Plat serat karbon fleksibel memungkinkan alas kaki berkinerja tinggi

Pelat midsole serat karbon, shank, dan komponen lainnya telah meningkatkan kinerja dan mengurangi bobot sepatu atletik papan atas selama bertahun-tahun. Namun, Junus Khan menjelaskan, pendiri dan ketua Carbitex Inc. (Kennewick, Wash., AS), bahkan dengan komposit, pengembang sepatu biasanya harus berkompromi dalam hal pilihan bahan untuk pelat sol tengah:pilihannya adalah antara bahan yang cukup kaku untuk menopang kaki selama aktivitas yang diperlukan, meskipun mungkin tidak fleksibel dan berat, atau bahan yang ringan dan fleksibel, tetapi tidak memberikan banyak dukungan. Pilihan, atau bahan kompromi yang berada di antara keduanya, membuat sepatu — dan pemakainya — secara inheren tidak efisien, sesuatu yang menurut Carbitex telah mampu diatasi melalui pengembangan lini produknya dari serat karbon fleksibel/bahan komposit termoplastik.

Namun, Khan mencatat, dia awalnya tidak berniat mengubah industri alas kaki. Lebih dari 10 tahun yang lalu, Khan, yang berlatar belakang ekonomi tetapi belajar tentang komposit serat karbon melalui bekerja di industri otomotif, melihat pasar koper dan bertanya-tanya mengapa pembuat koper mencoba meniru estetika serat karbon menggunakan nilon balistik dan kain lainnya, daripada menggunakan serat karbon yang sebenarnya. Karena tidak dapat menemukan perusahaan yang membuat produk serat karbon yang lembut dan lentur yang cocok untuk pasar koper, ia memutuskan untuk mencoba membuatnya sendiri.

Pada tahun 2010, Khan mulai menyelidiki berbagai bahan serat karbon di garasinya di waktu luangnya, dan pada tahun 2011, bahan dan proses pertamanya diuji di Laboratorium Nasional Energi Pasifik Barat Laut Departemen Energi AS. Pada saat itu, dia berkata, "Saya memiliki konsep yang layak, dan pemahaman yang lebih baik tentang ruang material," dan dia memutuskan untuk mengubah konsep ini menjadi sebuah perusahaan, dengan tujuan untuk melanjutkan pengembangan dan pada akhirnya menjual material. Carbitex Inc. didirikan pada Februari 2012.

Dari bagasi hingga alas kaki

Khan menjelaskan bahwa perusahaan lain telah mengembangkan kain serat karbon semi-fleksibel dengan menangguhkan satu lapis kain di antara dua film termoplastik. “Namun, ketika Anda menarik material itu dengan tegangan, mode kegagalannya adalah film-film yang merobek permukaan karbon,” katanya, yang berarti bahwa kecenderungan ke arah delaminasi dapat menghalangi jumlah fleksibilitas aktual yang tersedia untuk laminasi.

Meningkatkan fleksibilitas. Produk CX6 Carbitex menggunakan pengikat yang dikembangkan secara khusus untuk meningkatkan fleksibilitas laminasi dibandingkan dengan bahan komposit lainnya.

Produk CX6 Carbitex, penawaran produk aslinya, juga merupakan satu lapis kain serat karbon yang dilaminasi di antara film termoplastik. Namun, kata Khan, kain tersebut pertama kali dirawat dengan pengikat yang dikembangkan secara khusus yang, menurut paten AS yang diajukan Carbitex pada tahun 2015, memberi kain laminasi “fleksibilitas yang serupa dengan kain yang tidak dilaminasi dengan film polimer, dan meningkatkan daya rekat dan kekuatan tarik.” Dia menambahkan, “Saat Anda menarik material CX6 kami dengan tegang, mode kegagalan adalah serat yang benar-benar putus, bukan film yang terdelaminasi. Anda benar-benar mendapatkan kekuatan merek dagang dari serat karbon itu.” Bahan tersebut juga dikatakan memiliki sifat regangan yang sangat rendah dibandingkan dengan bahan komposit lainnya, yang menurut Carbitex digunakan untuk komponen alas kaki yang diproduksi secara presisi dengan transfer daya yang ditingkatkan.

Carbitex mulai menjual produk CX6 pertamanya dalam industri koper dan tas tangan ke perusahaan seperti Tumi (South Plainfield, N.J., AS), seperti yang awalnya direncanakan Khan. Namun, dengan cepat, Carbitex mulai menerima pertanyaan dari berbagai industri lain, seperti elektronik konsumen. Sementara pertumbuhannya menarik, dia berkata, "Pada saat yang sama, kami mulai menyadari bahwa kami menyebarkan diri kami sangat tipis." Sekitar tiga tahun lalu, perusahaan membuat keputusan untuk fokus pada satu pasar yang paling potensial:alas kaki.

Saat ini, Carbitex memasok pelat serat karbonnya ke seluruh industri alas kaki, di mana pelat tersebut digunakan dalam snowboarding, bersepeda, olahraga air, lari, hiking, produk fesyen, dan banyak lagi. Salah satu aplikasi alas kaki terbaru dan berkinerja tertinggi dari perusahaan adalah sepatu bola yang dirilis oleh Adidas pada musim gugur 2020.

AFX dan DFX:Mengubah alas kaki

Fokus pada alas kaki. Meskipun berharap untuk segera pindah ke industri lain, sejauh ini Carbitex menempatkan sebagian besar fokus pengembangannya di industri alas kaki.

Selama beberapa tahun terakhir, Carbitex telah merilis dua teknologi komposit baru, yang disebut AFX dan DFX. Menurut Khan, tidak seperti "komposit tipikal" yang kekakuannya dikendalikan oleh orientasi serat dan panjang lapisan, kekakuan lembaran serat karbon Carbitex seragam di seluruh panjangnya. Dimana komposit lain dapat terdiri dari satu jenis sistem resin dan serat, katanya, bahan Carbitex lebih kompleks, melibatkan lapisan rumit lembaran polimer dan lapisan kain, untuk mencapai sifat fleksibilitas yang diinginkan. “Versi yang sangat sederhana dari bahan AFX kami mungkin memiliki dua jenis serat karbon yang berbeda yang diapit di antara dua atau tiga jenis polimer lainnya,” katanya. “Ini adalah sistem pelapisan yang rumit, dan Anda harus memahami bagaimana lapisan-lapisan itu harus disatukan untuk properti [yang diperlukan].”

Umumnya, proses pembuatannya dimulai dengan melapisi kain, yang dapat diolah dengan pengikat atau perawatan kain lainnya, dan lembaran polimer menjadi panel. Berbagai serat dari pemasok yang berbeda digunakan, meskipun Khan mengatakan sebagian besar produk Carbitex termasuk serat dari Toray Composite Materials America (Tacoma, Wash., A.S.) dan sering menyebarkan kain derek dari Hexcel (Stamford, Conn., A.S.). Polimer juga bervariasi berdasarkan aplikasi, tetapi biasanya termoplastik untuk fleksibilitas dan kemampuan bentuk, “meskipun terkadang tidak sepenuhnya termoplastik, tergantung pada aplikasinya,” tambahnya.

Panel-panel ini dikonsolidasikan dalam pengepres panas; setelah dihapus, bagian individu dipotong melalui waterjet dan dibentuk. Manufaktur dalam panel daripada meletakkan bagian-bagian individual menghasilkan output yang lebih tinggi daripada layup tradisional, kata Khan.

Proses pembuatan

Pertama, lapisan tertentu dari kain tenun, prepreg dan film polimer ditumpuk menjadi satu panel.

Selanjutnya, panel dikonsolidasikan dalam pers yang dipanaskan.

Komponen khusus dipotong dari panel yang diawetkan melalui waterjet.

Menghindari layup bagian individu mencapai throughput yang lebih tinggi, kata Carbitex.

Midsole komposit serat karbon yang dihasilkan (foto adalah komponen DFX) akan dirakit menjadi aplikasi alas kaki akhir.

Sebelumnya Berikutnya

Namun, selain menyeimbangkan kekakuan dan fleksibilitas, ada tantangan tambahan untuk mengembangkan alas kaki:kaki manusia hanya bisa menekuk ke satu arah tanpa terlalu meregang atau patah, jadi bahan sepatu harus memiliki keserbagunaan untuk ditekuk ke arah tertentu tetapi tidak untuk yang lain . Carbitex mencapai ini, kata Khan, melalui tekuk, atau tekukan yang terkontrol, dari

Tertekuk dengan sengaja. Bahan AFX dirancang untuk menekuk hanya dalam satu arah, mengikuti keterbatasan kaki manusia.

memecahkan dlm lapisan tipis. "Biasanya dalam komposit, kata 'tekuk' dikaitkan dengan kegagalan," kata Khan, "tetapi kami telah menemukan cara untuk memungkinkan serat menekuk tetapi tidak putus." Penemuan ini, tambahnya, awalnya dibuat secara tidak sengaja, ketika seorang rekan menyadari bahwa kombinasi tertentu dari serat dan lapisan polimer telah menghasilkan bahan yang tertekuk hanya dalam satu arah. “Kami menyadari harus ada semacam manfaat untuk itu,” kata Khan, “jadi kami mulai mengupas lapisannya kembali, untuk mempelajari bagaimana hal itu terjadi dan kemudian memahami bagaimana kami dapat melakukannya dengan sengaja.”

Produk yang dihasilkan disebut AFX, di mana "AF" adalah singkatan dari "Asimetris Fleksibel," yang menunjukkan bahwa itu membungkuk ke satu arah tetapi benar-benar kaku di arah lain. Menurut pengajuan paten 2018, produk AFX Carbitex terdiri dari lapisan kain tenun, lapisan prepreg dan, di antaranya, setidaknya satu lapisan polimer, yang digabungkan menjadi rakitan yang kemudian dibentuk dan disembuhkan. “Pengaturan berlapis memiliki ketahanan yang tinggi terhadap pembengkokan pada arah pertama, dan ketahanan yang rendah terhadap pembengkokan pada arah kedua yang berlawanan,” kata paten.

“Teknologi kami memungkinkan tingkat kekakuan dan perlindungan ke arah yang Anda inginkan,” tambah Khan. Sepatu hiking yang dilengkapi dengan midsole serat karbon AFX, misalnya, mencakup dukungan dan kekakuan yang diperlukan untuk melindungi kaki agar tidak menekuk dengan cara yang salah di medan yang tidak rata atau vertikal, tetapi “saat Anda menekuk kaki untuk berjalan di tanah datar, [ bootnya] sama fleksibelnya dengan, katakanlah, sepatu lari,” katanya. AFX juga lebih ringan dari kombinasi material papan dan karet yang sering digunakan untuk memperkuat sepatu hiking.

Produk ketiga Carbitex disebut DFX, turunan dari AFX yang merupakan singkatan dari “Dynamically Flexible”, yang berarti bahwa kekakuan material di dalam sepatu berubah saat kaki bergerak. Dengan DFX, “Anda dapat memiliki [sepatu] yang akan menjadi sangat fleksibel pada sudut tertentu, dan kemudian menjadi lebih kaku secara progresif atau eksponensial pada sudut yang lebih tinggi,” kata Khan. "Dalam alas kaki, ini berkorelasi langsung dengan kinerja." Menurut pengajuan paten 2020, DFX terdiri dari setidaknya tiga lapisan yang dirakit dan diawetkan menjadi satu laminasi:lapisan kain tenun fleksibel yang ditingkatkan dengan pengikat; lapisan kain tenun yang lebih kaku; dan setidaknya satu lapisan polimer.

Khan mencatat bahwa sepatu lari atau cleat bisa menjadi lembut dan fleksibel ketika seorang atlet berjalan ke trek atau ke lapangan, dan kemudian, setelah pelari lepas landas dan kaki mulai menekuk pada sudut yang lebih tinggi, sepatu akan menjadi lebih kaku untuk menopang. gerakan . “Perusahaan tidak lagi harus berkompromi dan memilih kekakuan midfoot tertentu — kami dapat mengidentifikasi berbagai fungsi dari aktivitas tertentu dan merekayasa kekakuan di sekitarnya.”

“Cara lain untuk melihatnya adalah bahwa DFX meningkatkan kinerja kaki, bertindak seperti otot atau ligamen yang menjadi fleksibel atau kaku tergantung ke arah mana mereka diregangkan. Bahan AFX berfungsi lebih seperti sendi seperti siku atau pergelangan kaki Anda — bahan ini dirancang untuk ditekuk dengan sangat baik ke satu arah,” tambahnya.

Fleksibilitas dinamis. Dalam sepatu sepak bola Adidas X Ghosted dan aplikasi serupa, bahan DFX memungkinkan fleksibilitas yang dapat diubah tergantung pada pergerakan pemakainya.

Setiap iterasi material sejauh ini telah dirancang khusus untuk rentang kinerja dan tingkat integrasi manufaktur tertentu yang diidentifikasi dapat diterapkan pada industri, dengan ruang untuk penyesuaian di dalamnya, seperti persyaratan kekakuan atau daya tahan tertentu. Perusahaan juga menawarkan sampel khusus untuk pelanggan potensial. “Kami terus mengumpulkan data tentang komposit kami dan bagaimana mereka bekerja dan mengapa, dan telah membangun sistem pemodelan kami sendiri untuk mengubah versi yang berbeda sesuai kebutuhan dengan cukup cepat. Biasanya dalam satu atau dua hari setelah menerima pertanyaan, kami dapat membuatkan sampel khusus dan langsung tersedia,” tambah Khan.

Di luar alas kaki

“Saat ini, tujuan kami adalah terus berkembang di bidang alas kaki, dan mencoba menangkap peluang itu,” kata Khan. Namun, tujuan jangka panjangnya adalah agar perusahaan tumbuh menjadi industri lain, seperti aplikasi luar angkasa dan medis.

“Salah satu industri yang benar-benar menjadi perhatian kami, baik sebagai pasar di mana produk kami akan memiliki manfaat nyata dan juga sebagai salah satu yang memiliki beberapa kesamaan dengan alas kaki, adalah bidang ortopedi dan prostetik, dan bahkan mungkin sisi robotik juga, " dia berkata. Fleksibilitas dinamis pada kaki palsu, tambahnya, saat ini dicapai melalui sistem elektronik yang berat dan mahal serta aktuator hidrolik. Khan membayangkan penggunaan produk Carbitex dalam aplikasi seperti penyangga lutut atau punggung, di mana bahan tersebut dapat direkayasa untuk mencegah gerakan atau hiperekstensi tertentu, sekaligus memungkinkan gerakan lainnya. Dia menambahkan, “Dengan penjepit, Anda biasanya melumpuhkan bagian tubuh seseorang karena hanya satu gerakan yang akan sangat buruk untuk itu. Kuncinya adalah membuat penjepit yang membatasi satu arah gerakan itu, tetapi memungkinkan orang tersebut untuk kemudian dapat bergerak ke arah lain.” Sejalan dengan tujuan ini, Carbitex baru-baru ini memulai pengembangan aplikasi dengan perusahaan yang membuat kawat gigi yang ditujukan untuk anak-anak. Bahan perusahaan juga telah digunakan, kata Carbitex, untuk mengembangkan bantalan serat karbon untuk lengan kompresi yang dirancang untuk pejalan kaki, dan penyangga leher yang menghubungkan ke helm pemain sepak bola dan bantalan bahu untuk mencegah leher patah ke belakang selama bermain game.

Dalam mengejar aplikasi lain, Carbitex berharap dapat menggunakan produknya untuk menghilangkan kompromi material di industri lain, seperti yang terus-menerus ingin dilakukan dalam alas kaki. Khan menambahkan, “Kedengarannya lebih keren untuk mengatakan bahwa Anda berjuang untuk produk yang membuat Anda lebih cepat, lebih baik, dan lebih kuat, dan kami melakukannya — tetapi pada akhirnya, kami selalu mendorong efisiensi.”