고성능 신발을 가능하게 하는 유연한 탄소 섬유 플레이트

탄소 섬유 중창 플레이트, 섕크 및 기타 구성 요소는 수년 동안 최상급 운동화의 성능을 향상시키고 무게를 줄여왔습니다. 그러나 Carbitex Inc.(미국 워싱턴주 케네윅 소재)의 창립자이자 회장인 Junus Khan은 합성 소재를 사용하더라도 신발 개발자는 일반적으로 중창 플레이트의 재료 선택과 관련하여 타협해야 한다고 설명합니다. 유연성이 없고 무거울 수 있지만 필요한 활동 중에 발을 지지하거나 가볍고 유연하지만 많은 지지를 제공하지 않는 재료일 수 있습니다. Carbitex는 유연한 탄소 섬유/열가소성 복합 재료 제품 라인의 개발을 통해 극복할 수 있었다고 설명하는 선택 또는 그 사이 어딘가에 있는 타협 소재로 인해 신발과 착용자가 본질적으로 비효율적입니다.

그러나 Khan은 원래 신발 산업을 변화시키려고 시작한 것은 아니라고 말합니다. 10여 년 전, 경제학을 전공했지만 자동차 산업을 통해 탄소섬유 복합재료에 대해 배운 Khan은 여행 가방 시장을 살펴보고 왜 여행 가방 제조사들이 탄소 섬유의 미학을 모방하려고 하는지 의아해했습니다. 실제 탄소 섬유를 사용하는 대신 방탄 나일론 및 기타 직물을 사용합니다. 여행 가방 시장에 적합한 부드럽고 유연한 탄소 섬유 제품을 만드는 회사를 찾을 수 없었던 그는 직접 만들어 보기로 결정했습니다.

2010년 Khan은 여가 시간에 차고에서 다양한 탄소 섬유 재료를 조사하기 시작했으며 2011년에는 미국 에너지부 태평양 노스웨스트 국립 연구소에서 그의 첫 번째 재료와 공정을 테스트했습니다. 그때 그는 “나는 실행 가능한 개념이 있었고, 물질 공간에 대한 더 나은 이해가 있었다”고 말했고, 그는 계속 개발하고 궁극적으로 물질을 판매하는 것을 목표로 이 개념을 회사로 바꾸기로 결정했습니다. Carbitex Inc.는 2012년 2월에 설립되었습니다.

가방에서 신발까지

Khan은 다른 회사들이 두 개의 열가소성 필름 사이에 한 겹의 천을 매달아 반유연성 탄소 섬유 직물을 개발했다고 설명합니다. "그러나 그 재료를 장력으로 당길 때 실패 모드는 탄소 표면에서 필름이 찢어지는 것입니다."라고 그는 말합니다. 이는 박리 경향이 라미네이트에 사용할 수 있는 실제 유연성의 양을 방해할 수 있음을 의미합니다.

유연성 향상. 카비텍스의 CX6 제품은 특수 개발된 바인더를 사용하여 다른 복합재료에 비해 라미네이트의 유연성을 높였습니다.

원래 제품인 Carbitex의 CX6 제품도 열가소성 필름 사이에 적층된 탄소 섬유 직물의 단일 겹입니다. 그러나 Khan은 2015년에 제출된 미국 특허 Carbitex에 따르면 적층된 직물에 "폴리머 필름이 적층되지 않은 직물과 유사한 유연성, 향상된 접착력 및 인장 강도"를 제공하는 특수 개발된 바인더로 직물을 먼저 처리한다고 말합니다. 그는 "CX6 소재를 장력으로 당길 때 실패 모드는 필름 박리가 아니라 실제로 섬유가 끊어지는 것입니다. 탄소 섬유의 트레이드마크인 강도를 실제로 얻고 있습니다.” 이 소재는 또한 다른 복합 소재에 비해 신축성이 매우 낮다고 합니다. Carbitex는 향상된 동력 전달을 통해 정밀하게 제조된 신발 부품에 사용됩니다.

Carbitex는 Khan이 원래 계획했던 대로 Tumi(미국 뉴저지주 사우스 플레인필드)와 같은 회사에 수하물 및 핸드백 업계에서 첫 CX6 제품을 판매하기 시작했습니다. 그러나 곧 Carbitex는 소비자 전자 제품과 같은 다양한 다른 산업 분야에서 문의를 받기 시작했습니다. 성장은 흥미진진했지만 동시에 그는 “우리는 우리 자신이 너무 야위고 있다는 사실을 깨닫기 시작했다”고 말했다. 약 3년 전 회사는 가장 잠재력이 큰 시장인 신발에 집중하기로 결정했습니다.

오늘날 Carbitex는 스노보드, 사이클링, 수상 스포츠, 달리기, 하이킹, 패션 제품 등에 사용되는 신발 산업 전반에 탄소 섬유 플레이트를 공급하고 있습니다. 회사의 가장 최근의 고성능 신발 응용 프로그램 중 하나는 2020년 가을에 Adidas에서 출시한 축구화입니다.

AFX 및 DFX:신발의 변형

신발에 집중하세요. 곧 다른 산업으로 이동할 것으로 예상되지만 지금까지 Carbitex는 대부분의 개발 초점을 신발 산업 전반에 두고 있습니다.

지난 몇 년 동안 Carbitex는 AFX와 DFX라는 두 가지 새로운 복합 기술을 출시했습니다. Khan에 따르면 강성이 섬유 방향과 플라이 길이에 의해 제어되는 "전형적인 복합 재료"와 달리 Carbitex 탄소 섬유 시트의 강성은 길이에 걸쳐 균일합니다. 다른 복합 재료가 한 가지 유형의 수지 시스템과 섬유로 구성될 수 있는 경우 Carbitex의 재료는 원하는 유연성 특성을 달성하기 위해 폴리머 시트와 직물 층의 복잡한 층을 포함하는 더 복잡합니다. "AFX 재료의 매우 간단한 버전은 두 가지 또는 세 가지 다른 유형의 폴리머 사이에 두 가지 다른 유형의 탄소 섬유가 끼워져 있을 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "복잡한 레이어링 시스템이며 [필수] 속성을 위해 이러한 레이어가 어떻게 결합되어야 하는지 이해해야 합니다."

일반적으로 제조 공정은 결합제 또는 기타 직물 처리로 처리될 수 있는 직물과 폴리머 시트를 패널에 적층하는 것으로 시작됩니다. Khan은 Carbitex 제품의 대부분이 Toray Composite Materials America(Tacoma, Wash., U.S.)의 섬유와 종종 Hexcel(Stamford, Conn., U.S.)의 토우 직물을 포함한다고 Khan은 말합니다. 폴리머도 응용 프로그램에 따라 다르지만 "응용 프로그램에 따라 완전히 열가소성이 아닐 때도 있지만" 유연성과 성형성을 위해 일반적으로 열가소성 수지라고 그는 덧붙입니다.

이 패널은 가열 프레스로 통합됩니다. 일단 제거되면 개별 부품이 워터젯을 통해 절단되고 형성됩니다. Khan은 개별 부품을 적층하는 대신 패널로 제조하면 기존 적층보다 더 높은 생산량을 얻을 수 있다고 말합니다.

제조 과정

먼저, 직물, 프리프레그 및 폴리머 필름의 특정 층을 패널로 함께 적층합니다.

다음으로 패널은 가열 된 프레스에서 통합됩니다.

워터젯을 통해 경화된 패널에서 특정 구성 요소를 절단합니다.

개별 부품 레이업을 피하면 더 높은 처리량을 얻을 수 있다고 Carbitex는 말합니다.

생성된 탄소 섬유 복합 소재 중창(사진은 DFX 구성 요소임)은 최종 신발 응용 프로그램으로 조립됩니다.

이전 다음

그러나 강성과 유연성의 균형을 유지하는 것과 함께 신발 개발에는 추가 과제가 있습니다. 사람의 발은 과도하게 늘어나거나 부러지지 않고 한 방향으로만 구부릴 수 있으므로 신발 소재는 특정 방향으로 구부릴 수 있지만 다른 방향으로는 구부릴 수 없는 다용도가 필요합니다. . Carbitex는 제어된 좌굴 또는 굽힘을 통해

의도적인 좌굴. AFX 소재는 사람의 발의 한계에 따라 한 방향으로만 구부러지도록 설계되었습니다.

라미네이트. "일반적으로 복합 재료에서 '좌굴'이라는 단어는 실패에 기인합니다. 하지만 우리는 섬유가 구부러지지만 부러지지 않도록 하는 방법을 생각해 냈습니다." 그는 동료가 섬유와 폴리머 층의 특정 조합으로 인해 한 방향으로만 구부러지는 재료가 생겼다는 것을 깨달았을 때 이 발명이 처음에 우연히 만들어졌다고 덧붙였습니다. Khan은 다음과 같이 말했습니다. "이를 위해서는 어떤 이점이 있어야 한다는 사실을 깨달았습니다. 그래서 우리는 레이어를 다시 벗기기 시작했습니다. 어떻게 그런 일이 일어났는지 알아본 다음 의도적으로 어떻게 할 수 있는지 이해했습니다."

결과 제품은 AFX라고 하며, 여기서 "AF"는 "Asymmetrically Flexible"의 약자로서 한 방향으로 구부러지지만 다른 방향에서는 완전히 고정되어 있음을 나타냅니다. 2018년 특허 출원에 따르면, Carbitex의 AFX 제품은 직물 층, 프리프레그 층, 그리고 그 사이에 적어도 하나의 폴리머 층으로 구성되며, 이들은 조립품으로 결합되어 성형 및 경화됩니다. "겹겹이 배열된 배열은 첫 번째 방향으로 굽힘에 대한 높은 저항과 반대되는 두 번째 방향으로 굽힘에 대한 낮은 저항을 갖는다"고 특허는 말합니다.

"우리의 기술은 원하는 방향으로 강성과 보호 수준을 가능하게 합니다."라고 Khan이 덧붙입니다. 예를 들어, AFX 탄소 섬유 중창을 통합한 하이킹 부츠에는 고르지 않거나 수직인 지형에서 잘못된 방향으로 발이 구부러지지 않도록 보호하는 데 필요한 지지력과 강성이 포함되지만 "평지에서 걷기 위해 발을 구부릴 때 [ 부츠는] 예를 들어 운동화만큼 유연합니다.”라고 그는 말합니다. AFX는 또한 등산화를 보강하는 데 자주 사용되는 보드와 고무 소재의 조합보다 가볍습니다.

Carbitex의 세 번째 제품은 "Dynamicically Flexible"의 약자인 AFX의 파생물인 DFX라고 합니다. DFX를 사용하면 "특정 각도에서는 매우 유연하고 더 높은 각도에서는 점진적으로 또는 기하급수적으로 더 단단해지는 [신발]을 가질 수 있습니다."라고 Khan은 말합니다. "신발에서 이것은 성능과 직접적인 관련이 있습니다." 2020년 특허 출원에 따르면 DFX는 하나의 라미네이트로 조립 및 경화된 최소 3개의 레이어로 구성됩니다. 더 단단한 직물 층; 및 적어도 하나의 폴리머 층.

Khan은 운동화가 트랙이나 들판을 걸을 때 러닝화나 클리트가 부드럽고 유연할 수 있으며, 주자가 출발하고 발이 더 높은 각도로 구부러지기 시작하면 신발을 지지하기 위해 더 단단해집니다. 움직임 . "회사는 더 이상 특정 발 중족부의 강성을 타협하고 선택할 필요가 없습니다. 우리는 주어진 활동의 다양한 기능을 식별하고 그 주위의 강성을 엔지니어링할 수 있습니다."

"또 다른 관점에서 보면 DFX가 발의 성능을 향상시켜 근육이나 인대가 늘어나는 방식에 따라 유연하거나 뻣뻣해지는 것처럼 작용한다는 것입니다. AFX 소재는 팔꿈치나 발목과 같은 관절처럼 작동합니다. 한 방향으로 잘 구부러지도록 설계되었습니다.”라고 덧붙였습니다.

동적 유연성. Adidas의 X Ghosted 축구화 및 이와 유사한 애플리케이션에서 DFX 소재는 착용자의 움직임에 따라 가변적인 유연성을 가능하게 합니다.

지금까지 각 재료 반복은 특정 성능 범위 및 산업에 적용 가능한 것으로 식별된 제조 통합 수준을 위해 특별히 설계되었으며 특정 강성 또는 내구성 요구 사항과 같은 해당 범위 내에서 사용자 정의할 수 있는 여지가 있습니다. 회사는 또한 잠재 고객에게 맞춤형 샘플을 제공합니다. “우리는 합성물과 합성물이 작동하는 방식과 이유에 대한 데이터를 지속적으로 수집하고 필요에 따라 다양한 버전을 매우 빠르게 전환할 수 있도록 자체 모델링 시스템을 구축했습니다. 일반적으로 문의를 받은 후 하루나 이틀 안에 맞춤형 샘플을 만들어 문밖으로 나갈 수 있습니다.”라고 Khan이 덧붙입니다.

신발을 넘어서

"현재 우리의 목표는 신발 분야를 계속 확장하고 그 기회를 포착하는 것입니다."라고 Khan은 말합니다. 그러나 장기적인 목표는 회사가 항공 우주 및 의료 응용 프로그램과 같은 다른 산업으로 성장하는 것입니다.

“우리 제품이 진정한 혜택을 얻을 수 있는 시장이자 신발과 유사한 점이 있는 시장으로서 우리가 가장 중요하게 생각하는 산업은 정형외과 및 보철 분야, 그리고 아마도 로봇 분야일 것입니다. "라고 그는 말한다. 그는 의수에서의 동적 유연성은 현재 무겁고 값비싼 전자 시스템과 유압 액추에이터를 통해 달성된다고 덧붙였습니다. Khan은 특정 동작이나 과신전을 방지하는 동시에 다른 동작을 가능하게 하도록 재료를 가공할 수 있는 무릎 또는 등 보호대와 같은 응용 분야에서 Carbitex 제품을 사용할 계획입니다. 그는 덧붙입니다. “보조기를 사용하면 일반적으로 한 번만 움직여도 몸에 좋지 않은 신체 일부를 움직이지 못하게 됩니다. 핵심은 한 방향의 움직임을 제한하지만 다른 방향으로 움직일 수 있도록 하는 버팀대를 만드는 것입니다.” 이러한 목표에 맞춰 Carbitex는 최근 어린이용 교정기를 만드는 회사와 함께 애플리케이션 개발에 착수했습니다. Carbitex는 등산객을 위해 설계된 압축 슬리브용 탄소 섬유 패드와 축구 선수의 헬멧과 어깨 패드에 연결하여 게임 플레이 중에 목이 뒤로 빠지는 것을 방지하는 목 보호대를 개발하는 데 회사의 재료도 사용되었다고 Carbitex는 말합니다.

Carbitex는 다른 응용 분야를 추구하면서 신발 분야에서 계속해서 열망하는 것처럼 다른 산업에서 물질적 타협을 없애기 위해 자사 제품을 사용하기를 희망합니다. Khan은 다음과 같이 덧붙입니다. "귀하가 더 빠르고, 더 우수하고, 더 강력하게 만드는 제품을 위해 노력하고 있다고 말하는 것이 더 멋진 것 같습니다. 우리는 그렇게 하고 있습니다. 하지만 궁극적으로 우리는 항상 효율성을 추구하고 있습니다."