최고 성능을 위한 러닝화 미세 조정

운동화 설계에 접근할 때 - 또는 일반적으로 스포츠 장비 - 성능이 핵심입니다. 수많은 요소가 고성능 신발을 구성하며, 요구사항은 신발 기능에 따라 다릅니다. 예를 들어 러닝화는 농구화와 다른 요구사항을 가집니다. 러닝화는 장거리 달리기를 위해 가볍고 유연하며 쿠션과 안정성을 제공하도록 설계된 반면, 농구화는 갑작스러운 방향 전환 시 발목 안정성과 충격 흡수를 제공하도록 설계됩니다. 러닝화가 달리기 선수가 각 단계에서 어떻게 착지하고 밀어내게 하는지는 새로운 기술이 등장함에 따라 엔지니어들이 끊임없이 평가하는 주제입니다. 탄소섬유 같은 고성능 소재는 미드솔, 토 킥, 생크(발 아치 아래를 지나가는 신발의 지지 구조물) 같은 신발 부분에 많은 중량 추가 없이 강성을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.

중국 스포츠웨어 스타트업 Bmai(베이징, 중국)는 일상 소비자가 구매할 수 있는 가격으로 고성능 마라톤화를 만드는 것을 목표로 했지만, 탄소섬유의 경량성과 강성을 활용하고 싶었습니다.

"신발 혁신의 핵심 동인 중 하나는 새로운 소재입니다."라고 Bmai의 수석 디자이너 액시스 리우는 말합니다. "소재 기술은 지난 10-20년간 비약적으로 발전했습니다. 이제 선택할 수 있는 수많은 소재가 있지만, 더 나은 지지력, 안정성, 성능을 제공하는 경량 소재가 브랜드들이 경쟁 우위를 높이는 데 의존함에 따라 점점 더 요구되고 있습니다."

탄소섬유는 1990년대부터 고성능 신발에 사용되어 왔으며, 나이키와 아디다스 같은 신발 브랜드가 엘리트 운동화에 채택했습니다. 탄소섬유가 적용된 러닝화는 160-250달러 범위입니다. 예를 들어, 미드솔에 풀렝스 탄소섬유 플레이트를 특징으로 하는 나이키 줌X 베이퍼플라이는 약 250달러에 판매됩니다. 러닝화는 300-500마일마다 교체해야 하는데, 주당 평균 20마일을 달리는 러너의 경우 4-6개월마다 교체하게 되어 비용이 빠르게 누적됩니다. Bmai는 좋은 성능을 가지면서도 대중 시장에서 접근 가능하고, 심미적으로 매력적이며, 합리적인 가격의 스니커즈를 생산하고자 했습니다.

"달리기의 가장 좋은 점 중 하나는 시작하기 위해 꽤 좋은 품질의 신발 한 켤레만 있으면 된다는 것입니다."라고 리우는 말합니다. "비싼 신발이 장벽이 되게 하고 싶지 않습니다."

회사는 플래그십 러닝화 마일 42K의 한정판 버전에서 프로토타입 탄소섬유 신발 생크를 테스트하기로 했습니다 - 레크리에이션 마라톤 러너를 겨냥한 디자인입니다. 궁극적 목표는 Bmai가 약 399위안(56달러)에 소매할 수 있는 상업용 신발을 생산할 수 있는 솔루션을 찾는 것이었습니다. 회사도 중량 감량과 비틀림 저항 제공을 목표로 했습니다 - 탄소섬유가 잘하는 부분입니다.

대량 생산 가능성. 열가소성이기 때문에 마에지오는 높은 수율, 짧은 사이클 타임, 낮은 비용으로 열성형할 수 있습니다. 출처 | 코베스트로

조정 가능한 소재

2018년 10월 코베스트로(독일 레버쿠젠, 중국 상하이)가 도입한 마에지오(Maezio) 브랜드의 연속 섬유 강화 열가소성 복합소재(CFRTP)가 등장했습니다. 제품 라인에는 폴리카보네이트(PC) 매트릭스 내에 함침된 탄소섬유로 만든 단방향(UD) 강화 테이프와 시트가 포함됩니다. 코베스트로에 따르면, CFRTP는 성능, 심미성, 규모의 경제 측면에서 조정 가능하며 다양한 산업의 제품에 사용될 수 있습니다.

마에지오는 연간 수백만 개 부품 규모로 높은 수율, 짧은 사이클 타임, 낮은 비용으로 열성형할 수 있습니다. 오버몰딩, 자동 테이프 레이잉(ATL), 자동 섬유 배치(AFP) 같은 다른 생산 기술도 통합 가능합니다. 회사는 마에지오를 다양한 애플리케이션에서 대량 생산을 위한 소재 이네이블러로 봅니다.

"우리는 마에지오 브랜드가 경량 구조, 특정 강도와 마감을 아직 첨단 소재가 도달하지 못한 규모로 제공함으로써 산업 전반의 차세대 제품에 가치를 가져올 수 있다고 믿습니다."라고 코베스트로 열가소성 복합소재 책임자 리사 케텔슨은 말합니다.

마에지오의 주요 장점은 조정 가능성(tuneability)입니다. 120미크론 두께의 UD 테이프를 다양한 각도로 라미네이트하여 다양한 성능 및 기계적 기준을 충족하도록 조정된 시트를 형성할 수 있습니다. 결과 시트는 강하고, 강성 있으며, 가볍고 자연스러운 단방향 표면 마감을 가집니다. 또한 CFRTP 복합소재는 재활용 가능합니다.

완벽한 핏

새로운 운동화 설계는 접근 방식에서 높은 적응성을 요구합니다. 수정은 설계 과정의 일부이며 많은 테스트와 반복이 종종 필요합니다.

"[신발 성능]은 특정 목표에 매우 집중되어 있습니다."라고 마에지오 시장 개발 매니저 아르네 뵈처는 말합니다. "애플리케이션과 운동선수의 정확한 니즈에 맞출 수 있는 소재가 필요합니다 - 그게 바로 마에지오입니다."

Bmai는 마에지오가 낮은 밀도로 강성을 제공하는 것 외에도 소재를 조정할 자유를 주기 때문에 Bmai 신발에 잘 맞는다고 말합니다.

"테이프를 어떻게 놓느냐에 따라, 그 신발의 매우 구체적인 니즈에 따라 다른 강성이나 비틀림 성능을 생성할 수 있습니다."라고 케텔슨은 설명합니다.

비틀림 저항. 코베스트로의 탄소섬유 생크가 Bmai 마라톤 스니커의 발 아치 아래를 지나갑니다. 출처 | 코베스트로

얇지만 강함. 생크 두께는 일반적으로 1-1.2mm 범위입니다. 출처 | 코베스트로

Bmai 신발의 중량 목표를 맞추기 위해 생크는 얇아야 하지만 비틀림 요건을 충족할 만큼 충분히 강해야 합니다. 이를 염두에 두고 팀은 생크의 합판 수 결정에 집중했습니다. 코베스트로는 정확한 합판 수나 섬유 방향에 대해 언급하지 않았지만, 일반적인 생크 두께가 1-1.2mm이고 45도 섬유 방향이 필요한 두께에서 요구되는 비틀림 저항을 달성할 것이라고 가정했습니다. 그 시작점에서 코베스트로는 다양한 레이업을 테스트하고 반복했습니다.

케텔슨에 따르면, Bmai를 위한 최적 솔루션 설계의 핵심은 설계 브레인스토밍 세션, 제품 조정, 다양한 구성 시뮬레이션, 시뮬레이션 기반 샘플링, 각 샘플을 형상에 맞게 커팅 및 슬리팅, Bmai에 테스트 샘플 전달 및 피드백 수집을 포함한 빠른 반복 사이클이었습니다.

코베스트로는 구조 시뮬레이션용 ABAQUS(ABAQUS Inc., 로드아일랜드주 포터킷, 미국)와 레올로지 시뮬레이션용 몰드플로우(MOLDFLOW, 오토데스크, 캘리포니아주 산 라파엘, 미국)를 표준 소프트웨어로 사용합니다. "내부적으로 시뮬레이션할 수 있는 특정 요구사항들이 있습니다."라고 케텔슨은 말합니다. "우리는 시뮬레이션을 하고 독일, 미국, 중국의 시설에서 특정 부품을 조립하고 물리적 테스트를 수행하고 데이터를 분석하여 생산에 피드백하고 적응합니다."

프로젝트 과정에서 코베스트로는 설계를 여러 번 반복하며 세부사항과 결과를 공유하고 설계를 적응시켰습니다. Bmai와 코베스트로의 APAC 혁신 체험 센터(상하이) 간의 긴밀한 소통이 중요했습니다. 그곳에서 굽힘 테스트, 적합성 및 성능 품질 테스트 등 다양한 테스트가 수행되었습니다. 회사는 제품이 어떻게 조정되어야 하는지에 대한 방법들을 Bmai에 자주 전달했습니다.

"그냥 앉아서 설계할 수 없습니다 - 테스트하고 반복해야 합니다."라고 뵈처는 덧붙입니다. "Bmai 같은 회사들은 그냥 실행하고 알아내는 것에 더 익숙합니다... 테스트하고, 실패하고, 다시 테스트합니다."

반복과 소통. Bmai 수석 디자이너 액시스 리우가 코베스트로 APAC 혁신 체험 센터에서 코베스트로 팀원들과 작업 중. 출처 | 코베스트로

수많은 설계 반복 과정에서 코베스트로는 신발의 다른 소재들과의 부품 접착 호환성 등 여러 추가 고려사항의 균형도 맞춰야 했습니다. 그럼에도 불구하고 신속한 시장 출시는 새로운 스타일이 빠르게 데뷔하는 경쟁이 치열한 운동화 시장에서 중요했습니다. 뵈처에 따르면, 테스트 샘플 생산에서 속도와 민첩성이 필수적이었습니다.

얻은 교훈

Bmai의 42K 라이트가 작년 공개되어 회사의 비틀림, 심미성, 전반적 성능 요건을 충족했습니다. 코베스트로는 신발과의 설계 과정이 다른 시장에서 마에지오로 어떻게 작업할지에 대한 통찰을 제공했다고 말합니다.

"[핵심은] 디자이너들과의 상호작용, 그리고 결정권자들과의 상호작용입니다."라고 케텔슨은 말합니다. "이 신발 예시에서 우리가 매우 잘한 것 - 그리고 다른 산업에도 가져가고 싶은 것 - 은 우리가 가치 있다고 생각하는 것을 기반으로 가설을 세우고, 고객과 함께 그것을 테스트하고 반복하는 것이었습니다."

코베스트로에 따르면, 마에지오는 전기전자 산업, 자동차, 의료 기술, 가전제품, 가구, 러기지 같은 소비재뿐만 아니라 스포츠 용품과 운동화에서도 관심을 끌고 있습니다.