Plafir Karbon Fleksibel: Meningkatkan Performa dan Mengurangi Berat dalam Sepatu Atletik

Plafir serat karbon, shank dan komponen lainnya telah meningkatkan performa dan mengurangi berat sepatu olahraga kelas atas selama bertahun-tahun. Namun, menjelaskan Junus Khan, pendiri dan dewan direktur Carbitex Inc. (Kennewick, Washington, AS), bahkan dengan kompos, pengembang sepatu biasanya harus berkompromi ketika datang ke pilihan material untuk plafir midsole: pilihan adalah antara material yang cukup kaku untuk mendukung kaki selama aktivasi yang diperlukan, meskipun mungkin tidak fleksibel dan berat, atau material yang ringan dan fleksibel, tetapi tidak memberikan sebanyak dukungan. Pilihan mana pun, atau material kompromi yang berada di antara keduanya, membuat sepatu — dan pemakainya — secara inheren tidak efisien, sesuatu yang Carbitex mengatakan telah dapat diatasi melalui pengembangan garis produk material kompos serat karbon/termoplastik fleksibelnya.

Namun, Khan mencatat, dia tidak awalnya bermaksud untuk mengubah industri sepatu. Sedikit lebih dari 10 tahun yang lalu, Khan, yang latar belakangnya dalam ekonomi tetapi mempelajari kompos serat karbon melalui bekerja di industri otomotif, melihat pasar koper dan bertanya mengapa pembuat koper mencoba meniru estetika serat karbon menggunakan nylon balistik dan kain lainnya, alih-alih menggunakan serat karbon asli. Tidak dapat menemukan perusahaan yang membuat produk serat karbon lunak dan lentuk yang cocok untuk pasar koper, dia mencoba membuatnya sendiri.

Pada tahun 2010, Khan mulai meneliti berbagai material serat karbon di garasinya di waktu luangnya, dan pada tahun 2011, material dan proses pertamanya diuji di U.S. Department of Energy Pacific Northwest National Laboratory. Pada titik itu, katanya, "Saya memiliki konsep yang feasible, dan pemahaman yang lebih baik tentang ruang material," dan dia memutuskan untuk mengubah konsep ini menjadi perusahaan, dengan tujuan untuk terus mengembangkan dan akhirnya menjual materialnya. Carbitex Inc. didirikan pada Februari 2012.

Dari Koper ke Sepatu

Khan menjelaskan bahwa perusahaan lain telah mengembangkan kain serat karbon semi-fleksibel dengan menyelang satu lapis kain di antara dua film termoplastik. "Namun, saat Anda menarik material tersebut dengan tarik, mode kegagalan adalah film tersebut terlepas dari permukaan serat karbon," katanya, berarti kecenderungan delaminasi dapat menghambat jumlah fleksibilitas aktual yang tersedia untuk laminat.

Meningkatkan fleksibilitas. Produk CX6 Carbitex menggunakan pengikat yang dikembangkan khusus untuk meningkatkan fleksibilitas laminat dibandingkan material kompos lainnya.

Produk CX6 Carbitex, penawaran produk aslinya, juga satu lapis kain serat karbon yang dilaminasi di antara film termoplastik. Tetapi, kata Khan, kain pertama dirawat dengan pengikat yang dikembangkan khusus yang, menurut paten AS yang diajukan Carbitex pada tahun 2015, memberikan kain laminasi "fleksibilitas serupa dengan kain yang tidak dilaminasi dengan film polimer, dan adhesi serta kekuatan tarik yang ditingkatkan." Dia menambahkan, "Saat Anda menarik material CX6 kami dengan tarik, mode kegagalan adalah serat yang sebenarnya putus, bukan film yang delaminasi. Anda benar-benar mendapatkan kekuatan trademark dari serat karbon." Material ini juga dikatakan memiliki properti rektang yang sangat rendah dibandingkan material kompos lainnya, yang Carbitex temukan penggunaannya untuk komponen sepatu yang diproduksi secara presisi dengan transfer daya yang ditingkatkan.

Carbitex mulai menjual produk CX6 pertamanya di industri koper dan tas tangan untuk perusahaan seperti Tumi (South Plainfield, New Jersey, AS), seperti yang dimaksud Khan awalnya. Cepat, namun, Carbitex mulai menerima pertanyaan dari berbagai industri lain, seperti elektronik konsumen. Sementara pertumbuhan itu menarik, katanya, "Pada saat yang sama, kami mulai menyadari bahwa kami terlalu terurai." Sekitar tiga tahun yang lalu, perusahaan memutuskan untuk fokus pada satu pasar yang menunjukkan potensi terbesar: sepatu.

Hari ini, Carbitex menyuplai plafir serat karbanya di seluruh industri sepatu, di mana digunakan dalam snowboarding, sepeda, olahraga air, berlari, hiking, produk fashion dan lebih banyak. Salah satu aplikasi sepatu terbaru dan berkinerja tertinggi perusahaan adalah sepatu sepak bola yang dirilis oleh Adidas pada musim gugur 2020.

AFX dan DFX: Mengubah Sepatu

Fokus pada sepatu. Meskipun berharap beralih ke industri lain segera, sejauh ini Carbitex memutari sebagian besar pengembangan di seluruh industri sepatu.

Selama beberapa tahun terakhir, Carbitex telah merilis dua teknologi kompos baru, disebut AFX dan DFX. Menurut Khan, tidak seperti "kompos tipikal" yang kekakuan dikontrol oleh orientasi serat dan panjang lapis, kekakuan lembar serat karbon Carbitex seragam di seluruh panjangnya. Di mana kompos lain mungkin terdiri dari satu jenis sistem resin dan serat, katanya, material Carbitex lebih kompleks, melibatkan lapisan rumit dari lembar polimer dan lapisan kain, untuk mencapai properti fleksibilitas yang diinginkan. "Versi yang sangat sederhana dari material AFX kami mungkin memiliki dua jenis serat karbon yang disandwichen di antara dua atau tiga jenis polimer yang berbeda," katanya. "Ini adalah sistem berlapis yang rumit, dan Anda harus memahami bagaimana lapisan-lapisan itu harus datang bersama untuk [properti yang diperlukan]."

Secara umum, proses manufaktur dimulai dengan berlapis kain, yang dapat dirawat dengan pengikat atau perawatan kain lainnya, dan lembar polimer menjadi panel. Berbagai serat dari berbagai suplai digunakan, meskipun Khan mengatakan sebagian besar produk Carbitex mencakup serat dari Toray Composite Materials America (Tacoma, Washington, AS) dan seringkali kain spread tow dari Hexcel (Stamford, Connecticut, AS). Polimer juga bervariasi menurut aplikasi, tetapi biasanya termoplastik untuk fleksibilitas dan formabilitas, "meskipun terkadang tidak sepenuhnya termoplastik, tergantung pada aplikasi," katanya.

Panel-panel ini dikonsolidasikan dalam press dipanaskan; setelah dikeluarkan, bagian individu dipotong melalui waterjet dan dibentuk. Manufaktur dalam panel alih-alih meletakkan bagian individu menghasilkan output lebih tinggi dibandingkan layup tradisional, kata Khan.

Proses Manufaktur

Pertama, lapisan kain yang terpecah, prepreg dan film polimer tertentu ditumpuk bersama menjadi panel.

Selanjutnya, panel dikonsolidasikan dalam press dipanaskan.

Komponen tertentu dipotong dari panel yang telah dikurangi melalui waterjet.

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

Midsole kompos serat karbon yang dihasilkan (gambar adalah komponen DFX) akan dirakit ke dalam aplikasi sepatu akhir.

Previous Next

Sementara menyeimbangkan kekakuan dan fleksibilitas, namun, ada tantangan tambahan dalam mengembangkan sepatu: kaki manusia hanya dapat melengkung ke satu arah tanpa terlalu meluas atau patah, jadi material sepatu perlu memiliki kekuatan serbaguna untuk melengkung ke arah tertentu tetapi tidak ke arah lain. Carbitex mencapai ini, kata Khan, melalui buckling yang terkontrol, atau lengkungan, dari

Buckling dengan sengaja. Material AFX dirancang untuk melengkung hanya ke satu arah, mengikuti keterbatasan kaki manusia.

laminat. "Biasanya dalam kompos, kata 'buckling' diatribusikan pada kegagalan," kata Khan, "tapi kami telah menemukan cara untuk memungkinkan serat untuk buckling tetapi tidak patah." Penemuan ini, katanya, awalnya dilakukan secara tidak sengaja, ketika rekan menyadari bahwa kombinasi tertentu dari lapisan serat dan polimer menghasilkan material yang buckling hanya ke satu arah. "Kami menyadari harus ada manfaat dari itu," kata Khan, "jadi kami mulai mengupas lapisan, untuk mempelajari bagaimana itu terjadi dan kemudian memahami bagaimana kami bisa melakukannya dengan sengaja."

Produk yang dihasilkan disebut AFX, di mana "AF" singkatan dari "Asymmetrically Flexible," menunjukkan bahwa melengkung ke satu arah tetapi sepenuhnya kaku di arah lain. Menurut pengajuan paten tahun 2018, produk AFX Carbitex terdiri dari lapisan kain yang terpecah, lapisan prepreg dan, di antaranya, setidaknya satu lapisan polimer, yang digabungkan menjadi rangkaian yang kemudian dibentuk dan dikurangi. "Pengaturan berlapis memiliki resistensi tinggi terhadap lengkungan ke arah pertama, dan resistensi rendah terhadap lengkungan ke arah kedua yang berlawanan," paten itu.

"Teknologi kami memungkinkan tingkat kekakuan dan perlindungan di arah yang Anda inginkan," Khan menambahkan. Sepatu hiking yang mengintegrasikan plafir serat karbon AFX, misalnya, mencakup dukungan dan kekakuan yang diperlukan untuk melindungi kaki dari lengkungan yang salah di medan yang tidak rata atau vertikal, tetapi "saat Anda pergi untuk melengkungkan kaki untuk berjalan di dataran rendah, [sepatu itu] sama fleksibelnya dengan, misalnya, sepatu lari," katanya. AFX juga lebih ringan dari kombinasi papan dan material karet yang sering digunakan untuk memperkuat sepatu hiking.

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

Khan mencatat bahwa sepatu lari atau sepatu sepak bola dapat lunak dan fleksibel saat atlet berjalan ke lintasan atau ke lapangan, dan kemudian, setelah pelari berlari dan kaki mulai melengkung di sudut yang lebih tinggi, sepatu akan menjadi lebih kaku untuk mendukung gerakan. "Perusahaan tidak lagi harus berkompromi dan memilih kekakuan midfoot tertentu — kami dapat mengidentifikasi fungsi berbeda dari aktivitas tertentu dan merancang kekakuan di sekitar itu."

"Cara lain untuk melihatnya adalah bahwa DFX meningkatkan performa kaki, bertindak seperti otot atau ligamen yang menjadi fleksibel atau kaku tergantung arah mereka ditarik. Material AFX bertindak lebih seperti sendi seperti siku atau pergelangan kaki Anda — dirancang untuk melengkung dengan sangat baik satu arah," katanya.

Fleksibilitas dinamis. Dalam sepatu sepak bola X Ghosted Adidas dan aplikasi serupa, material DFX memungkinkan fleksibilitas yang dapat berubah tergantung gerakan pemakai.

Setiap iterasi material sejauh ini dirancang khusus untuk rentang performa dan tingkat integrasi manufaktur yang diidentifikasi sebagai berlaku untuk industri, dengan ruang untuk kustomisasi di dalamnya, seperti persyaratan kekakuan atau daya tahan tertentu. Perusahaan juga menawarkan sampel kustom untuk pelanggan potensial. "Kami terus mengumpulkan data tentang kompos kami dan bagaimana mereka bekerja dan mengapa, dan telah membangun sistem pemodelan kami sendiri untuk mengubah versi yang berbeda dengan cepat seperlunya. Biasanya dalam satu atau dua hari setelah menerima pertanyaan kami dapat membuat sampel kustom dan mengeluarkannya," Khan menambahkan.

Di luar sepatu

"Saat ini, tujuan kami adalah terus memperluas di dalam sepatu, dan mencoba menangkap kesempatan itu," kata Khan. Namun, tujuan jangka panjang adalah untuk perusahaan tumbuh ke industri lain, seperti penerbangan ruang angkasa dan aplikasi medis.

"Satu industri yang benar-benar ada di pikiran kami, baik sebagai pasar di mana produk kami akan memberikan manfaat yang nyata dan juga sebagai satu yang memiliki beberapa kesamaan dengan sepatu, adalah ranah ortopedik dan protetik, dan mungkin bahkan sisi robotik juga," katanya. Fleksibilitas dinamis dalam anggota badan proteetik, katanya, saat ini dicapai melalui sistem elektronik berat dan mahal serta aktuator hidrolis. Khan mengagumi penggunaan produk Carbitex dalam aplikasi seperti pengencing lutut atau punggung, di mana material dapat dirancang untuk mencegah gerakan atau hiperekstensi tertentu, sambil memungkinkan gerakan lain. Dia menambahkan, "Dengan pengencing, biasanya Anda mengimobilisasi bagian dari seseorang karena hanya satu gerakan yang akan sangat buruk baginya. Kunci adalah membuat pengencing yang membatasi satu arah gerakan itu, tetapi memungkinkan orang untuk kemudian dapat bergerak ke arah lain." Sejalan dengan tujuan ini, Carbitex baru-baru ini memulai pengembangan aplikasi dengan perusahaan yang membuat pengencing yang ditujukan untuk anak-anak. Material perusahaan juga telah digunakan, kata Carbitex, untuk mengembangkan bantal serat karbon untuk lengan kompresi yang dirancang untuk pencari alam, dan pengencing leher yang terhubung ke helm dan pemunggang bahu pemain sepak bola untuk mencegah leher terlepas ke belakang selama permainan.

Dalam mengejar aplikasi lain, Carbitex berharap menggunakan produknya untuk menghilangkan kompromi material di industri lain, seperti yang terus diimpinya di sepatu. Khan menambahkan, "Lebih keren untuk mengatakan bahwa Anda berusaha untuk produk yang membuat Anda lebih cepat, lebih baik dan lebih kuat, dan kami melakukannya — tetapi pada akhirnya, kami selalu mendorong efisiensi."