Plaques en fibre de carbone flexibles : performance accrue et poids réduit dans les chaussures de sport

Les plaques de semelle intermédiaire, éperons et autres composants en fibre de carbone améliorent la performance et réduisent le poids des chaussures de sport de haut niveau depuis des années. Cependant, explique Junus Khan, fondateur et président de Carbitex Inc. (Kennewick, Washington, États-Unis), même avec les composites, les développeurs de chaussures doivent généralement faire des compromis en matière de choix de matériau pour les plaques de semelle intermédiaire : le choix est entre un matériau assez rigide pour soutenir le pied pendant l'activité requise, bien qu'il puisse être inflexible et lourd, ou un matériau léger et flexible, mais qui ne fournit pas autant de soutien. L'un ou l'autre choix, ou un matériau de compromis quelque part entre les deux, rend la chaussure — et le porteur — intrinsèquement inefficace, quelque chose que Carbitex dit avoir pu surmonter grâce au développement de sa gamme de produits de matériaux composites flexibles fibre de carbone/thermoplastique.

Cependant, note Khan, il n'avait pas initialement pour but de transformer l'industrie de la chaussure. Il y a un peu plus de 10 ans, Khan, dont le parcours est en économie mais qui a appris les composites fibre de carbone en travaillant dans l'industrie automobile, a regardé le marché des bagages et s'est demandé pourquoi les fabricants de bagages essayaient d'imiter l'esthétique de la fibre de carbone en utilisant du nylon balistique et d'autres tissus, au lieu d'utiliser de la vraie fibre de carbone. Incapable de trouver une entreprise qui fabriquait un produit en fibre de carbone souple et pliable adapté au marché des bagages, il a décidé d'essayer de le faire lui-même.

En 2010, Khan a commencé à étudier divers matériaux en fibre de carbone dans son garage pendant son temps libre, et en 2011, son premier matériau et procédé ont été testés au Laboratoire National du Pacifique Nord-Ouest du Département de l'Énergie des États-Unis. À ce moment-là, dit-il, « J'avais un concept viable, et une meilleure compréhension de l'espace des matériaux », et il a décidé de transformer ce concept en entreprise, avec pour objectif de continuer le développement et finalement de vendre le matériau. Carbitex Inc. a été fondée en février 2012.

Des bagages à la chaussure

Khan explique que d'autres entreprises ont développé des tissus en fibre de carbone semi-flexibles en suspendant un seul pli de tissu entre deux films thermoplastiques. « Cependant, quand vous tirez ce matériau en tension, le mode de rupture est ces films qui s'arrachent de la surface du carbone », dit-il, signifiant qu'une tendance à la délamination peut entraver la quantité de flexibilité réelle disponible pour le stratifié.

Flexibilité accrue. Le produit CX6 de Carbitex utilise un liant spécialement développé pour augmenter la flexibilité du stratifié par rapport aux autres matériaux composites.

Le produit CX6 de Carbitex, son offre originale, est aussi un seul pli de tissu en fibre de carbone stratifié entre des films thermoplastiques. Mais, dit Khan, le tissu est d'abord traité avec un liant spécialement développé qui, selon un brevet américain déposé par Carbitex en 2015, donne au tissu stratifié « une flexibilité similaire à un tissu non stratifié avec des films polymères, et une adhésion et une résistance à la traction améliorées. » Il ajoute : « Quand vous tirez notre matériau CX6 en tension, le mode de rupture est les fibres qui cassent réellement, pas le film qui délamine. Vous obtenez vraiment cette résistance emblématique de la fibre de carbone. » Le matériau a aussi des propriétés d'étirement très faibles comparé aux autres matériaux composites, ce que Carbitex a trouvé une utilité pour des composants de chaussures fabriqués avec précision avec un transfert de puissance amélioré.

Carbitex a commencé à vendre son premier produit CX6 dans l'industrie des bagages et sacs à main à des entreprises comme Tumi (South Plainfield, New Jersey, États-Unis), comme Khan l'avait initialement prévu. Rapidement, cependant, Carbitex a commencé à recevoir des demandes de renseignements de divers autres secteurs, comme l'électronique grand public. Bien que la croissance soit excitante, il dit : « En même temps, nous avons commencé à réaliser que nous nous éparpillions trop. » Il y a environ trois ans, l'entreprise a pris la décision de se concentrer sur un marché qui montrait le plus de potentiel : la chaussure.

Aujourd'hui, Carbitex fournit ses plaques en fibre de carbone à travers l'industrie de la chaussure, où elles sont utilisées en snowboard, cyclisme, sports nautiques, course, randonnée, produits de mode et plus. L'une des applications de chaussures les plus récentes et les plus performantes de l'entreprise est un crampon de football sorti par Adidas à l'automne 2020.

AFX et DFX : Transformer la chaussure

Focus sur la chaussure. Bien qu'attendant de passer à d'autres industries bientôt, jusqu'à présent Carbitex met la plupart de son focus de développement à travers l'industrie de la chaussure.

Au cours des dernières années, Carbitex a lancé deux nouvelles technologies composites, appelées AFX et DFX. Selon Khan, contrairement aux « composites typiques » dont la rigidité est contrôlée par l'orientation des fibres et la longueur des plis, la rigidité d'une feuille de fibre de carbone Carbitex est uniforme sur sa longueur. Là où d'autres composites peuvent consister en un type de système de résine et de fibre, dit-il, les matériaux de Carbitex sont plus complexes, impliquant des couches complexes de feuilles de polymères et de couches de tissu, pour atteindre les propriétés de flexibilité souhaitées. « Une version très simple de notre matériau AFX pourrait avoir deux types différents de fibre de carbone sandwichés entre deux ou trois types différents de polymère », dit-il. « C'est un système de stratification complexe, et vous devez comprendre comment ces couches doivent se réunir pour [les propriétés requises]. »

Généralement, le processus de fabrication commence par l'empilement de tissus, qui peuvent être traités avec des liants ou d'autres traitements de tissu, et de feuilles de polymères en un panneau. Une variété de fibres de différents fournisseurs sont utilisées, bien que Khan dise que la plupart des produits de Carbitex incluent des fibres de Toray Composite Materials America (Tacoma, Washington, États-Unis) et souvent des tissus spread tow d'Hexcel (Stamford, Connecticut, États-Unis). Les polymères varient aussi selon l'application, mais sont généralement thermoplastiques pour la flexibilité et la formabilité, « bien que parfois ce ne soit pas complètement thermoplastique, selon l'application », ajoute-t-il.

Ces panneaux sont consolidés dans des presses chauffées ; une fois retirés, les pièces individuelles sont découpées au jet d'eau et formées. La fabrication en panneaux plutôt que la stratification de pièces individuelles conduit à un rendement plus élevé que les stratifications traditionnelles, dit Khan.

Procédé de fabrication

1. Premièrement, des couches spécifiques de tissus tissés, préimprégnés et films polymères sont empilées ensemble en un panneau.
2. Ensuite, le panneau est consolidé dans une presse chauffée.
3. Des composants spécifiques sont découpés des panneaux polymérisés via jet d'eau.
4. Éviter la stratification de pièces individuelles atteint un débit plus élevé, dit Carbitex.
5. La semelle intermédiaire composite en fibre de carbone résultante (photo : composant DFX) sera assemblée dans une application de chaussure finale.

En plus d'équilibrer rigidité et flexibilité, il y a un défi supplémentaire pour développer des chaussures : le pied humain ne peut fléchir que dans une direction sans sur-extension ou rupture, donc les matériaux de chaussures doivent avoir la polyvalence de fléchir dans certaines directions mais pas d'autres. Carbitex y parvient, dit Khan, par flambement contrôlé, ou pliage, du stratifié. « Typiquement dans les composites, le mot "flambage" est attribué à la rupture », dit Khan, « mais nous avons trouvé des façons de permettre à la fibre de flamber mais pas de casser. » Cette invention, ajoute-t-il, a été initialement faite par accident, quand un collègue a réalisé qu'une certaine combinaison de couches de fibres et de polymères avait résulté en un matériau qui flambait dans une seule direction. « Nous avons réalisé qu'il devait y avoir un certain avantage à cela », dit Khan, « alors nous avons commencé à décoller les couches, pour apprendre comment cela s'est produit et puis comprendre comment nous pourrions le faire exprès. »

Le produit résultant s'appelle AFX, où « AF » signifie « Asymmetrically Flexible » (flexible de manière asymétrique), indiquant qu'il fléchit dans une direction mais est complètement rigide dans l'autre. Selon un dépôt de brevet de 2018, le produit AFX de Carbitex comprend une couche de tissu tissé, une couche de préimprégné et, entre les deux, au moins une couche de polymère, qui sont combinées en un assemblage qui est ensuite formé et polymérisé. « L'arrangement en couches a une haute résistance au pliage dans une première direction, et une faible résistance au pliage dans une seconde direction opposée », dit le brevet.

« Notre technologie permet le niveau de rigidité et de protection dans la direction que vous voulez », ajoute Khan. Une botte de randonnée incorporant une semelle intermédiaire en fibre de carbone AFX, par exemple, inclut le soutien et la rigidité nécessaires pour protéger le pied contre le pliage dans le mauvais sens sur des terrains inégaux ou verticaux, mais « quand vous allez plier votre pied pour marcher sur un sol plat, [la botte] est juste aussi flexible que, disons, une chaussure de course », dit-il. AFX est aussi plus léger que la combinaison de matériaux planche et caoutchouc souvent utilisés pour renforcer les bottes de randonnée.

Le troisième produit de Carbitex s'appelle DFX, un dérivé d'AFX qui signifie « Dynamically Flexible » (flexible dynamiquement), signifiant que la rigidité du matériau dans la chaussure change à mesure que le pied bouge. Avec DFX, « vous pouvez avoir [une chaussure] qui va être super flexible à certains angles, et puis devenir progressivement ou exponentiellement plus rigide à des angles plus élevés », dit Khan. « Dans la chaussure, cela se corrèle directement à la performance. » Selon son dépôt de brevet de 2020, DFX consiste en au moins trois couches assemblées et polymérisées en un stratifié : une couche de tissu tissé flexible améliorée par liant ; une couche de tissu tissé plus rigide ; et au moins une couche de polymère.

Khan note qu'une chaussure de course ou un crampon peut être souple et flexible quand un athlète marche sur une piste ou sur un terrain, et puis, une fois que le coureur démarre et que le pied commence à fléchir à des angles plus élevés, la chaussure deviendra plus rigide pour soutenir le mouvement. « Les entreprises n'ont plus à faire de compromis et choisir une rigidité spécifique du médio-pied — nous pouvons identifier les différentes fonctions d'une activité donnée et concevoir la rigidité autour de cela. »

« Une autre façon de le voir est que DFX augmente la performance du pied, agissant comme des muscles ou ligaments qui deviennent flexibles ou rigides selon la façon dont ils sont étirés. Le matériau AFX agit plus comme une articulation comme votre coude ou votre cheville — il est conçu pour fléchir vraiment bien dans un sens », ajoute-t-il.

Flexibilité dynamique. Dans les crampons de football X Ghosted d'Adidas et applications similaires, le matériau DFX permet une flexibilité changeante selon le mouvement du porteur.

Chaque itération de matériau jusqu'à présent a été spécialement conçue pour une gamme de performance particulière et un niveau d'intégration de fabrication identifié comme applicable à l'industrie, avec de la place pour la personnalisation dans cela, comme des exigences de rigidité ou de durabilité spécifiques. L'entreprise offre aussi des échantillons personnalisés aux clients potentiels. « Nous rassemblons continuellement des données sur nos composites et comment ils fonctionnent et pourquoi, et avons construit nos propres systèmes de modélisation pour tourner différentes versions selon les besoins assez rapidement. Habituellement dans un jour ou deux après avoir reçu une demande, nous pouvons avoir un échantillon personnalisé fait et sorti », ajoute Khan.

Au-delà de la chaussure

« Actuellement, notre objectif est de continuer à nous étendre dans la chaussure, et d'essayer de saisir cette opportunité », dit Khan. Cependant, un objectif à long terme est que l'entreprise grandisse dans d'autres industries, comme l'aérospatial et les applications médicales.

« Une industrie qui est vraiment en tête de liste pour nous, à la fois comme un marché où nos produits auraient un vrai avantage et aussi comme une qui a des similarités avec la chaussure, est le domaine orthopédique et prothétique, et peut-être même le côté robotique aussi », dit-il. La flexibilité dynamique dans les membres prothétiques, ajoute-t-il, est actuellement accomplie à travers des systèmes électroniques lourds et coûteux et des actionneurs hydrauliques. Khan envisage l'utilisation des produits de Carbitex dans des applications telles que genouillères ou dorsales, où le matériau pourrait être conçu pour prévenir certains mouvements ou hyperextensions, tout en permettant d'autres mouvements. Il ajoute : « Avec une attelle, vous immobilisez généralement une partie du corps de quelqu'un à cause d'un seul mouvement qui serait vraiment mauvais pour elle. La clé serait de faire une attelle qui limite cette direction de mouvement, mais permet à la personne de bouger dans d'autres directions. » En alignement avec cet objectif, Carbitex a récemment commencé le développement d'une application avec une entreprise qui fabrique des attelles destinées aux enfants. Les matériaux de l'entreprise ont aussi été utilisés, dit Carbitex, pour développer un coussin en fibre de carbone pour une manche de compression conçue pour les randonneurs, et une minerve qui se connecte au casque et aux protections d'épaules d'un joueur de football pour empêcher le cou de se briser vers l'arrière pendant le jeu.

En poursuivant d'autres applications, Carbitex espère utiliser ses produits pour éliminer les compromis de matériaux dans d'autres industries, comme elle aspire continuellement à le faire dans la chaussure. Khan ajoute : « Cela sonne plus cool de dire que vous visez des produits qui vous rendent plus rapide, meilleur et plus fort, et nous faisons cela — mais ultimement, nous poussons toujours pour l'efficacité. »