柔軟な炭素繊維プレート：アスレチックフットウェアの性能向上と軽量化

炭素繊維ミッドソールプレート、シャンク、その他のコンポーネントは、長年にわたりトップレベルのアスレチックシューズの性能向上と軽量化に貢献してきました。しかし、カーバイトックス社（米国ワシントン州ケネウィック）の創業者兼会長、ジュヌス・カーン氏は、コンポジットでもシューズ開発者はミッドソールプレートの材料選択で妥協を強いられると説明します。必要な活動中に足を支える十分な剛性があるが、硬くて重い材料か、軽量で柔軟だが十分なサポートを提供しない材料か、あるいはその中間の妥協材料かの選択です。どちらを選んでも、靴、そして着用者は本質的に非効率的になります。カーバイトックスは、柔軟な炭素繊維/熱可塑性複合材料の製品ラインを開発することで、この課題を克服したとしています。

しかしカーン氏は、もともとフットウェア業界を変革しようとしたわけではないと指摘します。10年少し前、経済学のバックグラウンドを持ち、自動車業界での仕事を通じて炭素繊維複合材を学んだカーン氏は、ラゲッジ市場を見て、なぜラゲッジメーカーが実際の炭素繊維を使わず、バリスティックナイロンや他の生地で炭素繊維の美観を模倣しようとするのか疑問に思いました。ラゲッジ市場向けに柔らかく柔軟な炭素繊維製品を作る会社が見つからず、自分で作ってみることにしました。

2010年、カーン氏はガレージで空き時間に様々な炭素繊維材料を研究し、2011年には最初の材料とプロセスが米国エネルギー省太平洋北西国立研究所で試験されました。その時点で「実行可能なコンセプトと、材料空間のより良い理解を得た」と判断し、このコンセプトを会社化し、開発を継続し、最終的に材料を販売することを決意。カーバイトックス社は2012年2月に設立されました。

ラゲッジからフットウェアへ

カーン氏によると、他社は単一プライの生地を2枚の熱可塑性フィルムの間に挟むことで半柔軟な炭素繊維生地を開発してきました。「しかし、その材料を引っ張ると、破壊モードはそれらのフィルムが炭素繊維表面から剥がれることになります」と同氏。つまり、剥離傾向がラミネートの実際の柔軟性を妨げる可能性があります。

カーバイトックスのCX6製品（オリジナル製品）も、単一プライの炭素繊維生地を熱可塑性フィルムの間に挟んだものです。しかしカーン氏によると、生地はまず特別に開発されたバインダーで処理され、2015年出願の米国特許によると、このバインダーによりラミネート生地に「ポリマーフィルムでラミネートされていない生地と同様の柔軟性、および向上した接着性と引張強度」が与えられます。同氏は「CX6材料を引っ張ると、破壊モードはフィルムの剥離ではなく、繊維自体が破断します。炭素繊維のトレードマークである強度を真に得られます。」と付け加えます。この材料は他の複合材料と比較して非常に低い伸び特性を持ち、カーバイトックスはこれを精密製造フットウェアコンポーネントへの応用で、動力伝達の向上に役立てました。

カーバイトックスは最初、ツミ（米国ニュージャージー州サウスプレインフィールド）などの企業に、カーン氏が当初目指していたラゲッジ・ハンドバッグ業界向けに最初のCX6製品を販売し始めました。しかしすぐに、家電など様々な他業界から問い合わせが来るようになりました。成長はエキサイティングでしたが、「同時に、我々が手を広げすぎていることに気づきました」と同氏。約3年前、最も可能性を示した一つの市場、フットウェアに集中する決定をしました。

今日、カーバイトックスはフットウェア業界全体に炭素繊維プレートを供給しており、スノーボード、サイクリング、ウォータースポーツ、ランニング、ハイキング、ファッション製品などで使用されています。同社の最も最近かつ最高性能のフットウェア用途の一つは、2020年秋にアディダスから発売されたサッカースパイクです。

AFXとDFX：フットウェアを変革

過去数年間、カーバイトックスはAFXとDFXと呼ばれる2つの新しい複合材料技術をリリースしました。カーン氏によると、「典型的な複合材」の剛性が繊維配向とプライ長で制御されるのに対し、カーバイトックスの炭素繊維シートの剛性はその長さ全体で均一です。他の複合材が一種類の樹脂システムと繊維で構成されるのに対し、カーバイトックスの材料はより複雑で、ポリマーシートと生地層の複雑な積層により、望ましい柔軟性特性を達成しています。「非常にシンプルなバージョンのAFX材料でも、2種類の異なる炭素繊維が、さらに2〜3種類の異なるポリマーの間にサンドイッチされているかもしれません」と同氏。「複雑な積層システムであり、それらの層が[必要な]特性のためにどう組み合わさるかを理解する必要があります。」

一般的に製造プロセスは、生地（バインダーやその他の生地処理で処理されたものも含む）とポリマーシートをパネルに積層するところから始まります。様々なサプライヤーからの繊維が使用されますが、カーン氏によると、カーバイトックスの製品の多くには東レコンポジットマテリアルズアメリカ（米国ワシントン州タコマ）の繊維と、ヘクセル（米国コネチカット州スタンフォード）のスプレッドトウ生地が含まれることが多いとのこと。ポリマーも用途によって異なりますが、柔軟性と成形性のために通常は熱可塑性、「ただし用途によっては完全に熱可塑性ではないこともあります」と同氏。

これらのパネルはヒートプレスで統合され、取り出された後、個々の部品がウォータージェットで切断され成形されます。個々の部品を積層するのではなくパネルで製造することで、従来の積層より高いスループットが得られるとカーン氏は述べています。

製造プロセス

1. 特定の織物、プリプレグ、ポリマーフィルムの層をパネルに積層します。
2. パネルをヒートプレスで統合します。
3. 硬化パネルからウォータージェットで特定部品を切り出します。
4. 個別部品積層を避けることで高スループットを達成します。
5. 結果として得られる炭素繊維コンポジットミッドソール（写真はDFXコンポーネント）が最終フットウェア用途に組み立てられます。

剛性と柔軟性のバランスに加え、フットウェア開発にはさらなる課題があります。人間の足は、過伸展や骨折なしに一方向にしか曲げられないため、シューズ材料は特定の方向には曲がるが、他方向には曲がらない汎用性が必要です。カーバイトックスは、ラミネートの制御された座屈（曲げ）によってこれを実現するとカーン氏は説明します。

「典型的な複合材では、『座屈』という言葉は破壊に帰属されます」とカーン氏。「しかし、繊維を座屈させつつ破断させない方法を見つけました。」この発明は当初は偶然だったと同氏。ある同僚が、特定の繊維とポリマー層の組み合わせが、一方向にのみ座屈する材料を生み出したことに気づいたのです。「何らかのメリットがあるはずだと気づき、層を剥がしてどうなったかを学び、意図的に再現する方法を理解し始めました。」

その結果生まれた製品がAFXで、「AF」は「非対称柔軟（Asymmetrically Flexible）」を意味し、一方向には曲がるが反対方向では完全に剛性であることを示します。2018年特許出願によると、カーバイトックスのAFX製品は、織物層、プリプレグ層、その間に少なくとも1層のポリマー層を備え、これらをアセンブリに組み合わせ、成形・硬化させたものです。「この積層配置は、第一方向への曲げに高い抵抗を持ち、相反する第二方向への曲げに低い抵抗を持ちます」と特許に記載されています。

「我々の技術は、望む方向に剛性と保護のレベルを可能にします」とカーン氏。例えばAFX炭素繊維ミッドソールを採用したハイキングブーツは、不整地や垂直地形で足が間違った方向に曲がるのを防ぐサポートと剛性を提供しつつ、「平地で歩くために足を曲げると、ランニングシューズと同様に柔軟になります」と同氏。AFXは、ハイキングブーツの補強によく使われるボードとゴム材料の組み合わせよりも軽量です。

カーバイトックスの第3の製品はDFXと呼ばれ、AFXの派生形で「動的柔軟（Dynamically Flexible）」を意味し、靴内での足の動きに応じて材料の剛性が変化します。DFXでは、「ある角度では超柔軟で、より高い角度では漸進的または指数関数的に硬くなる」シューズを実現できるとカーン氏。「フットウェアでは、これは直接パフォーマンスに直結します。」2020年特許出願によると、DFXは少なくとも3層（バインダー強化柔軟織物層、より剛性の高い織物層、少なくとも1層のポリマー層）を組み立て・硬化させた単一ラミネートで構成されます。

カーン氏によると、ランニングシューズやスパイクは、選手がトラックやフィールドに入る時は柔らかく柔軟で、走り出して足がより高い角度で曲がり始めると、動きを支えるために硬くなるとのこと。「企業はもはや特定のミッドフット剛性を選んで妥協する必要がなく、与えられた活動の異なる機能を特定し、それに合わせて剛性を設計できます。」

「別の見方をすれば、DFXは足のパフォーマンスを拡張し、伸ばされる方向に応じて柔軟または硬くなる筋肉や靭帯のように機能します。AFX材料は、肘や足首のような関節のようです——一方向には非常によく曲がるように設計されています。」

これまでの各材料イテレーションは、業界に適用可能と特定された特定の性能レンジと製造統合レベル向けに特別に設計されており、その中で特定の剛性や耐久性要件などのカスタマイズの余地があります。同社は潜在顧客向けにカスタムサンプルも提供しています。「我々はコンポジットの働きと理由について継続的にデータを収集し、独自のモデリングシステムを構築しており、必要に応じて様々なバージョンをかなり迅速に対応できます。通常、問い合わせ受領から1〜2日でカスタムサンプルを作成し発送できます」とカーン氏。

フットウェアを超えて

「現在の目標はフットウェア内での拡大を続け、その機会を捉えることです」とカーン氏。しかし、長期目標は航空宇宙や医療用途など他業界への成長です。

「我々にとって本当にトップオブマインドな業界の一つは、製品に真のメリットがあり、フットウェアといくつかの類似点もある整形外科と義肢の分野、おそらくロボティクス側面もです」と同氏。義肢での動的柔軟性は現在、重く高価な電子システムと油圧アクチュエータで実現されています。カーン氏は、膝や背中の装具などへのカーバイトックス製品の使用を想像しています。そこでは、特定の動きや過伸展を防ぎながら、他の動きを可能にするよう材料を設計できます。「装具では、たった一つの悪い動きのために身体の一部を固定するのが典型的です。鍵は、その一つの方向の動きを制限しつつ、他の方向への動きを可能にする装具を作ることです。」この目標に沿って、カーバイトックスは最近、子供向け装具を作る企業とのアプリケーション開発を開始しました。同社の材料は、ハイカー向け圧縮スリーブ用炭素繊維パッドや、フットボール選手のヘルメットとショルダーパッドに接続し首を後ろに折れないようにするネックブレイスの開発にも使用されたとのことです。

他の用途を追求する中で、カーバイトックスはフットウェアで継続的に目指しているように、他業界でも材料の妥協を排除するために製品を使用したいと考えています。カーン氏は「より速く、より良く、より強くする製品を目指していると言うのはクールですが、我々はそれをやっています——しかし究極的には、常に効率を追求しています。」