ピーク パフォーマンスのためのランニング シューズ微調整

運動靴——あるいは一般的にスポーツ用品——の設計に取り組む際、パフォーマンスが鍵です。パフォーマンス シューズを構成する要因は多数あり、要件はシューズ機能により異なります。例えばランニング シューズとバスケットボール シューズでは要件が異なります。ランニング シューズは軽量で柔軟、長距離走行のクッションと安定化を目的としますが、バスケットボール シューズは足首の安定性提供と急な方向転換時の衝撃吸収を目的とします。ランナーが各ステップで着地し蹴り出す仕組みは、新技術の出現に伴いエンジニアによる継続的な評価の対象です。カーボンファイバーのような高性能材料は、ミッドソール、トウ キック、シャンク（足の土踏まず下を走る支持構造）などのシューズ部品で、大幅な重量増なしに剛性を提供できます。

中国のスポーツウェア スタートアップ、Bmai（北京）は、日常消費者が購入できる価格で高性能マラソン シューズを作ることを目標としながら、カーボンファイバーの軽量性と剛性を活用したいと考えました。

「フットウェア イノベーションの主要ドライバーの一つは新材料です」とBmaiリード デザイナー、アクシス・リウ氏。「過去10-20年で材料技術は飛躍的に進歩しました。選択肢となる材料は多数ありますが、より良いサポート、安定性、パフォーマンスを提供する軽量材料が、ブランドが競争優位性を高めるためにますます求められています。」

カーボンファイバーは1990年代から高性能フットウェアで使用され、ナイキやアディダスなどのフットウェア ブランドがエリート アスレチック シューズに採用してきました。カーボンファイバー搭載ランニング シューズは160〜250ドル程度です。例えば、ミッドソールに全長カーボンファイバー プレートを採用したナイキ ズームX ヴェイパーフライは約250ドルで販売されています。ランニング シューズは300-500マイル（週20マイル走行のランナーで4-6か月）ごとに交換が必要と考えると、コストはすぐに膨らみます。Bmaiは、優れた性能を持ちながら、大衆市場向けにアクセスしやすく、美しく、手頃な価格のスニーカーを製造したかったのです。

「ランニングの素晴らしい点の一つは、始めるのに良質な靴一足さえあればいいことです」とリウ氏。「高価なフットウェアを障壁にしたくありません。」

同社は、フラッグシップ ランニング シューズ「Mile 42K」の限定版で、プロトタイプ カーボンファイバー シューズ シャンクをテストすることにしました——レクリエーション マラソン ランナー向け設計です。最終目標は、Bmaiが約399元（約56米ドル）で小売可能な商用シューズを生産できるソリューションを見つけることでした。同社はまた、カーボンファイバーが得意とする捩れ抵抗を提供しながら軽量化も目指しました。

大量生産の可能性。熱可塑性樹脂であるため、Maezioは高歩留まり率、短サイクルタイム、低コストで熱成形可能。出典：コベストロ

調整可能な材料

2018年10月、コベストロ（ドイツ、レバークーゼン；中国、上海）が発表した連続繊維強化熱可塑性（CFRTP）コンポジットの新ブランド「Maezio」。製品ラインには、ポリカーボネート（PC）マトリックス内に浸透したカーボンファイバーから作られる単方向（UD）強化テープとシートが含まれます。コベストロによると、CFRTPは性能、美観、規模の経済性で調整可能で、幅広い業界の製品に使用できます。

Maezioは、高歩留まり率、短サイクルタイム、低コストで熱成形可能で、年間数百万個の部品生産に対応できます。オーバーモールディング、自動テープ積層（ATL）、自動ファイバー配置（AFP）などの他の生産技術も統合可能です。同社はMaezioを、多様な用途での大量生産を可能にする材料イネーブラーと見ています。

「Maezioブランドが、軽量構造、特定強度、仕上げを、先進材料では未到達のスケールで組み合わせて提供することで、次世代製品に価値をもたらせると信じています」とコベストロ熱可塑性コンポジット責任者、リサ・ケーテルセン氏。

Maezioの主な利点はその調整可能性です。厚さわずか120ミクロンのUDテープを異なる角度で積層し、多様な性能と機械的基準を満たすシートを形成できます。結果として得られるシートは強靭、高剛性、軽量で、天然の単方向表面仕上げを持ちます。さらに、CFRTPコンポジットはリサイクル可能です。

適合性

新しいアスレチック フットウェア設計には、アプローチの高い適応性が求められます。修正は設計プロセスの一部であり、多くのテストと反復がしばしば必要です。

「シューズ パフォーマンスは特定目的へのターゲティングが非常に重要です」とMaezio市場開発マネージャー、アルネ・ベットヒャー氏。「用途とアスリートの正確なニーズに合わせて調整できる材料が必要です——それがまさにMaezioです。」

Bmaiによると、Maezioは低密度で剛性を提供するだけでなく、調整の自由度があるためBmaiのシューズに適しています。

「テープの積層方法により、そのシューズの非常に特定のニーズに依存して、異なる剛性や捩れ性能を生成できます」とケーテルセン氏は説明します。

捩れ抵抗。 コベストロのカーボンファイバー シャンクがBmaiのマラソン スニーカーの足の土踏まず下を走ります。出典：コベストロ

薄いが強い。 シャンク厚は通常1-1.2ミリメートル範囲。出典：コベストロ

Bmaiシューズの重量目標を満たすため、シャンクは薄く、かつ捩れ要件を満たす十分な強度が必要でした。これを念頭に、チームはシャンクのプライ数決定に焦点を当てました。コベストロは正確なプライ数とファイバー配向についてはコメントしませんでしたが、典型的なシャンク厚は1-1.2ミリメートルで、45度のファイバー配向が必要な厚さで必要な捩れ抵抗を達成すると仮定しました。この出発点から、コベストロは異なる積層構成をテストし、反復しました。

ケーテルセン氏によると、Bmai向け最適ソリューション設計の鍵は、設計ブレインストーミング セッション、製品調整、異なる構成のシミュレーション、シミュレーションに基づくサンプリング作成、各サンプルの形状切断・スリット、Bmaiへのテスト サンプル納品とフィードバックという高速反復サイクルでした。

コベストロは、構造シミュレーションにABAQUS（ABAQUS Inc.、ロードアイランド州ポータケット）、流動シミュレーションにMOLDFLOW（オートデスク、カリフォルニア州サンラファエル）を標準ソフトウェアとして使用しています。「内部でシミュレートできる特定要件があります」とケーテルセン氏。「シミュレーションし、ドイツ、米国、中国の施設で特定部品を組立、物理試験、データ分析を行い、生産にフィードバックして適応させます。」

プロジェクト期間中、コベストロは設計を数回反復し、詳細と結果を共有し、設計を適応させました。BmaiとコベストロのAPACイノベーション エクスペリエンス センター（上海）での緊密なコミュニケーションが重要でした。そこで曲げ試験、適合性・性能品質試験など多様な試験が実施されました。同社は結果を頻繁にBmaiへ伝達し、製品をどう調整すべきかを伝えました。

「座って設計するだけではダメ——テストと反復が必要です」とベットヒャー氏。「Bmaiのような企業は、ただ『やって』『見つける』ことに慣れています……テストし、失敗し、またテストする。」

反復とコミュニケーション。 Bmaiリード デザイナー アクシス・リウ氏がコベストロAPACイノベーション エクスペリエンス センター上海でチームメンバーと作業。出典：コベストロ

多くの設計反復を通じて、コベストロはシューズ内の他材料との接着相性など、コンポーネントの追加考慮事項のバランスも取る必要がありました。それでも、新スタイルが次々デビューする競争激しいアスレチック シューズ市場では、市場投入スピードも重要でした。ベットヒャー氏によると、テスト サンプル生成におけるスピードと俊敏性が不可欠でした。

得られた教訓

Bmaiの42K Liteは昨年発表され、同社の捩れ、美観、総合パフォーマンス要件を満たしました。コベストロは、シューズとの設計プロセスが、Maezioを他市場でどう活用できるかの洞察を提供したと述べています。

「鍵はデザイナーとの相互作用、意思決定者との相互作用です」とケーテルセン氏。「シューズでのこの例で非常にうまくいったこと——そして他業界にも持ち込みたいこと——は、価値があると考えるものに基づき仮説を立て、それを顧客と共にテストし反復させることでした。」

コベストロによると、Maezioは電気・電子、自動車、医療技術、家電・家具・ラゲッジなどの消費財、さらにスポーツ用品とアスレチック シューズへの関心も集めています。