Ajuste Fino de Tênis de Corrida para Desempenho Máximo

Ao abordar o design para um tênis atlético — ou para equipamentos esportivos em geral — o desempenho é fundamental. Numerosos fatores compõem um tênis de desempenho, e os requisitos variam pela função do tênis; tênis de corrida têm requisitos diferentes de tênis de basquete, por exemplo. Tênis de corrida são leves e flexíveis e projetados para amortecer e estabilizar para uma longa corrida, enquanto tênis de basquete são projetados para fornecer estabilidade no tornozelo e absorver choque durante mudanças bruscas de direção. Como um tênis de corrida permite que um corredor pouse e impulso para cada passo é um assunto de constante avaliação para engenheiros à medida que novas tecnologias emergem. Materiais de alto desempenho como fibra de carbono podem ajudar a fornecer rigidez sem adicionar muito peso em partes de um tênis como entressola, chute do dedo e shank (uma estrutura de suporte no tênis que corre sob o arco do pé).

A startup chinesa de artigos esportivos Bmai (Pequim, China) tinha o objetivo de fazer um tênis de maratona de alto desempenho a um preço que consumidores cotidianos possam pagar, mas queria aproveitar a leveza e rigidez da fibra de carbono.

"Um dos principais impulsionadores para inovação em calçados é novos materiais", diz Axis Liu, designer líder da Bmai. "Tecnologias de materiais avançaram a passos largos nas últimas uma ou duas décadas. Agora há uma infinidade de materiais para escolher, mas materiais mais leves que fornecem melhor suporte, estabilidade e desempenho são cada vez mais procurados à medida que marcas confiam neles para aumentar suas vantagens competitivas."

A fibra de carbono tem sido usada em calçados de alto desempenho desde os anos 1990, com marcas de calçados como Nike e Adidas adotando-a para tênis atléticos de elite. Tênis de corrida com fibra de carbono podem variar de $160 a $250. Por exemplo, o Nike ZoomX Vaporfly, que apresenta uma placa de fibra de carbono de comprimento total na entressola, vende por cerca de $250. Quando você considera que tênis de corrida precisam ser substituídos a cada 300-500 milhas, o que acaba sendo a cada 4-6 meses para um corredor que média 20 milhas por semana, o custo pode aumentar rapidamente. A Bmai queria produzir um tênis que tivesse bom desempenho, mas fosse acessível, esteticamente atraente e acessível para o mercado de massa.

"Uma das melhores coisas sobre corrida é que você basicamente só precisa de um par de sapatos de boa qualidade para começar", diz Liu. "Não queremos que calçados caros se tornem uma barreira."

A empresa começou a testar um protótipo de shank de fibra de carbono em uma versão de edição limitada de seu tênis de corrida principal, Mile 42K — um design voltado para corredores de maratona recreativos. O objetivo final era encontrar uma solução que permitisse à Bmai produzir um tênis comercial que pudesse vender por cerca de 399 yuan ($56 USD). A empresa também visava reduzir peso enquanto fornecia resistência à torção, o que a fibra de carbono faz bem.

Possibilidades de produção em alto volume. Por ser um termoplástico, Maezio pode ser termoformado em altas taxas de rendimento, tempos de ciclo mais curtos e custos menores. Fonte: Covestro

Um material ajustável

Chega a nova marca Maezio de compósitos termoplásticos reforçados com fibra contínua (CFRTP) introduzida pela Covestro (Leverkusen, Alemanha; Xangai, China) em outubro de 2018. A linha de produtos inclui fitas e chapas reforçadas unidirecional (UD) feitas de fibras de carbono impregnadas em uma matriz de policarbonato (PC). Segundo a Covestro, o CFRTP pode ser ajustado para desempenho, estética e economias de escala, e pode ser usado em produtos em uma ampla gama de indústrias.

O Maezio pode ser termoformado em altas taxas de rendimento, tempos de ciclo mais curtos e custos menores para milhões de peças por ano. Outras tecnologias de produção como overmolding, colocação automática de fita (ATL) e colocação automática de fibra (AFP) também podem ser integradas. A empresa vê o Maezio como um habilitador de material para produção em alto volume em uma gama diversificada de aplicações.

"Acreditamos que a marca Maezio pode trazer valor a uma nova geração de produtos across indústrias ao entregar uma combinação de construção leve, resistências específicas e acabamentos em uma escala ainda não alcançada por materiais avançados", diz Lisa Ketelsen, chefe de Compósitos Termoplásticos da Covestro.

A principal vantagem do Maezio é sua ajustabilidade. As fitas UD, que têm apenas 120 mícrons de espessura, podem ser laminadas em diferentes ângulos para formar chapas ajustadas para atender a uma variedade de critérios de desempenho e mecânicos. Chapas resultantes são fortes, rígidas, leves e têm um acabamento superficial unidirecional natural. Além disso, compósitos CFRTP são recicláveis.

Um bom ajuste

Novos designs de calçados atléticos requerem alto grau de adaptabilidade na abordagem. Modificação é parte do processo de design e uma grande quantidade de testes e iteração é frequentemente necessária.

"[Desempenho do tênis] é muito direcionado ao objetivo específico", diz Arne Boettcher, gerente de desenvolvimento de mercado para Maezio. "Você precisa de um material que possa adaptar às necessidades exatas da aplicação e do atleta — e é exatamente isso que o Maezio é."

A Bmai diz que o Maezio é bem adequado para o tênis da Bmai porque, além de oferecer rigidez com baixa densidade, o material oferece a liberdade de ajustar.

"Dependendo de como você coloca as fitas, o material é capaz de gerar diferentes rigidezes ou desempenho de torção dependente de necessidades muito específicas daquele tênis", explica Ketelsen.

Resistência à torção. O shank de fibra de carbono da Covestro corre sob o arco do pé no tênis de maratona da Bmai. Fonte: Covestro

Fino, mas forte. Espessuras de shank são tipicamente na faixa de 1-1,2 milímetros. Fonte: Covestro

Para atingir metas de peso para o tênis Bmai, o shank precisaria ser fino, mas também forte o suficiente para atender aos requisitos de torção. Com isso em mente, a equipe focou em determinar contagem de camadas para o shank. Embora a Covestro não comentasse sobre número exato de camadas ou orientações de fibra, a empresa afirmou que espessuras típicas de shank são 1-1,2 milímetros e hipotetizou que uma orientação de fibra de 45 graus alcançaria a resistência à torção necessária na espessura requerida. A partir desse ponto de partida, a Covestro testou e iterou diferentes layups.

Segundo Ketelsen, a chave para projetar a solução ideal para a Bmai foi um ciclo de iterações rápidas que incluiu sessões de brainstorming de design, ajuste do produto, simulação de diferentes composições, criação de amostragem baseada nas simulações, corte e fendimento de cada amostra no formato, e entrega de amostras de teste para a Bmai para feedback.

A Covestro usa ABAQUS (ABAQUS Inc., Pawtucket, RI, EUA) para simulação estrutural e MOLDFLOW (Autodesk, San Rafael, Califórnia, EUA) para simulação reológica como software padrão. "Existem certos requisitos que podemos simular internamente", diz Ketelsen. "Fazemos a simulação [e] temos instalações na Alemanha, EUA e China para montar certas peças, fazer testes físicos e analisar os dados e levá-los de volta à produção e adaptar."

Durante o projeto, a Covestro iterou o design várias vezes, compartilhando detalhes e resultados, e então adaptando o design. Comunicação próxima foi importante entre a Bmai e o Centro de Experiência de Inovação APAC da Covestro em Xangai onde uma gama de testes foram conduzidos incluindo testes de flexão, e testes de qualidade para adequação e desempenho. A empresa transmitiu resultados à Bmai frequentemente, comunicando as maneiras pelas quais o produto precisava ser ajustado.

"Você não pode apenas sentar e projetar — você tem que testar e iterar", adiciona Boettcher. "Empresas como a Bmai estão mais acostumadas a apenas fazer e descobrir ... testar, falhar e testar novamente."

Iteração e comunicação. Designer líder da Bmai Axis Liu trabalha com membros da equipe da Covestro no Centro de Experiência de Inovação APAC da Covestro em Xangai. Fonte: Covestro

Ao longo das muitas iterações de design, a Covestro também se viu equilibrando várias considerações adicionais incluindo compatibilidade de adesão do componente com outros materiais no tênis. No entanto, velocidade para o mercado também era importante dado o mercado de tênis atléticos altamente competitivo onde novos estilos estreiam rapidamente. Segundo Boettcher, velocidade e agilidade na produção de amostras de teste era essencial.

Lições aprendidas

O 42K Lite da Bmai foi revelado no ano passado e atendeu aos requisitos da empresa para torção, estética e desempenho geral. A Covestro diz que o processo de design com o tênis ofereceu insights sobre como a empresa pode trabalhar com Maezio em outros mercados.

"[A] chave é a interação com os designers, e a interação com aqueles que tomam decisões", diz Ketelsen. "O que fizemos muito bem neste exemplo com os tênis — e algo que queremos levar para outras indústrias também — foi configurar uma hipótese baseada no que achamos que é valioso, e então testar e iterar isso com o cliente."

Segundo a Covestro, o Maezio também está atraindo interesse na indústria elétrica e eletrônica, automotiva, tecnologia médica, bens de consumo como eletrodomésticos, móveis e bagagens, além de artigos esportivos e tênis atléticos.