Tuning des Laufschuhs

Bei der Herangehensweise an das Design eines Sportschuhs – oder für Sportgeräte im Allgemeinen – ist Leistung entscheidend. Zahlreiche Faktoren machen einen Performance-Schuh aus und die Anforderungen variieren je nach Schuhfunktion; Laufschuhe haben andere Anforderungen als beispielsweise Basketballschuhe. Laufschuhe sind leicht und flexibel und wurden entwickelt, um lange Läufe zu dämpfen und zu stabilisieren, während Basketballschuhe entworfen wurden, um Knöchelstabilität zu bieten und Stöße bei plötzlichen Richtungsänderungen zu absorbieren. Wie ein Laufschuh es einem Läufer ermöglicht, bei jedem Schritt zu landen und abzustoßen, wird von Ingenieuren ständig überprüft, wenn neue Technologien auftauchen. Hochleistungsmaterialien wie Kohlefaser können in solchen Teilen eines Schuhs wie der Zwischensohle, dem Zehenstoß und dem Schaft (eine unterstützende Struktur im Schuh, die unter dem Fußgewölbe verläuft) für Steifigkeit sorgen, ohne viel Gewicht hinzuzufügen.

Das chinesische Sportbekleidungs-Startup Bmai (Beijing, China) hatte das Ziel, einen Hochleistungs-Marathonschuh zu einem Preis herzustellen, den sich normale Verbraucher leisten können, wollte jedoch das geringe Gewicht und die Steifigkeit von Kohlefaser nutzen.

„Einer der wichtigsten Treiber für Schuhinnovationen sind neue Materialien“, sagt Axis Liu, Lead Designer bei Bmai. „Die Werkstofftechnologien haben sich in den letzten ein oder zwei Jahrzehnten sprunghaft weiterentwickelt. Es gibt jetzt eine Vielzahl von Materialien zur Auswahl, aber leichtere Materialien, die besseren Halt, Stabilität und Leistung bieten, werden zunehmend nachgefragt, da sich Marken darauf verlassen, um ihre Wettbewerbsvorteile zu steigern.“

Carbonfasern werden seit den 1990er Jahren in Hochleistungsschuhen verwendet und von Schuhmarken wie Nike und Adidas für Elite-Sportschuhe übernommen. Laufschuhe mit Kohlefaser können zwischen 160 und 250 US-Dollar kosten. Zum Beispiel kostet der Nike ZoomX Vaporfly, der über eine durchgehende Kohlefaserplatte in der Mittelsohle verfügt, etwa 250 US-Dollar. Wenn man bedenkt, dass Laufschuhe alle 300-500 Meilen ausgetauscht werden müssen, was bei einem Läufer, der durchschnittlich 30 Meilen pro Woche zurücklegt, alle 4-6 Monate ist, können sich die Kosten schnell summieren. Bmai wollte einen Sneaker produzieren, der eine gute Leistung bietet, aber dennoch zugänglich, ästhetisch ansprechend und für den Massenmarkt erschwinglich ist.

„Eines der besten Dinge beim Laufen ist, dass man für den Anfang so ziemlich nur ein Paar qualitativ hochwertige Schuhe braucht“, sagt Liu. „Wir wollen nicht, dass teure Schuhe zu einem Hindernis werden.“

Das Unternehmen wollte einen Prototyp eines Carbonfaser-Schuhschafts in einer limitierten Version seines Flaggschiff-Laufschuhs Mile 42K testen – ein Design, das sich an Freizeit-Marathonläufer richtet. Das ultimative Ziel war es, eine Lösung zu finden, die es Bmai ermöglicht, einen kommerziellen Schuh herzustellen, der für rund 399 Yuan (56 USD) verkauft werden kann. Das Unternehmen zielte auch darauf ab, das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig Torsionsfestigkeit zu bieten, was Kohlefaser gut macht.

Möglichkeiten für die Massenproduktion. Da es sich um einen Thermoplast handelt, kann Maezio mit hoher Ausbeute, kürzeren Zykluszeiten und niedrigeren Kosten thermogeformt werden. Quelle | Covestro

Ein abstimmbares Material

Einstieg in die neue Marke Maezio für endlosfaserverstärkte thermoplastische (CFRTP) Verbundwerkstoffe, die Covestro (Leverkusen, Deutschland; Shanghai, China) im Oktober 2018 eingeführt hat Matrix aus Polycarbonat (PC). Laut Covestro kann das CFRTP auf Leistung, Ästhetik und Skaleneffekte abgestimmt und in Produkten in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden.

Maezio kann mit hoher Ausbeute, kürzeren Zykluszeiten und niedrigeren Kosten für Millionen von Teilen pro Jahr thermogeformt werden. Auch andere Produktionstechnologien wie Overmolding, Automated Tape Laying (ATL) und Automated Fiber Placement (AFP) können integriert werden. Das Unternehmen sieht Maezio als Material Enabler für die Massenproduktion in einer Vielzahl von Anwendungen.

„Wir glauben, dass die Marke Maezio branchenübergreifend einen Mehrwert für eine neue Generation von Produkten schaffen kann, indem sie eine Kombination aus Leichtbau, spezifischen Stärken und Oberflächen in einer Größenordnung bietet, die von fortschrittlichen Materialien noch nicht erreicht wird“, sagt Lisa Ketelsen, Leiterin von Thermoplastic Composites for Covestro.

Der Hauptvorteil von Maezio ist seine Abstimmbarkeit . Die nur 120 Mikrometer dicken UD-Bänder können in verschiedenen Winkeln zu Platten laminiert werden, die auf verschiedene Leistungs- und mechanische Kriterien abgestimmt sind. Die resultierenden Platten sind stark, steif, leicht und haben eine natürliche, unidirektionale Oberflächenbeschaffenheit. Darüber hinaus sind CFRTP-Verbundwerkstoffe recycelbar.

Passt gut

Neue Sportschuhdesigns erfordern ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit im Ansatz. Die Modifizierung ist Teil des Designprozesses und es sind oft viele Tests und Iterationen erforderlich.

„[Schuhleistung] ist sehr auf das spezifische Ziel ausgerichtet“, sagt Arne Boettcher, Market Development Manager bei Maezio. „Man braucht ein Material, das man genau auf die Bedürfnisse der Anwendung und des Sportlers zuschneiden kann – und genau das ist Maezio.“

Bmai sagt, dass Maezio gut für den Schuh von Bmai geeignet ist, da das Material nicht nur Steifigkeit bei geringer Dichte bietet, sondern auch die Freiheit zum Tunen bietet.

„Je nachdem, wie Sie die Tapes verlegen, kann das Material unterschiedliche Steifigkeiten oder Torsionseigenschaften erzeugen, abhängig von den ganz spezifischen Anforderungen des Schuhs“, erklärt Ketelsen.

Torsionsfestigkeit. Der Kohlefaser-Schaft von Covestro verläuft bei Bmais Marathon-Sneaker unter dem Fußgewölbe. Quelle | Covestro

Dünn, aber stark. Schaftdicken liegen typischerweise im Bereich von 1-1,2 Millimeter. Quelle | Covestro

Um die Gewichtsvorgaben für den Bmai-Schuh zu erfüllen, müsste der Schaft dünn, aber auch stark genug sein, um die Torsionsanforderungen zu erfüllen. Vor diesem Hintergrund konzentrierte sich das Team auf die Bestimmung der Lagenzahl für den Schaft. Covestro wollte sich zwar nicht zur genauen Anzahl der Lagen oder Faserorientierungen äußern, gab jedoch an, dass typische Schaftdicken 1-1,2 Millimeter betragen und stellte die Hypothese auf, dass eine Faserorientierung von 45 Grad die erforderliche Torsionsfestigkeit bei der erforderlichen Dicke erreichen würde. Von diesem Ausgangspunkt aus, Covestro hat verschiedene Layups getestet und iteriert.

Laut Ketelsen war der Schlüssel zum Entwerfen der optimalen Lösung für Bmai ein Zyklus von schnellen Iterationen, der Design-Brainstorming-Sitzungen, die Abstimmung des Produkts, die Simulation verschiedener Zusammensetzungen, das Erstellen einer Stichprobe basierend auf den Simulationen, das Schneiden und Schneiden jeder Probe in Form umfasste, und Liefern von Testmustern an Bmai für Feedback.

Covestro verwendet ABAQUS (ABAQUS Inc., Pawtucket, R.I., USA) für die Struktursimulation und MOLDFLOW (Autodesk, San Rafael, CA, USA) für die rheologische Simulation als Standardsoftware. „Es gibt bestimmte Anforderungen, die wir intern simulieren können“, sagt Ketelsen. „Wir führen die Simulation durch [und] haben Einrichtungen in Deutschland, den USA und China, um bestimmte Teile zusammenzubauen, physikalische Tests durchzuführen und die Daten zu analysieren und sie in die Produktion zurückzubringen und anzupassen.“

Im Laufe des Projekts hat Covestro den Entwurf mehrmals iteriert, Details und Ergebnisse ausgetauscht und dann den Entwurf angepasst. Eine enge Kommunikation zwischen Bmai und dem APAC Innovation Experience Center von Covestro in Shanghai war wichtig, wo eine Reihe von Tests durchgeführt wurden, darunter Biegetests und Qualitätstests für Eignung und Leistung. Das Unternehmen übermittelte Bmai häufig Ergebnisse und teilte mit, wie das Produkt optimiert werden musste.

„Man kann sich nicht einfach hinsetzen und es entwerfen – man muss es testen und iterieren“, fügt Boettcher hinzu. „Unternehmen wie Bmai sind es eher gewohnt, nur zu tun und herausfinden … testen, scheitern und dann noch einmal testen.“

Iteration und Kommunikation. Bmai Lead Designer Axis Liu arbeitet mit Covestro-Teammitgliedern im APAC Innovation Experience Center von Covestro in Shanghai zusammen. Quelle | Covestro

Während der vielen Design-Iterationen musste Covestro auch mehrere zusätzliche Überlegungen abwägen, einschließlich der Haftungskompatibilität der Komponente mit anderen Materialien im Schuh. Dennoch war die Markteinführungsgeschwindigkeit auch angesichts des hart umkämpften Sportschuhmarktes wichtig, auf dem neue Styles schnell auf den Markt kommen. Laut Boettcher waren Schnelligkeit und Agilität bei der Herstellung von Testmustern von entscheidender Bedeutung.

Gelernte Lektionen

42K Lite von Bmai wurde letztes Jahr vorgestellt und erfüllte die Anforderungen des Unternehmens Anforderungen an Torsion, Ästhetik und Gesamtleistung. Covestro sagt, dass der Designprozess mit dem Schuh Einblicke in die Zusammenarbeit des Unternehmens mit Maezio in anderen Märkten bot.

„[Der] Schlüssel ist die Interaktion mit den Designern und die Interaktion mit denen, die Entscheidungen treffen“, sagt Ketelsen. „Was wir in diesem Beispiel mit den Schuhen sehr gut gemacht haben – und etwas, das wir auch in andere Branchen übernehmen wollen – war, eine Hypothese aufzustellen, die auf dem basiert, was wir für wertvoll halten, und das dann mit dem Kunden zu testen und zu iterieren.“

Neben Sportartikeln und Sportschuhen stößt Maezio laut Covestro auch in der Elektro- und Elektronikindustrie, in der Automobilindustrie, in der Medizintechnik, in Konsumgütern wie Haushaltsgeräten, Möbeln und Reisegepäck auf Interesse.