizeit-Marathonläufer. Ziel: kommerzieller Schuh für ca. 399 Yuan ($56 USD). Zudem Gewichtsreduktion bei Torsionssteifigkeit, was Carbonfaser gut kann.

High-Volume-Produktionsmöglichkeiten. Da es ein Thermoplast ist, kann Maezio bei hohen Ausbeuteraten, kürzeren Zykluszeiten und geringeren Kosten thermogeformt werden. Quelle: Covestro

Ein abstimmbares Material

Hier kommt die neue Maezio-Marke kontinuierlich faserverstärkter Thermoplast-Composites (CFRTP) von Covestro (Leverkusen, Deutschland; Shanghai, China), eingeführt Oktober 2018. Die Produktlinie umfasst unidirektionale (UD) verstärkende Bänder und Platten aus Carbonfasern in Polycarbonat (PC)-Matrix. Laut Covestro lässt sich CFRTP für Performance, Ästhetik und Skaleneffekte abstimmen und in Produkten vielfältiger Branchen einsetzen.

Maezio kann bei hohen Ausbeuteraten, kürzeren Zykluszeiten und geringeren Kosten für Millionen Teile pro Jahr thermogeformt werden. Andere Produktionstechnologien wie Umspritzen, Automated Tape Laying (ATL) und Automated Fiber Placement (AFP) lassen sich integrieren. Covestro sieht Maezio als Material-Enabler für High-Volume-Produktion in diversen Anwendungen.

„Wir glauben, die Marke Maezio kann einer neuen Produktgeneration über Branchen hinweg Wert verleihen, indem sie Kombination aus Leichtbau, spezifischen Festigkeiten und Oberflächen in einem Maßstab liefert, den fortschrittliche Materialien bisher nicht erreichten“, sagt Lisa Ketelsen, Head of Thermoplastic Composites bei Covestro.

Der Hauptvorteil von Maezio ist seine Abstimmbarkeit. Die UD-Bänder, nur 120 Mikrometer dick, können in verschiedenen Winkeln laminiert werden zu Platten, die auf diverse Performance- und mechanische Kriterien abgestimmt sind. Resultierende Platten sind stark, steif, leicht und haben natürliche unidirektionale Oberflächenoptik. Zudem sind CFRTP-Composites recyclebar.

Gute Passform

Neue Sportschuhdesigns erfordern hohe Anpassungsfähigkeit im Ansatz. Modifikation ist Teil des Designprozesses, umfangreiches Testen und Iterieren oft nötig.

„[Schuhperformance] ist sehr spezifisch auf das jeweilige Ziel“, sagt Arne Boettcher, Market Development Manager für Maezio. „Man braucht ein Material, das man exakt auf die Bedürfnisse der Applikation und des Athleten zuschneiden kann – und genau das ist Maezio.“

Bmai sagt, Maezio sei gut für ihren Schuh geeignet, da es neben Steifigkeit bei niedriger Dichte die Freiheit zur Abstimmung bietet.

„Je nachdem, wie man die Bänder legt, kann das Material unterschiedliche Steifigkeiten oder Torsionsperformance für sehr spezifische Schuhanforderungen generieren“, erklärt Ketelsen.

Torsionswiderstand. Covestros Carbonfaser-Schaft verläuft unter dem Fußgewölbe in Bmais Marathonsneaker. Quelle: Covestro

Dünn, aber stark. Schaftdicken typischerweise 1–1,2 mm. Quelle: Covestro

Um Gewichtziele für den Bmai-Schuh zu erreichen, musste der Schaft dünn, aber stark genug für Torsionsanforderungen sein. Mit diesem Fokus bestimmte das Team die Lagenanzahl für den Schaft. Covestro kommentiert nicht exakte Lagenzahl oder Faserorientierungen, gab aber an, typische Schaftdicken seien 1–1,2 mm und vermutete, dass 45-Grad-Faserorientierung die nötige Torsionssteifigkeit bei erforderlicher Dicke erzielt. Von diesem Startpunkt testete und iterierte Covestro verschiedene Lagenaufbauten.

Laut Ketelsen war der Schlüssel zum optimalen Design für Bmai ein Zyklus schneller Iterationen: Design-Brainstorming, Produktabstimmung, Simulation verschiedener Kompositionen, Sampling basierend auf Simulationen, Schneiden und Schlitzen jedes Samples auf Form, Lieferung Test-Samples an Bmai für Feedback.

Covestro nutzt ABAQUS (ABAQUS Inc., Pawtucket, R.I., USA) für Struktur-Simulation und MOLDFLOW (Autodesk, San Rafael, Calif., USA) für rheologische Simulation als Standardsoftware. „Es gibt Anforderungen, die wir intern simulieren können“, sagt Ketelsen. „Wir simulieren, haben Einrichtungen in Deutschland, USA und China für Teilemontage, physikalische Tests, Datenanalyse und Rückführung in Produktion und Anpassung.“

Im Projektverlauf iterierte Covestro das Design mehrfach, teilte Details und Ergebnisse, passte das Design an. Enge Kommunikation zwischen Bmai und Covestros APAC Innovation Experience Center in Shanghai, wo diverse Tests liefen – Biegetests, Qualitäts- und Eignungstests. Ergebnisse wurden häufig an Bmai kommuniziert, wie das Produkt abzustimmen sei.

„Man kann sich nicht hinsetzen und es designen – man muss testen und iterieren“, ergänzt Boettcher. „Unternehmen wie Bmai sind gewohnt, einfach zu machen und herauszufinden … testen, scheitern, wieder testen.“

Iteration und Kommunikation. Bmai Lead Designer Axis Liu arbeitet mit Covestro-Team am APAC Innovation Experience Center in Shanghai. Quelle: Covestro

Über viele Designiterationen balancierte Covestro auch zusätzliche Aspekte wie Haftkompatibilität des Bauteils mit anderen Schuhmaterialien. Dennoch war Time-to-Market wichtig im hart umkämpften Sportschuhmarkt, wo neue Styles schnell debütieren. Laut Boettcher waren Geschwindigkeit und Agilität bei Testsample-Produktion essenziell.

Lessons Learned

Bmais 42K Lite wurde letztes Jahr vorgestellt und erfüllte die Anforderungen an Torsion, Ästhetik und Gesamtperformance. Covestro sagt, der Designprozess mit dem Schuh bot Einblicke, wie man mit Maezio in anderen Märkten arbeiten könnte.

„[Der] Schlüssel ist die Interaktion mit Designern und Entscheidern“, sagt Ketelsen. „Was wir in diesem Schuhbeispiel sehr gut machten – und in andere Branchen tragen wollen – war, eine Hypothese basierend auf dem, was wir für wertvoll halten, aufzustellen und diese dann mit dem Kunden zu testen und zu iterieren.“

Laut Covestro zieht Maezio auch Interesse in Elektro/Elektronik, Automotive, Medizintechnik, Konsumgüter wie Haushaltsgeräte, Möbel, Gepäck, zusätzlich zu Sportartikeln und Sportschuhen.