Placas de Fibra de Carbono Flexíveis: Aumentando Desempenho e Reduzindo Peso em Calçados Esportivos

Placas de entressola, espinhas e outros componentes de fibra de carbono vêm melhorando o desempenho e reduzindo o peso de calçados esportivos de alto nível há anos. No entanto, explica Junus Khan, fundador e presidente da Carbitex Inc. (Kennewick, Washington, EUA), mesmo com compósitos, desenvolvedores de calçados geralmente devem comprometer-se na escolha do material para placas de entressola: a escolha é entre um material rígido o suficiente para sustentar o pé durante a atividade requerida, embora possa ser inflexível e pesado, ou um material leve e flexível, mas que não fornece tanto suporte. Qualquer escolha, ou um material de compromisso entre os dois, torna o calçado — e o usuário — inerentemente ineficiente, algo que a Carbitex diz ter superado através do desenvolvimento de sua linha de produtos de materiais compósitos flexíveis de fibra de carbono/termoplástico.

No entanto, Khan nota que não tinha como objetivo original transformar a indústria de calçados. Há pouco mais de 10 anos, Khan, cujo histórico é em economia, mas que aprendeu sobre compósitos de fibra de carbono trabalhando na indústria automotiva, olhou para o mercado de bagagens e perguntou por que fabricantes de bagagem tentavam imitar a estética de fibra de carbono usando nylon balístico e outros tecidos, em vez de usar fibra de carbono real. Incapaz de encontrar uma empresa que fabricasse um produto de fibra de carbono macio e maleável adequado para o mercado de bagagens, ele decidiu tentar fazer ele mesmo.

Em 2010, Khan começou a investigar vários materiais de fibra de carbono em sua garagem no tempo livre, e em 2011, seu primeiro material e processo foram testados no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia dos EUA. Naquele momento, ele diz: “Eu tinha um conceito viável e uma melhor compreensão do espaço de materiais”, e decidiu transformar este conceito em uma empresa, com o objetivo de continuar o desenvolvimento e finalmente vender o material. A Carbitex Inc. foi fundada em fevereiro de 2012.

De bagagens a calçados

Khan explica que outras empresas desenvolveram tecidos de fibra de carbono semi-flexíveis suspendendo uma única camada de tecido entre dois filmes termoplásticos. “No entanto, quando você puxa esse material em tensão, o modo de falha é aqueles filmes rasgando da superfície do carbono”, ele diz, significando que uma tendência à delaminação pode dificultar a flexibilidade real disponível para o laminado.

Aumentando a flexibilidade. O produto CX6 da Carbitex usa um aglutinante especialmente desenvolvido para aumentar a flexibilidade do laminado comparado a outros materiais compósitos.

O produto CX6 da Carbitex, sua oferta original, também é uma única camada de tecido de fibra de carbono laminada entre filmes termoplásticos. Mas, diz Khan, o tecido é primeiro tratado com um aglutinante especialmente desenvolvido que, de acordo com uma patente dos EUA registrada pela Carbitex em 2015, dá ao tecido laminado “flexibilidade similar a tecido não laminado com filmes poliméricos, e adesão e resistência à tração melhoradas.” Ele adiciona: “Quando você puxa nosso material CX6 em tensão, o modo de falha são as fibras realmente quebrando, não o filme delaminando. Você está realmente obtendo aquela resistência marca registrada da fibra de carbono.” O material também tem propriedades de alongamento muito baixas comparado a outros materiais compósitos, o que a Carbitex encontrou uso em componentes de calçados fabricados com precisão com transferência de potência melhorada.

A Carbitex começou a vender seu primeiro produto CX6 na indústria de bagagens e bolsas para empresas como Tumi (South Plainfield, NJ, EUA), como Khan originalmente pretendia. Rapidamente, porém, a Carbitex começou a receber consultas de várias outras indústrias, como eletrônicos de consumo. Embora o crescimento fosse empolgante, ele diz: “Ao mesmo tempo, começamos a perceber que estávamos nos espalhando muito.” Cerca de três anos atrás, a empresa decidiu focar em um mercado que mostrava mais potencial: calçados.

Hoje, a Carbitex fornece suas placas de fibra de carbono em toda a indústria de calçados, onde são usadas em snowboard, ciclismo, esportes aquáticos, corrida, caminhada, produtos de moda e mais. Uma das aplicações de calçados mais recentes e de mais alto desempenho da empresa é uma chuteira de futebol lançada pela Adidas no outono de 2020.

AFX e DFX: Transformando calçados

Foco em calçados. Embora esperando mover para outras indústrias em breve, até agora a Carbitex coloca a maior parte de seu foco de desenvolvimento na indústria de calçados.

Nos últimos anos, a Carbitex lançou duas novas tecnologias compósitas, chamadas AFX e DFX. Segundo Khan, diferentemente de “compósitos típicos” cuja rigidez é controlada por orientação de fibra e comprimento de camada, a rigidez de uma folha de fibra de carbono da Carbitex é uniforme ao longo de seu comprimento. Onde outros compósitos podem consistir em um tipo de sistema de resina e fibra, ele diz, os materiais da Carbitex são mais complexos, envolvendo camadas intrincadas de folhas de polímero e camadas de tecido, para alcançar as propriedades de flexibilidade desejadas. “Uma versão muito simples do nosso material AFX pode ter dois tipos diferentes de fibra de carbono entre outros dois ou três tipos diferentes de polímero”, ele diz. “É um sistema de camadas intrincado, e você precisa entender como essas camadas devem se juntar para [as propriedades requeridas].”

Geralmente, o processo de fabricação começa com camadas de tecidos, que podem ser tratados com aglutinantes ou outros tratamentos de tecido, e folhas de polímero em um painel. Uma variedade de fibras de diferentes fornecedores é usada, embora Khan diga que a maioria dos produtos da Carbitex inclua fibras da Toray Composite Materials America (Tacoma, Washington, EUA) e frequentemente tecidos spread tow da Hexcel (Stamford, Connecticut, EUA). Polímeros também variam por aplicação, mas são tipicamente termoplásticos para flexibilidade e conformabilidade, “embora às vezes não seja completamente termoplástico, dependendo da aplicação”, ele adiciona.

Estes painéis são consolidados em prensas aquecidas; uma vez removidos, peças individuais são cortadas via jato d’água e conformadas. A fabricação em painéis em vez de deposição de peças individuais leva a maior produção que layups tradicionais, diz Khan.

Processo de fabricação

Primeiro, camadas específicas de tecidos tecidos, pré-impregnados e filmes poliméricos são empilhados juntos em um painel.

Em seguida, o painel é consolidado em uma prensa aquecida.

Componentes específicos são cortados dos painéis curados via jato d’água.

Evitar layup de peça individual atinge maior vazão, diz a Carbitex.

A entressola de compósito de fibra de carbono resultante (na foto um componente DFX) será montada em uma aplicação final de calçado.

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Junto com o equilíbrio entre rigidez e flexibilidade, há um desafio adicional no desenvolvimento de calçados: o pé humano só pode dobrar em uma direção sem hiperextensão ou quebra, então materiais de calçados precisam ter a versatilidade de dobrar em certas direções mas não em outras. A Carbitex consegue isso, diz Khan, através de flambagem controlada, ou dobra, do

Flambagem proposital. O material AFX é projetado para dobrar apenas em uma direção, seguindo as limitações do pé humano.

laminado. “Tipicamente em compósitos, a palavra ‘flambagem’ é atribuída a falha”, diz Khan, “mas encontramos maneiras de permitir que a fibra flambe mas não quebre.” Esta invenção, ele adiciona, foi inicialmente feita por acidente, quando um colega percebeu que uma certa combinação de camadas de fibra e polímero resultou em um material que flambava apenas em uma direção. “Percebemos que tinha que haver algum benefício nisso”, diz Khan, “então começamos a descascar as camadas, para aprender como aconteceu e então entender como poderíamos fazer de propósito.”

O produto resultante é chamado AFX, onde “AF” significa “Assimetricamente Flexível”, indicando que dobra em uma direção mas é completamente rígido na outra. De acordo com um registro de patente de 2018, o produto AFX da Carbitex compreende uma camada de tecido tecido, uma camada de pré-impregnado e, entre elas, pelo menos uma camada de polímero, que são combinadas em uma montagem que é então moldada e curada. “O arranjo em camadas tem alta resistência à dobra em uma primeira direção, e baixa resistência à dobra em uma segunda direção oposta”, diz a patente.

“Nossa tecnologia permite o nível de rigidez e proteção na direção que você quer”, Khan adiciona. Uma bota de caminhada incorporando uma entressola de fibra de carbono AFX, por exemplo, inclui o suporte e rigidez necessários para proteger o pé contra dobrar da maneira errada em terrenos irregulares ou verticais, mas “quando você vai dobrar o pé para caminhar em terreno plano, [a bota é] tão flexível quanto, digamos, um tênis de corrida”, ele diz. AFX também é mais leve que a combinação de placa e materiais de borracha frequentemente usados para reforçar botas de caminhada.

O terceiro produto da Carbitex é chamado DFX, um derivado de AFX que significa “Dinamicamente Flexível”, significando que a rigidez do material dentro do calçado muda conforme o pé se move. Com DFX, “você pode ter [um calçado] que vai ser super flexível em certos ângulos, e então se tornar progressiva ou exponencialmente mais rígido em ângulos maiores”, diz Khan. “Em calçados, isso correlaciona diretamente com desempenho.” De acordo com seu registro de patente de 2020, DFX consiste em pelo menos três camadas montadas e curadas em um laminado: uma camada de tecido tecido flexível com aglutinante aprimorado; uma camada de tecido tecido mais rígida; e pelo menos uma camada de polímero.

Khan nota que um tênis de corrida ou chuteira pode ser macio e flexível quando um atleta caminha para uma pista ou campo, e então, uma vez que o corredor arranca e o pé começa a dobrar em ângulos maiores, o calçado se torna mais rígido para sustentar o movimento. “Empresas não precisam mais comprometer e escolher uma rigidez específica do mediopé — podemos identificar as diferentes funções de uma dada atividade e engenheirar a rigidez em torno disso.”

“Outra forma de ver é que DFX aumenta o desempenho do pé, agindo como músculos ou ligamentos que se tornam flexíveis ou rígidos dependendo de como são esticados. O material AFX age mais como uma articulação como seu cotovelo ou tornozelo — é projetado para dobrar muito bem em um sentido”, ele adiciona.

Flexibilidade dinâmica. Nas chuteiras X Ghosted da Adidas e aplicações similares, o material DFX permite flexibilidade variável dependendo do movimento do usuário.

Cada iteração de material até agora foi especialmente projetada para uma faixa de desempenho particular e nível de integração de manufatura identificado como aplicável à indústria, com espaço para personalização dentro disso, como requisitos específicos de rigidez ou durabilidade. A empresa também oferece amostras personalizadas a clientes potenciais. “Coletamos continuamente dados sobre nossos compósitos e como funcionam e por quê, e construímos nossos próprios sistemas de modelagem para retornar diferentes versões conforme necessário bem rápido. Geralmente dentro de um ou dois dias após receber uma consulta, podemos ter uma amostra personalizada feita e enviada”, Khan adiciona.

Além dos calçados

“Agora, nosso objetivo é continuar expandindo dentro de calçados, e tentar capturar essa oportunidade”, diz Khan. No entanto, uma meta de longo prazo é a empresa crescer em outras indústrias, como aplicações aeroespaciais e médicas.

“Uma indústria que realmente está no topo de nossa mente, tanto como mercado onde nossos produtos teriam verdadeiro benefício quanto como uma que tem semelhanças com calçados, é o reino ortopédico e protético, e talvez até o lado robótico também”, ele diz. Flexibilidade dinâmica em membros protéticos, ele adiciona, é atualmente realizada através de sistemas eletrônicos pesados e caros e atuadores hidráulicos. Khan visualiza uso dos produtos da Carbitex em aplicações como joelheiras ou cintas lombares, onde o material poderia ser engenheirado para prevenir certos movimentos ou hiperextensões, enquanto permite outros movimentos. Ele adiciona: “Com uma cinta, você tipicamente imobiliza parte do corpo de alguém por causa de apenas um movimento que seria realmente ruim para ele. A chave seria fazer uma cinta que limite aquela direção de movimento, mas permita que a pessoa então possa se mover em outras direções.” Em alinhamento com esta meta, a Carbitex começou recentemente desenvolvimento de uma aplicação com uma empresa que faz cintas voltadas para crianças. Os materiais da empresa também foram usados, diz a Carbitex, para desenvolver uma almofada de fibra de carbono para uma manga de compressão projetada para caminhantes, e uma cinta cervical que se conecta ao capacete e ombreiras de um jogador de futebol para evitar que o pescoço estale para trás durante o jogo.

Ao buscar outras aplicações, a Carbitex espera usar seus produtos para eliminar compromissos de material em outras indústrias, como continuamente aspira fazer em calçados. Khan adiciona: “Soa mais legal dizer que você está lutando por produtos que o tornam mais rápido, melhor e mais forte, e estamos fazendo isso — mas no final, sempre buscamos eficiência.”