Affiner les chaussures de course pour une performance optimale

Lorsqu'on aborde la conception d'une chaussure de sport — ou d'équipement sportif en général — la performance est primordiale. De nombreux facteurs composent une chaussure de performance, et les exigences varient selon la fonction de la chaussure ; les chaussures de course ont des exigences différentes des chaussures de basketball, par exemple. Les chaussures de course sont légères et flexibles et conçues pour amortir et stabiliser pour une longue course, tandis que les chaussures de basketball sont conçues pour fournir une stabilité de cheville et absorber les chocs lors de changements brusques de direction. La façon dont une chaussure de course permet à un coureur d'atterrir et de s'élancer à chaque pas est un sujet d'évaluation constante pour les ingénieurs à mesure que de nouvelles technologies émergent. Les matériaux haute performance tels que la fibre de carbone peuvent aider à fournir de la rigidité sans ajouter beaucoup de poids dans des parties de la chaussure telles que la semelle intercalaire, le renfort d'orteil et la tige (une structure de soutien dans la chaussure qui passe sous la voûte plantaire).

La startup chinoise d'articles de sport Bmai (Pékin, Chine) avait pour objectif de fabriquer une chaussure de marathon haute performance à un prix abordable pour les consommateurs quotidiens, mais voulait profiter de la légèreté et de la rigidité de la fibre de carbone.

« L'un des moteurs clés de l'innovation dans la chaussure est les nouveaux matériaux », dit Axis Liu, designer principal pour Bmai. « Les technologies matériaux ont progressé à pas de géant ces une ou deux dernières décennies. Il y a maintenant une pléthore de matériaux parmi lesquels choisir, mais les matériaux plus légers qui offrent un meilleur soutien, stabilité et performance sont de plus en plus recherchés car les marques s'appuient sur eux pour augmenter leurs avantages concurrentiels. »

La fibre de carbone est utilisée dans les chaussures de sport haute performance depuis les années 1990, avec des marques comme Nike et Adidas l'adoptant pour chaussures d'athlètes d'élite. Les chaussures de course avec fibre de carbone peuvent coûter de 160 à 250 $. Par exemple, la Nike ZoomX Vaporfly, qui comporte une plaque en fibre de carbone sur toute la longueur de la semelle intercalaire, se vend environ 250 $. Quand on considère que les chaussures de course doivent être remplacées tous les 300-500 miles, ce qui finit par être tous les 4-6 mois pour un coureur qui fait en moyenne 20 miles par semaine, le coût peut s'accumuler rapidement. Bmai voulait produire une basket qui offre de bonnes performances, tout en étant accessible, esthétiquement attrayante et abordable pour le marché de masse.

« L'une des meilleures choses de la course est qu'il vous faut pretty much juste une bonne paire de chaussures pour commencer », dit Liu. « Nous ne voulons pas que des chaussures chères deviennent une barrière. »

L'entreprise s'est lancée pour tester un prototype de tige en fibre de carbone dans une version édition limitée de sa chaussure de course phare, Mile 42K — un design visant les coureurs de marathon récréatifs. L'objectif ultime était de trouver une solution qui permettrait à Bmai de produire une chaussure commerciale pouvant se vendre autour de 399 yuans (56 USD). La visait aussi à réduire le poids tout en fournissant une résistance à la torsion, ce que la fibre de carbone fait bien.

Possibilités de production à haut volume. Parce qu'il est un thermoplastique, Maezio peut être thermoformé à haut rendement, temps de cycle plus courts et coûts inférieurs. Source : Covestro

Un matériau ajustable

Entrez la nouvelle marque Maezio de composites thermoplastiques renforcés de fibres continues (CFRTP) introduite par Covestro (Leverkusen, Allemagne ; Shanghai, Chine) en octobre 2018. La gamme de produits inclut des bandes et feuilles renforcées unidirectionnelles (UD) faites de fibres de carbone imprégnées dans une matrice polycarbonate (PC). Selon Covestro, le CFRTP peut être ajusté pour la performance, l'esthétique et les économies d'échelle, et peut être utilisé dans des produits dans une large gamme d'industries.

Maezio peut être thermoformé à haut rendement, temps de cycle plus courts et coûts inférieurs pour des millions de pièces par an. D'autres technologies de production comme le surmoulage, le dépôt de bande automatisé (ATL) et le placement de fibres automatisé (AFP) peuvent aussi être intégrés. L'entreprise voit Maezio comme un matériau facilitant la production à haut volume dans une gamme diverse d'applications.

« Nous croyons que la marque Maezio peut apporter de la valeur à une nouvelle génération de produits à travers les industries en livrant une combinaison de construction légère, résistances spécifiques et finitions à une échelle pas encore atteinte par les matériaux avancés », dit Lisa Ketelsen, responsable Thermoplastic Composites pour Covestro.

L'avantage principal de Maezio est sa réglabilité. Les bandes UD, qui ne font que 120 microns d'épaisseur, peuvent être stratifiées à différents angles pour former des feuilles ajustées pour répondre à une variété de critères de performance et mécaniques. Les feuilles résultantes sont fortes, rigides, légères et ont une finition de surface unidirectionnelle naturelle. De plus, les composites CFRTP sont recyclables.

Un bon ajustement

Les nouveaux designs de chaussures de sport nécessitent un haut degré d'adaptabilité dans l'approche. La modification fait partie du processus de design et beaucoup de tests et itérations sont souvent requis.

« [La performance de la chaussure] est très ciblée sur l'objectif spécifique », dit Arne Boettcher, responsable développement marché pour Maezio. « Vous avez besoin d'un matériau que vous pouvez adapter aux besoins exacts de l'application et de l'athlète — et c'est exactement ce qu'est Maezio. »

Bmai dit que Maezio est bien adapté pour la chaussure de Bmai car en plus d'offrir de la rigidité avec une faible densité, le matériau offre la liberté d'ajuster.

« Selon comment vous posez les bandes, le matériau est capable de générer différentes rigidités ou performances de torsion dépendant des besoins très spécifiques de cette chaussure », explique Ketelsen.

Résistance à la torsion. La tige carbone de Covestro passe sous la voûte plantaire dans la basket marathon de Bmai. Source : Covestro

Mince, mais solide. Les épaisseurs de tige sont typiquement dans la gamme 1-1,2 millimètre. Source : Covestro

Afin de rencontrer les cibles de poids pour la chaussure Bmai, la tige devait être mince, mais aussi assez solide pour rencontrer les exigences de torsion. Avec cela en tête, l'équipe s'est concentrée sur la détermination du nombre de plis pour la tige. Bien que Covestro ne commente pas sur le nombre exact de plis ou orientations de fibres, l'entreprise a déclaré que les épaisseurs de tige typiques sont de 1-1,2 mm et a émis l'hypothèse qu'une orientation de fibres à 45 degrés atteindrait la résistance à la torsion requise à l'épaisseur requise. À partir de ce point de départ, Covestro a testé et itéré différentes stratifications.

Selon Ketelsen, la clé pour concevoir la solution optimale pour Bmai était un cycle d'itérations rapides incluant sessions de brainstorming design, ajustement du produit, simulation de différentes compositions, création d'échantillons basés sur les simulations, découpe et fendage de chaque échantillon à la forme, et livraison d'échantillons de test à Bmai pour retour.

Covestro utilise ABAQUS (ABAQUS Inc., Pawtucket, Rhode Island, États-Unis) pour la simulation structurelle et MOLDFLOW (Autodesk, San Rafael, Californie, États-Unis) pour la simulation rhéologique comme logiciels standards. « Il y a certaines exigences que nous pouvons simuler en interne », dit Ketelsen. « Nous faisons la simulation [et] avons des installations en Allemagne, aux États-Unis et en Chine pour assembler certaines pièces, faire des tests physiques et analyser les données et les ramener à la production et adapter. »

Au cours du projet, Covestro a itéré le design plusieurs fois, partageant détails et résultats, et adaptant ensuite le design. Une communication étroite était importante entre Bmai et le Centre d'Innovation APAC de Covestro à Shanghai où une gamme de tests étaient menés incluant tests de flexion, et tests de qualité pour adéquation et performance. L'entreprise relaya les résultats à Bmai fréquemment, communiquant les façons dont le produit devait être ajusté.

« Vous ne pouvez pas juste vous asseoir et le designer — vous devez tester et itérer », ajoute Boettcher. « Des entreprises comme Bmai sont plus habituées à juste faire et trouver... tester, échouer et puis tester encore. »

Itération et communication. Le designer principal de Bmai Axis Liu travaille avec les membres de l'équipe Covestro au Centre d'Innovation APAC de Covestro à Shanghai. Source : Covestro

Tout au long des nombreuses itérations de design, Covestro s'est aussi retrouvé à équilibrer plusieurs considérations additionnelles incluant la compatibilité d'adhésion du composant avec d'autres matériaux dans la chaussure. Néanmoins, la rapidité de mise sur le marché était aussi importante given le marché des chaussures de sport hautement concurrentiel où de nouveaux styles apparaissent rapidement. Selon Boettcher, la rapidité et l'agilité dans la production d'échantillons de test était essentielle.

Leçons apprises

La 42K Lite de Bmai a été dévoilée l'an dernier et a rencontré les exigences de l'entreprise pour la torsion, l'esthétique et la performance globale. Covestro dit que le processus de design avec la chaussure a offert des insights sur comment l'entreprise pourrait travailler avec Maezio dans d'autres marchés.

« [La] clé est l'interaction avec les designers, et l'interaction avec ceux qui prennent les décisions », dit Ketelsen. « Ce que nous avons fait très bien dans cet exemple avec les chaussures — et quelque chose que nous voulons emporter dans d'autres industries — était de poser une hypothèse basée sur ce que nous pensons être précieux, et puis tester et itérer cela avec le client. »

Selon Covestro, Maezio attire aussi l'intérêt dans l'industrie électrique et électronique, automobile, technologie médicale, biens de consommation comme appareils ménagers, meubles et bagages, en plus des articles de sport et chaussures de sport.