Perfeccionando zapatillas de running para máximo rendimiento

Al abordar el diseño de una zapatilla atlética — o de equipamiento deportivo en general — el rendimiento es clave. Numerosos factores componen una zapatilla de rendimiento, y los requisitos varían según la función; las zapatillas de running tienen requisitos diferentes que las de baloncesto, por ejemplo. Las zapatillas de running son ligeras y flexibles y diseñadas para amortiguar y estabilizar en una carrera larga, mientras que las de baloncesto están diseñadas para proporcionar estabilidad de tobillo y absorber impacto durante cambios bruscos de dirección. Cómo una zapatilla de running permite al corredor aterrizar e impulsarse en cada paso es un tema de evaluación constante para ingenieros a medida que emergen nuevas tecnologías. Materiales de alto rendimiento como la fibra de carbono pueden ayudar a proporcionar rigidez sin añadir mucho peso en partes de una zapatilla como la mediasuela, el toe kick y el shank (una estructura de soporte en la zapatilla que corre bajo el arco del pie).

La startup china de ropa deportiva Bmai (Pekín, China) tenía el objetivo de hacer una zapatilla de maratón de alto rendimiento a un precio que los consumidores cotidianos puedan pagar, pero quería aprovechar la ligereza y rigidez de la fibra de carbono.

"Uno de los impulsores clave para la innovación en calzado son los nuevos materiales", dice Axis Liu, diseñador principal de Bmai. "Las tecnologías de materiales han avanzado a pasos agigantados en la última década o dos. Ahora hay una plétora de materiales para elegir, pero materiales de menor peso que proporcionan mejor soporte, estabilidad y rendimiento son cada vez más buscados mientras las marcas confían en ellos para aumentar sus ventajas competitivas".

La fibra de carbono se ha usado en calzado de alto rendimiento desde los 90, con marcas como Nike y Adidas adoptándola para zapatillas atléticas de élite. Zapatillas de running con fibra de carbono pueden oscilar entre 160 y 250 $. Por ejemplo, la Nike ZoomX Vaporfly, que presenta una placa de fibra de carbono de longitud completa en la mediasuela, se vende alrededor de 250 $. Considerando que las zapatillas de running necesitan reemplazarse cada 300-500 millas, lo que termina siendo cada 4-6 meses para un corredor que promedia 20 millas por semana, el coste puede sumarse rápido. Bmai quería producir una zapatilla con buen rendimiento, pero accesible, estéticamente atractiva y asequible para el mercado masivo.

"Una de las mejores cosas del running es que básicamente solo necesitas un par de zapatillas de buena calidad para empezar", dice Liu. "No queremos que el calzado caro se convierta en una barrera".

La empresa se propuso probar un prototipo de shank de fibra de carbono en una versión de edición limitada de su zapatilla de running insignia, Mile 42K — un diseño apuntado a corredores de maratón recreativos. El objetivo final era encontrar una solución que permitiera a Bmai producir una zapatilla comercial que pudiera venderse alrededor de 399 yuanes (56 USD). La empresa también apuntaba a reducir peso mientras proporcionaba resistencia a la torsión, lo que la fibra de carbono hace bien.

Posibilidades de producción de alto volumen. Al ser un termoplástico, Maezio puede termoformarse a altas tasas de rendimiento, tiempos de ciclo más cortos y menores costes. Fuente | Covestro

Un material ajustable

Entra la nueva marca Maezio de compuestos termoplásticos reforzados con fibra continua (CFRTP) introducida por Covestro (Leverkusen, Alemania; Shanghai, China) en octubre 2018. La línea de producto incluye cintas y láminas reforzadas unidireccionales (UD) hechas de fibras de carbono impregnadas en una matriz de policarbonato (PC). Según Covestro, el CFRTP puede ajustarse para rendimiento, estética y economías de escala, y puede usarse en productos en una amplia gama de industrias.

Maezio puede termoformarse a altas tasas de rendimiento, tiempos de ciclo más cortos y menores costes para millones de piezas al año. Otras tecnologías de producción como sobremoldeo, colocación automática de cinta (ATL) y colocación automática de fibra (AFP) también pueden integrarse. La empresa ve Maezio como un habilitador de material para producción de alto volumen en una diversa gama de aplicaciones.

"Creemos que la marca Maezio puede aportar valor a una nueva generación de productos a través de industrias entregando una combinación de construcción ligera, resistencias específicas y acabados a una escala aún no alcanzada por materiales avanzados", dice Lisa Ketelsen, jefa de Compuestos Termoplásticos para Covestro.

La principal ventaja de Maezio es su ajustabilidad. Las cintas UD, de solo 120 micras de espesor, pueden laminarse en diferentes ángulos para formar láminas ajustadas para cumplir una variedad de criterios de rendimiento y mecánicos. Las láminas resultantes son fuertes, rígidas, ligeras y tienen un acabado superficial unidireccional natural. Además, los compuestos CFRTP son reciclables.

Un buen ajuste

Los nuevos diseños de calzado atlético requieren un alto grado de adaptabilidad en el enfoque. La modificación es parte del proceso de diseño y a menudo se requiere una gran cantidad de pruebas e iteración.

"[El rendimiento de la zapatilla] es muy específico al objetivo", dice Arne Boettcher, gerente de desarrollo de mercado para Maezio. "Necesitas un material que puedas adaptar a las necesidades exactas de la aplicación y el atleta — y eso es exactamente lo que es Maezio".

Bmai dice que Maezio se adapta bien a su zapatilla porque además de ofrecer rigidez con baja densidad, el material ofrece la libertad de ajustar.

"Dependiendo de cómo coloques las cintas, el material es capaz de generar diferentes rigideces o rendimiento de torsión dependiente de necesidades muy específicas de esa zapatilla", explica Ketelsen.

Resistencia a la torsión. El shank de fibra de carbono de Covestro corre bajo el arco del pie en la zapatilla de maratón de Bmai. Fuente | Covestro

Fino, pero fuerte. Los espesores de shank son típicamente en el rango 1-1,2 mm. Fuente | Covestro

Para cumplir objetivos de peso para la zapatilla Bmai, el shank necesitaría ser fino, pero también lo bastante fuerte para cumplir requisitos de torsión. Con eso en mente, el equipo se centró en determinar el número de capas para el shank. Aunque Covestro no comentaría el número exacto de capas u orientaciones de fibra, la empresa declaró que los espesores típicos de shank son 1-1,2 mm e hipotetizó que una orientación de fibra de 45 grados lograría la resistencia a la torsión requerida al espesor requerido. Desde ese punto de partida, Covestro probó e iteró diferentes laminados.

Según Ketelsen, la clave para diseñar la solución óptima para Bmai fue un ciclo de iteraciones rápidas que incluyó sesiones de lluvia de ideas de diseño, ajustar el producto, simular diferentes composiciones, crear muestreo basado en simulaciones, cortar y ranurar cada muestra a forma, y entregar muestras de prueba a Bmai para feedback.

Covestro usa ABAQUS (ABAQUS Inc., Pawtucket, Rhode Island, EE. UU.) para simulación estructural y MOLDFLOW (Autodesk, San Rafael, California, EE. UU.) para simulación reológica como software estándar. "Hay ciertos requisitos que podemos simular internamente", dice Ketelsen. "Hacemos la simulación [y] tenemos instalaciones en Alemania, EE. UU. y China para ensamblar ciertas piezas, hacer pruebas físicas y analizar los datos y llevarlos de vuelta a producción y adaptar".

Durante el proyecto, Covestro iteró el diseño varias veces, compartiendo detalles y resultados, y luego adaptando el diseño. La comunicación cercana fue importante entre Bmai y el Centro de Experiencia de Innovación APAC de Covestro en Shanghai donde se realizaron una variedad de pruebas incluyendo pruebas de flexión, y pruebas de calidad para idoneidad y rendimiento. La empresa comunicó resultados a Bmai frecuentemente, comunicando las formas en que el producto necesitaba ajustarse.

"No puedes simplemente sentarte y diseñarlo — tienes que probar e iterar", añade Boettcher. "Empresas como Bmai están más acostumbradas a solo hacer y descubrirlo... probando, fallando y luego probando de nuevo".

Iteración y comunicación. El diseñador principal de Bmai Axis Liu trabaja con miembros del equipo de Covestro en el Centro de Experiencia de Innovación APAC de Covestro en Shanghai. Fuente | Covestro

A lo largo de las muchas iteraciones de diseño, Covestro también se encontró equilibrando varias consideraciones adicionales incluyendo la compatibilidad de adhesión del componente con otros materiales en la zapatilla. Sin embargo, la velocidad al mercado también era importante dado el mercado de zapatillas atléticas altamente competitivo donde nuevos estilos debutan rápido. Según Boettcher, la velocidad y agilidad en producir muestras de prueba era esencial.

Lecciones aprendidas

La Bmai 42K Lite fue presentada el año pasado y cumplió los requisitos de la empresa para torsión, estética y rendimiento general. Covestro dice que el proceso de diseño con la zapatilla ofreció insights sobre cómo la empresa podría trabajar con Maezio en otros mercados.

"[La] clave es la interacción con los diseñadores, y la interacción con los que toman decisiones", dice Ketelsen. "Lo que hicimos muy bien en este ejemplo con las zapatillas — y algo que queremos llevar a otras industrias también — fue establecer una hipótesis basada en lo que pensamos es valioso, y luego probar e iterar eso con el cliente".

Según Covestro, Maezio también está atrayendo interés en la industria eléctrica y electrónica, automotriz, tecnología médica, bienes de consumo como electrodomésticos, muebles y equipaje, además de artículos deportivos y zapatillas atléticas.