GETACKELD WORDEN ZONDER BLAUWE PLEKKEN?

Artikel

IDE442 MATERIALISEREN

2002

GETACKELD WORDEN ZONDER BLAUWE PLEKKEN? EEN VERBETERD DRAAGCOMFORT VAN EEN SHOULDERPAD VOOR AMERICAN FOOTBALL M. van der Griendt, H.M. Hendriks, T.A. LeGrand, A.M. van Manen & M.A. Zomer American Football is een van de populairste sporten in Amerika. Elk jaar zijn er meer dan 35 miljoen mensen die deze sport volgen en duizenden amateurs en professionals die het spel spelen. American Football is niet bepaald een zachtzinnige sport. Het gaat er regelmatig hard aan toe. Om de spelers zo veel mogelijk te beschermen tegen blessures, dragen de spelers een enorme uitrusting. Deze uitrusting, met een gewicht van ongeveer 8 kilogram, heeft een zeer beperkte bewegingsvrijheid en slechte warmteafdracht. Klinkt niet als de meest comfortabele sportuitrusting! Om het comfort van de spelers te verbeteren is onderzoek gedaan naar de shoulderpad. In dit artikel wordt weergegeven hoe de shoulderpad van een American Football speler op dit gebied verbeterd kan worden. Er wordt beschreven welke materialen en technieken een verbetering kunnen realiseren in het draagcomfort en wat het effect is van deze verbetering. DE SHOULDERPAD 01. Helm 02. Gebitsbescherming 03. Shoulderpad

Een American Football speler draagt een enorme uitrusting. Bijna alle lichaamsdelen worden op een of andere manier beschermd. De belangrijkste onderdelen van de uitrusting zijn:

04. Broek 05.Handschoenen 06. Schoenen

Figuur 1 Complete uitrusting

Figuur 2 Shoulderad

Figuur 3 Binnenkant shoulderpad

© Faculteit Industrieel Ontwerpen

De shoulderpad is het meest kenmerkend voor het American Football. Zonder de shoulderpad zou de sport in deze vorm niet veilig gespeeld kunnen worden. De shoulderpad bestaat grofweg uit twee delen, een harde buitenkant van nylon die de eerste klap op moet vangen en een binnenkant van schuim dat de impact van de klap moet absorberen: De afmeting van de shoulderpad hangt af van de positie waar men speelt. Dient men snel te kunnen bewegen en veel ballen te kunnen vangen, dan heeft men bewegingsruimte nodig en dus een kleinere shoulderpad. PROBLEMEN BIJ DE SHOULDERPAD Uit onderzoek is naar voren gekomen dat spelers problemen hebben met de grote omvang van de shoulderpad. Deze omvang is noodzakelijk om de krachten, die optreden tijdens het spel, op te kunnen vangen, maar het beperkt wel de bewegingsvrijheid van de spelers. Verder geven spelers aan dat het reinigen van de shoulderpads (met name de binnenkant) erg moeilijk is en dat de ventilatie van de shoulderpad te wensen overlaat.

1

Technische Universiteit Delft

Artikel


2002

UITGANGSPUNTEN VOOR VERBETERING De huidige shoulderpad is geen ideale sportuitrusting. Om het comfort van de American Footballspeler te verhogen is het wenselijk een herontwerp van de shoulderpad te maken, waarbij, door gebruik van andere materialen, bovengenoemde problemen verminderd of opgelost worden. De hoofdfunctie, de bescherming (schokabsorptie), mag hierbij echter niet verminderen. Ook andere belangrijke aspecten, zoals duurzaamheid, gewicht en het aan- en uittrekken mogen niet verslechteren. Er is geprobeerd een shoulderpad te ontwikkelen, die de dragers een zo groot mogelijk comfort bieden qua pasvorm, bewegingsvrijheid en klimaatbeheersing. Tevens dient de shoulderpad goed schoon gemaakt te kunnen worden, bij voorkeur door machinewas. Een andere materiaalkeuze voor de binnenkant van de shoulderpad kan deze wensen realiseren. HUIDIG MATERIAAL De vulling van de huidige generatie shoulder-pads is gemaakt van verschillende lagen polyurethaanschuim (PUR-schuim). Polyurethaanschuim is de meest toegepaste schuimsoort, o.a. voor allerlei soorten van schokabsorptie. In het dagelijks leven kom je het bijvoorbeeld tegen in slaapmatjes, matrassen en autosturen. PUR wordt gemaakt door een polymerisatie-reactie van een polyalcohol (polyol) met een polyisocyanaat. De reactie ziet er als volgt uit: C

Figuur 4 Polymerisatiereactie van PUR

Door bovenstaande polymerisatiereactie te combineren met een expansiereactie, wordt een PUR-schuim verkregen. Dit is een chemisch proces, waarbij kooldioxidegas ont-staat door een reactie van toegevoegd water met het isocyanaat. Het is ook mogelijk om PUR-schuim te maken door middel van een fysisch proces. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een additief met een laag kookpunt, dat gasvormig wordt door de temperatuurstijging die optreedt tijdens de exotherme polymerisatiereacties. Schuimen zijn onder te verdelen in twee hoofdgroepen: opencellig schuim en gesloten-cellig schuim. Het schuim toegepast in de shoulderpad is een opencellig schuim. Een opencellig schuim is een combinatie van een elastomeer en lucht en bestaat uit een cellulair netwerk; een groot aantal onderling verbonden cellen. Het opgebouwd zijn uit cellen is kenmerkend voor opencellige schuimen en de eigenschappen van het schuim worden bepaald door de chemische samenstelling en de vorm van het cellulaire netwerk. Een cel is een twaalfvlak, dat gevormd wordt door 30 ribben en 12 vijfhoekige vensters. Iedere afzonderlijke cel beïnvloedt de eigenschappen van het schuim. De eigenschappen zijn vooral afhankelijk van de dikte van de ribben, de totale grootte van de cel, de anisotropie van de structuur en de vorm van de cel. De schuimdichtheid, de dikte van de ribben, de venster- en celgrootte zijn aan elkaar gerelateerd. Wanneer de schuimdichtheid bijvoorbeeld wordt vergroot, maar de totale celgrootte blijft hetzelfde, dan wordt de dikte van de ribben groter, de vensters kleiner en de hoeveelheid lucht in het schuim neemt af. De aard van het elastomeer is direct van invloed op de eigenschappen van de ribben, zoals de hardheid, de elasticiteit, de moeheid, de UV-bestendigheid en de weerstand tegen chemische stoffen. Zo bepaald bijvoorbeeld de mate van brugvorming de hardheid en de elasticiteit van een schuim. Figuur 5 Een cel

VERBETERING DOOR NIEUW MATERIAAL? Er wordt verwacht dat de eigenschappen van visco-elastisch schuim het comfort van de shoulderpad kunnen verbeteren. Kenmerkend voor visco-elastisch schuim is de langzame terugvering naar zijn oorspronkelijke vorm na vervorming. Vanwege deze eigenschap wordt dit schuim ook wel “traagschuim” genoemd. Dit schuim is zeer geschikt voor schokabsorptie. Het materiaal is redelijk nieuw, het


2


Artikel


2002

wordt pas sinds een jaar op grote schaal toegepast, voor o.a. (antidoorlig)-matrassen en meubelvulling. Om de energieabsorptie van visco-elastisch schuim te vergelijken met die van de huidige vulling van de shoulderpad, is een experiment uitgevoerd. In het experiment zijn het visco-elastisch schuim en de huidige vulling aan een druk onderworpen, die vergelijkbaar is met de druk die optreedt bij een botsing tussen twee American Football spelers van 100 kg. De resultaten van het experiment zijn weergegeven in tabel 1. Tabel 1

Materiaal

Absorptie

Originele shoulderpad

84.6 %

V80080

97.4 %

Er moet bij bovenstaande gegevens rekening gehouden worden met het feit dat niet alleen het schuim de energie geabsorbeerd heeft, maar ook de tafel en de grond. Uit dit experiment kan geconcludeerd worden, dat door gebruik van viscoelastisch schuim (traagschuim) grote verbeteringen in de schokabsorptie gerealiseerd kunnen worden. Hoewel betere schokabsorptie verkregen kan worden door gebruik van visco-elastisch schuim, kleven er aan het gebruik van dit materiaal ook enkele nadelen: Het schuim is relatief zacht, waardoor het minder goed de druk verdeelt dan de huidige shoulderpadvulling. Puntbelasting kan daardoor niet goed opgevangen worden. Het schuim is gevoelig voor scheuren. Het schuim is opencellig, waardoor het materiaal vocht opneemt. Er is gezocht naar oplossingen voor de problemen die bij het gebruik van visco-elastisch schuim optreden. De harde buitenschaal van de shoulderpad zorgt voor een betere drukverdeling. Hierdoor wordt het probleem van de puntbelasting opgelost. Omdat in het nieuwe ontwerp nog maar één laag (vrij zacht) schuim wordt gebruikt (in plaats van een harde en een zachte laag bij de huidige shoulderpad), is deze buitenlaag van groot belang. Door het schuim te omhullen met een materiaal dat geen vocht doorlaat, kan het schuim geen vocht meer opnemen. Tevens beschermt een hoes tegen scheuren. Ook bij de huidige shoulderpad wordt een hoes gebruikt tegen vochtopname. Deze hoes is gemaakt van nylon. Nadeel van dit materiaal is dat het niet ademend is. Tevens kan het materiaal niet goed gereinigd worden. Deze problemen kunnen verholpen worden door de nylon hoes te vervangen door een hoes gemaakt van Gore-Tex © . Gore-Tex © is een duurzaam, waterdicht, winddicht en ademend materiaal. Doordat een ademend materiaal vocht en transpiratie doorlaat, wordt het natuurlijke lichaamskoelingsproces niet ver-stoord. Met een Gore-Tex © hoes zal het schuim schoner blijven en het oppervlak is eenvoudiger te reinigen. P

P

P

P

P

P

VERBETERD ONTWERP SHOULDERPAD 1. Grondstoffen 2. Dosering 3. Mengknop 4. Schuimvorming 5. Verticaal afsnijden 6. Bodempapier

Figuur 6 Continu proces voor schuimproductie


De shoulderpad wordt verbeterd door gebruikt te maken van visco-elastisch schuim voor de vulling. Dit materiaal ontstaat door middel van een continu proces. Uit de blokken schuim, die ontstaan bij bovenstaand proces, wordt de geometrie van de vulling van de shoulderpad door middel van twee schuimbewerkingen vervaardigd. Deze twee schuimbewerkingen zijn verticaal

3


Artikel


2002

contour-snijden en horizontaal contoursnijden en deze bewerkingen worden achtereenvolgens uit-gevoerd. Bij het verticaal contoursnijden wordt de hoofdvorm van de shoulderpad uitgesneden, bij het horizontaal contoursnijden wordt de variatie in dikte uitgesneden. De geometrie van de vernieuwde shoulderpadvulling komt in grote lijnen overeen met de huidige geometrie. Het enige verschil in geometrie is de dikte van het schuim. Bij de huidige shoulderpadvulling varieert de dikte tussen 15 en 31 mm, afhankelijk van de plaats op het lichaam. Bij het experiment kwam naar voren dat de resterende botsenergie bij het viscoelastische materiaal ongeveer 10x lager is dan bij het huidige materiaal. Theoretisch gezien zou de dikte van het nieuwe schuim 10x zo klein kunnen zijn, maar bij zulke kleine diktes wordt de invloed van puntbelasting te groot. Rekening houden met dit aspect varieert de dikte van het visco-elastische schuim voor de shoulderpad tussen 10 en 15 mm. Deze afname van de dikte geeft de American Football speler meer bewegingsvrijheid, zonder dat de veiligheid vermindert. Na het uitsnijden van de vorm wordt het schuim omhuld met Gore-tex © . Om het schuim op zijn plaats te houden, worden er stiksels aangebracht die door het schuim en het Gore-tex © gaan, vergelijkbaar met de huidige shoulderpad. P

P

P

P

Figuur 7 Doorsnede van het verbeterde ontwerp

CONCLUSIE Het vernieuwde product zal lichter en kleiner zijn, terwijl het minimaal gelijke of zelfs betere bescherming biedt bij een botsing. Het uiterlijk van de shoulderpad zal door de verbetering van het ontwerp niet of nauwelijks veranderen. Door de afname van de dikte van de vulling wordt de omvang van de shoulderpad kleiner. Hierdoor krijgt de American Football speler meer bewegingsvrijdheid. Tevens wordt door de toepassing van een Gore-Tex © hoes de ventilatie van de shoulderpad verbeterd en kan de vulling eenvoudig gereinigd worden. P

P

BRONVERMELDING Wirpsza, Z (1993): Polyurethanes; chemistry, technology and applications New York: Horwood; ISBN 0-13-683186-9 Dalen, M.W. van (1997): Kunststoffen; Serie IO bijzondere onderwerpen deel 5 Recticel Technical Foams http://www.technicalfoams.nl/nl/frame-nl.htm HTU

UTH

Gore-Tex http://www.gore.com HTU

UTH

Spelers Delft Dragons, American Football vereniging Delft


4


Artikel



5

2002


GETACKELD WORDEN ZONDER BLAUWE PLEKKEN?

Recommend Documents