Flexible Carbonfaserplatten: Performance steigern & Gewicht reduzieren in Sportschuhen

Carbonfaser-Mittelsohlenplatten, Schaftverstärkungen und andere Komponenten verbessern seit Jahren Performance und reduzieren Gewicht von Top-Sportschuhen. Doch, erklärt Junus Khan, Gründer und Chairman von Carbitex Inc. (Kennewick, Washington, USA), müssen Schuhentwickler auch mit Kompositen typischerweise Kompromisse bei der Materialwahl für Mittelsohlenplatten eingehen: die Wahl liegt zwischen einem Material, das steif genug ist, den Fuß bei der erforderlichen Aktivität zu stützen, aber unflexibel und schwer sein kann, oder einem Material, das leicht und flexibel ist, aber nicht so viel Stützung bietet. Jede Wahl, oder ein Kompromissmaterial dazwischen, macht den Schuh – und den Träger – inhärent ineffizient, was Carbitex durch Entwicklung seiner Produktlinie flexibler Carbonfaser/Thermoplast-Kompositmaterialien überwunden haben will.

Khan merkt jedoch an, dass er nicht ursprünglich die Schuhindustrie transformieren wollte. Vor etwas mehr als 10 Jahren warf Khan, dessen Hintergrund in Ökonomie liegt, aber der durch Arbeit in der Automobilindustrie über Carbonfaserkomposite lernte, einen Blick auf den Gepäckmarkt und fragte sich, warum Gepäckhersteller versuchten, die Ästhetik von Carbonfaser mit ballistischem Nylon und anderen Stoffen nachzuahmen, statt echter Carbonfaser zu nutzen. Da er kein Unternehmen fand, das ein weiches, biegsames Carbonfaserprodukt für den Gepäckmarkt herstellte, beschloss er, es selbst zu versuchen.

2010 begann Khan, verschiedene Carbonfasermaterialien in seiner Garage in seiner Freizeit zu untersuchen, und 2011 wurden sein erstes Material und Prozess am U.S. Department of Energy Pacific Northwest National Laboratory getestet. An diesem Punkt, so sagt er, "hatte ich ein tragfähiges Konzept und ein besseres Verständnis des Materialraums" und entschied, dieses Konzept in ein Unternehmen zu überführen, mit dem Ziel, die Entwicklung fortzusetzen und das Material letztlich zu verkaufen. Carbitex Inc. wurde im Februar 2012 gegründet.

Vom Gepäck zum Schuh

Khan erklärt, dass andere Unternehmen semi-flexible Carbonfasergewebe entwickelt haben, indem sie eine einzelne Lage Gewebe zwischen zwei Thermoplastfolien suspendierten. "Wenn man dieses Material jedoch in Zug belastet, ist der Versagensmodus, dass diese Folien von der Carbonoberfläche abreißen", sagt er, was bedeutet, dass eine Tendenz zur Delamination die tatsächlich verfügbare Flexibilität des Laminats behindern kann.

Carbitex' CX6 Produkt, sein ursprüngliches Produktangebot, ist ebenfalls eine einzelne Lage Carbonfasergewebe, laminiert zwischen Thermoplastfolien. Aber, so Khan, wird das Gewebe zuerst mit einem speziell entwickelten Binder behandelt, der laut einem 2015 eingereichten US-Patent dem laminierten Gewebe "Flexibilität ähnlich wie nicht laminiertes Gewebe und verbesserte Haftung und Zugfestigkeit" verleiht. Er fügt hinzu: "Wenn man unser CX6 Material in Zug belastet, ist der Versagensmodus, dass die Fasern tatsächlich brechen, nicht das Film-Delaminieren. Man bekommt wirklich diese Markenzeichen-Festigkeit der Carbonfaser." Das Material hat auch sehr geringe Dehnungseigenschaften im Vergleich zu anderen Kompositmaterialien, wofür Carbitex eine Anwendung in präzise gefertigten Schuhkomponenten mit verbesserter Kraftübertragung fand.

Carbitex begann, sein erstes CX6 Produkt in der Gepäck- und Handtaschenindustrie an Unternehmen wie Tumi (South Plainfield, New Jersey, USA) zu verkaufen, wie Khan ursprünglich beabsichtigt hatte. Schnell jedoch begann Carbitex, Anfragen aus verschiedenen anderen Branchen zu erhalten, wie Unterhaltungselektronik. Während das Wachstum aufregend war, sagt er: "Gleichzeitig begannen wir zu realisieren, dass wir uns sehr dünn machten." Vor etwa drei Jahren entschied das Unternehmen, sich auf einen Markt zu fokussieren, der das meiste Potenzial zeigte: Schuhe.

Heute liefert Carbitex seine Carbonfaserplatten über die Schuhindustrie, wo sie in Snowboarding, Radfahren, Wassersport, Laufen, Wandern, Modeprodukten und mehr eingesetzt werden. Eine der jüngsten und leistungsstärksten Schuhanwendungen ist ein Fußballschuh, den Adidas im Herbst 2020 veröffentlichte.

AFX und DFX: Transformation des Schuhs

In den vergangenen Jahren hat Carbitex zwei neue Kompositechnologien veröffentlicht, genannt AFX und DFX. Laut Khan wird im Gegensatz zu "typischen Kompositen", deren Steifigkeit durch Faserorientierung und Lagenlänge kontrolliert wird, die Steifigkeit eines Carbitex Carbonfaserblatts einheitlich über seine Länge gehalten. Wo andere Komposite aus einem Harzsystem und einer Faser bestehen mögen, sind Carbitex' Materialien komplexer und beinhalten komplexe Lagen von Polymerfolien und Gewebelagen, um die gewünschten Flexibilitätseigenschaften zu erreichen. "Eine sehr einfache Version unseres AFX Materials könnte zwei verschiedene Carbonfasertypen haben, eingeklemmt zwischen zwei oder drei verschiedene Polymertypen", sagt er. "Es ist ein komplexes Lagen-System, und man muss verstehen, wie diese Lagen zusammenkommen müssen für die geforderten Eigenschaften."

Generell beginnt der Fertigungsprozess mit dem Lagen von Geweben, die mit Bindern oder anderen Gewebebehandlungen behandelt sein können, und Polymerfolien zu einem Panel. Verschiedene Fasern von verschiedenen Lieferanten werden genutzt, obwohl Khan sagt, dass die meisten Carbitex-Produkte Fasern von Toray Composite Materials America (Tacoma, Washington, USA) und oft Spread-Tow-Gewebe von Hexcel (Stamford, Connecticut, USA) enthalten. Polymere variieren je nach Anwendung, sind aber typischerweise thermoplastisch für Flexibilität und Formbarkeit, "obwohl es manchmal nicht komplett thermoplastisch ist, je nach Anwendung", fügt er hinzu.

Diese Panels werden in beheizten Pressen konsolidiert; nach Entnahme werden einzelne Teile per Wasserstrahl geschnitten und geformt. Die Fertigung in Panels statt einzelner Teile führt zu höherem Output als traditionelle Lagen, so Khan.

Fertigungsprozess

1. Zuerst werden spezifische Lagen aus Geweben, Prepregs und Polymerfolien zu einem Panel gestapelt.
2. Als nächstes wird das Panel in einer beheizten Presse konsolidiert.
3. Spezifische Komponenten werden per Wasserstrahl aus den ausgehärteten Panels geschnitten.
4. Die Vermeidung einzelner Teillage führt zu höherem Durchsatz, so Carbitex.
5. Die resultierende Carbonfaser-Komposit-Mittelsohle (abgebildet ist eine DFX-Komponente) wird in die finale Schuhanwendung montiert.

Neben der Balance von Steifigkeit und Flexibilität gibt es eine zusätzliche Herausforderung bei der Schuhentwicklung: Der menschliche Fuß kann sich nur in eine Richtung biegen, ohne zu überdehnen oder zu brechen, so dass Schuhmaterialien die Vielseitigkeit brauchen, sich in bestimmte Richtungen zu biegen, aber nicht in andere. Carbitex erreicht dies, so Khan, durch kontrolliertes Beulen, also Biegen, des Laminats.

"Typischerweise wird in Kompositen das Wort 'Beulen' mit Versagen assoziiert", sagt Khan, "aber wir haben Wege gefunden, die Faser zu beulen, aber nicht zu brechen." Diese Erfindung, fügt er hinzu, sei zunächst zufällig entstanden, als ein Kollege realisierte, dass eine bestimmte Kombination von Faser- und Polymerlagen ein Material ergab, das sich nur in eine Richtung beulte. "Wir realisierten, dass da irgendein Vorteil sein musste", sagt Khan, "also fingen wir an, die Lagen zurückzuschälen, zu lernen, wie es passierte, und dann zu verstehen, wie wir es absichtlich machen konnten."

Das resultierende Produkt heißt AFX, wo "AF" für "Asymmetrisch Flexibel" steht, was bedeutet, dass es sich in eine Richtung biegt, aber in der anderen完全刚性 ist. Laut einer 2018 eingereichten Patentanmeldung besteht Carbitex' AFX Produkt aus einer Gewebelage, einer Prepreg-Lage und dazwischen mindestens einer Polymerlage, die zu einer Baugruppe kombiniert und dann geformt und ausgehärtet wird. "Die Lagenanordnung hat einen hohen Widerstand gegen Biegen in einer ersten Richtung und einen niedrigen Widerstand gegen Biegen in einer entgegen gesetzten zweiten Richtung", heißt es im Patent.

"Unsere Technologie ermöglicht das Level an Steifigkeit und Schutz in der Richtung, die man will", fügt Khan hinzu. Ein Wanderstiefel mit AFX Carbonfaser-Mittelsohle bietet beispielsweise die nötige Stützung und Steifigkeit, um den Fuß vor falschem Biegen auf unebenem oder vertikalem Terrain zu schützen, aber "wenn man den Fuß zum Gehen auf ebener Fläche beugt, ist der Stiefel genauso flexibel wie, sagen wir, ein Laufschuh." AFX ist auch leichter als die Kombination aus Board- und Gummimaterialien, die oft zur Verstärkung von Wanderstiefeln genutzt werden.

Carbitex' drittes Produkt heißt DFX, ein Derivat von AFX, das für "Dynamisch Flexibel" steht, was bedeutet, dass die Steifigkeit des Materials im Schuh sich ändert, während sich der Fuß bewegt. Mit DFX "kann man einen Schuh haben, der bei bestimmten Winkeln super flexibel ist, und dann bei höheren Winkeln progressiv oder exponentiell steifer wird", sagt Khan. "In Schuhen korreliert das direkt mit Performance." Laut seiner 2020 Patentanmeldung besteht DFX aus mindestens drei Lagen, die zu einem Laminat zusammengefügt und ausgehärtet werden: einer binder-verbesserten, flexiblen Gewebelage; einer steiferen Gewebelage; und mindestens einer Polymerlage.

Khan merkt an, dass ein Laufschuh oder Fußballschuh weich und flexibel sein kann, wenn ein Athlet auf eine Laufbahn oder ein Feld geht, und dann, sobald der Läufer loslegt und der Fuß sich in höheren Winkeln biegt, der Schuh steifer wird, um die Bewegung zu unterstützen. "Unternehmen müssen nicht mehr kompromittieren und eine spezifische Mittelfußsteifigkeit wählen – wir können die verschiedenen Funktionen einer gegebenen Aktivität identifizieren und die Steifigkeit darum herum engineer."

"Eine andere Sichtweise ist, dass DFX die Fußperformance augmentiert, indem es wie Muskeln oder Bänder wirkt, die je nach Dehnrichtung flexibel oder steif werden. Das AFX Material verhält sich mehr wie ein Gelenk wie Ellenbogen oder Knöchel – es ist designed, sich wirklich gut in eine Richtung zu biegen."

Jede Materialiteration wurde speziell für einen bestimmten Performancebereich und Level der Fertigungsintegration designed, der als anwendbar für die Industrie identifiziert wurde, mit Raum für Anpassung innerhalb dessen, wie spezifische Steifigkeits- oder Haltbarkeitsanforderungen. Das Unternehmen bietet auch kundenspezifische Muster für potenzielle Kunden. "Wir sammeln kontinuierlich Daten über unsere Komposite und wie und warum sie funktionieren, und haben unsere eigenen Modellsysteme gebaut, um verschiedene Versionen ziemlich schnell umzusetzen. Normalerweise innerhalb eines oder zwei Tagen nach Eingang einer Anfrage können wir ein kundenspezifisches Muster fertig und rausbringen", fügt Khan hinzu.

Jenseits von Schuhen

"Unser Ziel ist jetzt, weiter in Schuhen zu expandieren und diese Chance zu nutzen", sagt Khan. Ein langfristiges Ziel ist jedoch, dass das Unternehmen in andere Branchen wächst, wie Luftfahrt und Medizintechnik.

"Eine Branche, die wirklich top of mind für uns ist, sowohl als Markt, wo unsere Produkte echten Nutzen hätten, als auch als eine, die Ähnlichkeiten mit Schuhen hat, ist der orthopädische und prosthetische Bereich, und vielleicht sogar die robotische Seite", sagt er. Dynamische Flexibilität in Prothesengliedmaßen wird derzeit durch schwere und teure Elektroniksysteme und hydraulische Aktuatoren erreicht. Khan stellt sich den Einsatz von Carbitex-Produkten in Anwendungen wie Knie- oder Rückenorthesen vor, wo das Material so geengineert werden könnte, bestimmte Bewegungen oder Hyperextensionen zu verhindern, während andere Bewegungen ermöglicht werden. Er fügt hinzu: "Mit einer Orthese immobilisiert man typischerweise einen Teil des Körpers, weil nur eine Bewegung wirklich schlimm dafür wäre. Der Schlüssel wäre, eine Orthese zu machen, die diese eine Bewegungsrichtung limitiert, aber der Person ermöglicht, sich in anderen Richtungen zu bewegen." In Übereinstimmung mit diesem Ziel hat Carbitex kürzlich die Entwicklung einer Anwendung mit einem Unternehmen begonnen, das Orthesen für Kinder herstellt. Die Materialien des Unternehmens wurden auch, so Carbitex, genutzt, um ein Carbonfaser-Pad für eine Kompressionsmanschette für Wanderer und einen Nackenschutz zu entwickeln, der an den Helm und die Schulterpolster eines Footballspielers angeschlossen wird, um zu verhindern, dass der Nacken beim Spiel nach hinten schnappt.

Bei der Verfolgung anderer Anwendungen hofft Carbitex, seine Produkte zu nutzen, um Materialkompromisse in anderen Branchen zu eliminieren, wie es kontinuierlich in Schuhen anstrebt. Khan fügt hinzu: "Es klingt cooler zu sagen, man strebt nach Produkten, die einen schneller, besser und stärker machen, und das tun wir – aber letztlich pushen wir immer für Effizienz."