Die Struktur, die eigentlich nicht existiert
Steingeschliffene vs. funktionelle Skibelagstruktur – Teil 1
Über Skibelagstrukturen wurde bereits sehr viel geschrieben – möglicherweise so viel, dass es zunehmend schwieriger geworden ist, ihre wesentlichen Eigenschaften von den damit verbundenen Annahmen zu unterscheiden.
Betrachten wir dieses Thema deshalb einmal aus einer anderen Perspektive.
Bei einem fachgerecht präparierten Ski muss die von der Schleifmaschine erzeugte Struktur nicht zwangsläufig mit der wirksamen Oberflächengeometrie übereinstimmen, die letztlich mit dem Schnee in Wechselwirkung tritt.
Die ursprüngliche Struktur existiert selbstverständlich als reale geometrische Form im UHMWPE.
Was jedoch nicht zwangsläufig existiert, ist ein einziges, dauerhaftes und unveränderliches funktionelles Oberflächenprofil, das ausschließlich durch die Schleifmaschine bestimmt wird.
Was verstehen wir unter einer Skibelagstruktur?
Unter einer Struktur verstehen wir ein System von Rillen unterschiedlicher Form, Abstände und Tiefen, die in die Oberfläche des Skibelags eingeschliffen werden.
Das entstehende Muster kann linear, gekreuzt, fischgrätenförmig, mehrstufig oder auf andere Weise kombiniert sein.
Es entsteht durch eine definierte Relativbewegung zwischen dem Schleifstein und dem Skibelag.
Seine Form wird vor allem durch die Abrichtmethode des Schleifsteins, dessen Drehbewegung, die Vorschubgeschwindigkeit des Skis, den Anpressdruck und weitere Schleifparameter bestimmt.
Als Referenz betrachten wir zunächst eine einfache lineare Struktur.
Dieselben allgemeinen Prinzipien gelten auch für komplexere Muster, wobei deren Geometrie und die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Rillen entsprechend komplizierter sind.
Rillenabstand und Rillentiefe stehen häufig miteinander in Zusammenhang.
Das Querprofil kann einer V-Form ähneln, es kann jedoch auch abgerundet, asymmetrisch oder unregelmäßig sein.
Ein größerer Abstand zwischen den Strukturerhebungen ist häufig mit einer tieferen Struktur verbunden, während feinere Strukturen tendenziell weniger tief sind.
Die erhöhten Bereiche des Profils werden üblicherweise als Peaks bezeichnet.
Der Begriff Pitch beschreibt den Abstand zwischen entsprechenden, sich wiederholenden Elementen der Struktur.
Für die hier beispielhaft betrachteten Strukturen liegt das Verhältnis zwischen Rillenabstand und Rillentiefe ungefähr zwischen 10:1 und 12:1.
Ein Rillenabstand von 0,5 mm kann daher einer Tiefe von ungefähr 40–50 Mikrometern entsprechen.
Dabei handelt es sich nicht um einen universell gültigen Zusammenhang.
In der Praxis hängen beide Parameter vom Schleifprozess, dem Zustand des Schleifsteins, dem Skibelagmaterial und den jeweiligen Maschineneinstellungen ab.
Entscheidend ist hier der Begriff geschliffen.
Wir betrachten eine Struktur, die überwiegend durch Materialabtrag entsteht, üblicherweise durch das Steinschleifen.
Dies unterscheidet sie von eingeprägten Strukturen, die hauptsächlich durch plastische Verformung der Oberfläche erzeugt werden.
Die steingeschliffene Struktur bildet die ursprüngliche Geometrie im UHMWPE.
Ihr tatsächlicher Oberflächenzustand kann anschließend durch Bürsten, Wachsen, mechanische und thermische Belastung, das Einfahren der Ski sowie Verschleiß beeinflusst werden.
Dieser Artikel konzentriert sich deshalb auf steingeschliffene Strukturen und nicht auf mechanisch eingeprägte Muster.
Eine Struktur existiert nicht unabhängig vom Material
Eine Skibelagstruktur lässt sich nicht vollständig beschreiben, ohne das Material zu berücksichtigen, in das sie eingeschliffen wurde.
Dieselbe nominelle Geometrie muss bei unterschiedlichen Materialien nicht zwangsläufig zu identischen Oberflächeneigenschaften oder funktionellen Merkmalen führen.
Wir konzentrieren uns auf Skibeläge aus UHMWPE – ultrahochmolekularem Polyethylen –, das bei hochwertigen Langlaufskiern weitverbreitet ist.
Neben UHMWPE können kommerzielle Skibelagrezepturen Ruß und weitere Additive enthalten, darunter verschiedene kohlenstoffbasierte Komponenten und Verarbeitungshilfsmittel.
Einige Rezepturen können außerdem paraffinische oder ölbasierte Bestandteile enthalten, abhängig von ihrer Auslegung und dem Herstellungsverfahren.
Ruß liegt nicht zwangsläufig ausschließlich in Form vollständig voneinander getrennter Primärnanopartikel vor.
Er kann Aggregate und größere Agglomerate bilden.
Die resultierenden Eigenschaften des Skibelags hängen deshalb nicht nur von den nominellen Partikelabmessungen ab, sondern auch von der Additivkonzentration, der Dispergierung und den Wechselwirkungen mit der UHMWPE-Matrix.
Hochleistungsfähige UHMWPE-Typen können Molekulargewichte von mehreren Millionen Gramm pro Mol aufweisen.
Werte um 5 Millionen g/mol oder darüber sind hierfür relevante Beispiele.
Die genauen Rezepturen der einzelnen Skibelaghersteller sind allerdings nicht immer öffentlich dokumentiert.
Entstehung von Fibrillen beim Schleifen von UHMWPE
UHMWPE besitzt außergewöhnlich lange und stark miteinander verschlaufte Molekülketten.
Bei der mechanischen Bearbeitung kommt es zu lokalen Verformungen des Polymers und zur Materialtrennung.
Abhängig von den Bearbeitungsbedingungen können dabei Scherverformungen, die Orientierung und das Herausziehen von Polymerketten, Veränderungen der teilkristallinen Struktur sowie in gewissem Umfang Kettenbrüche auftreten.
Diese Vorgänge können feine Oberflächenfibrillen erzeugen, die aus Bündeln orientierter Polymerketten bestehen.
Ein hohes Molekulargewicht und eine ausgeprägte Kettenverschlaufung können unter bestimmten Bearbeitungsbedingungen die Fibrillenbildung begünstigen.
Die entstehende Oberflächenmorphologie hängt jedoch ebenfalls stark von der lokalen Temperatur, den Schnitt- und Schleifbedingungen, der Materialrezeptur und den Eigenschaften des Schleifsteins ab.
Rußaggregate können lokale Inhomogenitäten verursachen und das Verformungsverhalten oder die Ausbreitung von Rissen beeinflussen.
Dadurch können sie sowohl die Materialtrennung beim Schleifen als auch die Entstehung von Oberflächenfibrillen beeinflussen.
Ihr Einfluss ist nicht unter allen Bedingungen zwangsläufig vorteilhaft oder nachteilig.
Eine geeignete Additivkonzentration, gleichmäßige Dispergierung und passende Aggregatmorphologie können zu einer homogeneren bearbeiteten Oberfläche beitragen.
Umgekehrt können große oder ungleichmäßig verteilte Agglomerate als Defekte wirken und die lokale Materialinhomogenität erhöhen.
Es gibt daher keine einfache Regel, nach der ein höherer Rußanteil automatisch eine bessere oder weniger stark fibrillierte Skibelagoberfläche erzeugt.
Eine geschliffene Struktur ist noch keine funktionelle Struktur
Ein frisch steingeschliffener Skibelag ist nicht zwangsläufig identisch mit der endgültigen funktionellen Oberfläche, die beim Skifahren verwendet wird.
Neben den vorgesehenen Strukturrillen kann er hervorstehende Fibrillen, Grate, scharfe Kanten, lokal verformtes Material und unregelmäßige Oberflächenübergänge aufweisen.
Bevor Rennski verwendet werden, wird die Oberfläche deshalb üblicherweise weiteren mechanischen Präparations-, Reinigungs- und Konditionierungsschritten unterzogen.
Mechanische Bearbeitung nach dem Schleifen
Die erste Präparationsphase umfasst gewöhnlich das Bürsten der Oberfläche, um lose Partikel, hervorstehende Fibrillen und andere unerwünschte Oberflächenunregelmäßigkeiten zu entfernen.
Durch das Bürsten können außerdem Verunreinigungen aus mechanisch zugänglichen Bereichen der geschliffenen Rillen entfernt werden.
Es darf jedoch nicht automatisch angenommen werden, dass eine Bürste jeden Bereich jeder Rille mit derselben Wirksamkeit reinigen kann.
Das Ausmaß des Kontakts hängt von der Strukturgeometrie, der Bürstenkonstruktion, den Faserabmessungen, dem Anpressdruck und der Bürstrichtung ab.
Die mechanische Bearbeitung mit einer Bürste kann außerdem exponierte Bereiche der UHMWPE-Oberfläche durch lokale Verformung, das Entfernen hervorstehender Fibrillen oder geringfügigen Abrieb verändern.
Diese Veränderungen zerstören nicht zwangsläufig die zugrunde liegende steingeschliffene Struktur.
Sie können jedoch ihren mikroskopischen Oberflächenzustand verändern und das Profil lokal beeinflussen.
Wachsen, Abziehen und Bürsten
Die weitere Präparation umfasst häufig wiederholtes Heißwachsen, Abkühlen, Abziehen und Bürsten.
Die damit verbundenen thermischen und mechanischen Vorgänge können die unmittelbare Oberflächenzone des Skibelags beeinflussen.
Wiederholtes Abziehen und Bürsten kann außerdem weiterhin lose Partikel und exponierte Mikrounregelmäßigkeiten entfernen.
Rennski können anschließend auf sauberem, mäßig abrasivem Schnee eingefahren werden.
Der Kontakt mit Schneekristallen kann dabei einige hervorstehende Oberflächenunregelmäßigkeiten allmählich abtragen.
Das Ausmaß dieser Veränderungen hängt vom ursprünglichen Oberflächenzustand und den tatsächlichen Schneebedingungen ab.
Verteilung des Wachses innerhalb der Struktur
Beim Auftragen von geschmolzenem Wachs kann dieses die Struktur bedecken und ihre Rillen in unterschiedlichem Ausmaß ausfüllen.
Nach dem Abkühlen, Abziehen und Bürsten wird ein großer Teil des makroskopischen Wachsüberschusses entfernt.
Die Wachsentfernung erfolgt jedoch nicht zwangsläufig gleichmäßig über das gesamte Strukturprofil.
Die exponierten Strukturerhebungen und oberen Rillenflanken sind für die mechanische Bearbeitung im Allgemeinen leichter zugänglich.
Tiefer liegende und stärker zurückgesetzte Bereiche werden von den Bürstenfasern möglicherweise seltener oder mit geringerer mechanischer Wirksamkeit erreicht.
Deshalb kann ein Teil des Restwachses auch nach intensivem Bürsten in diesen Bereichen verbleiben.
Dies ist eine plausible Folge der Strukturgeometrie und der mechanischen Wirkungsweise des Bürstens.
Die tatsächliche Verteilung des Restwachses lässt sich jedoch nicht allein aus den Abmessungen der Strukturrillen bestimmen.
Sie hängt von mehreren Faktoren ab:
- Rillenbreite, Rillentiefe und Querschnittsform,
- Durchmesser und Länge der Bürstenfasern,
- Form und Verschleiß der Faserspitzen,
- Anordnung der Fasern in Bündeln,
- Bürstrichtung und Anpressdruck,
- Anzahl der Bürstendurchgänge,
- Wachshärte, Haftung und mechanisches Verhalten.
Die Bürste kann Wachs nicht nur aus den Rillen entfernen, sondern unter bestimmten Bedingungen auch Teile des verbleibenden Wachses verschieben oder umverteilen.
Eine solche Umverteilung ist ein möglicher Mechanismus und kein allgemeingültiges oder für jedes Bürstverfahren experimentell nachgewiesenes Ergebnis.
Warum eine höhere Bürstintensität von Bedeutung ist
Eine wichtige praktische Einschränkung entsteht, wenn der Anwender versucht, die tiefsten Bereiche einer Struktur zu reinigen.
Ein höherer Anpressdruck oder eine größere Anzahl von Bürstendurchgängen kann die mechanische Bearbeitung bestimmter tiefer liegender Bereiche verbessern.
Gleichzeitig werden jedoch die exponierten Strukturerhebungen und oberen Rillenflanken weiterhin wiederholt mechanisch kontaktiert.
Der Versuch, mehr Wachs aus den tieferen Bereichen zu entfernen, kann deshalb die kumulative mechanische Beanspruchung jener Oberflächenbereiche erhöhen, aus denen der technologisch bedingte Wachsüberschuss bereits entfernt wurde.
Unter ausreichend intensiven Bedingungen kann dadurch ein verbleibender dünner Wachsfilm weiter reduziert oder der direkte mechanische Kontakt mit exponiertem UHMWPE verstärkt werden.
Entscheidend ist deshalb nicht nur, ob eine Bürste geometrisch den Grund einer Rille erreichen kann.
Entscheidend ist vielmehr, ob dieser Bereich wirksam gereinigt werden kann, ohne die bereits freiliegenden oberen Oberflächenbereiche unnötig stark mechanisch zu bearbeiten.
Dieses mechanische Problem wird im zweiten Teil dieser Artikelserie ausführlich untersucht.
Geschliffenes Profil und funktionelles Profil
Es müssen zwei unterschiedliche Arten der Oberflächenveränderung voneinander unterschieden werden.
Die erste betrifft tatsächliche Veränderungen des UHMWPE selbst, beispielsweise das Entfernen von Fibrillen, lokale plastische Verformungen und mechanischen Verschleiß.
Solche Veränderungen können auch nach der Entfernung des Wachses bestehen bleiben.
Die zweite betrifft die veränderliche Verteilung von Restwachs auf der Oberfläche und innerhalb der Rillen.
Dort, wo Wachs in den Vertiefungen verbleibt, kann sich die effektiv offene Tiefe einer Rille verringern.
Ihr funktioneller Querschnitt kann dadurch flacher oder weniger ausgeprägt erscheinen als das zugrunde liegende steingeschliffene Profil.
Es darf nicht vorausgesetzt werden, dass diese Veränderung bei jedem Ski, jedem Wachs oder jeder Präparationsmethode gleich groß ist.
Ebenso bedeutet ein flacheres oder weniger ausgeprägtes funktionelles Profil nicht zwangsläufig, dass das UHMWPE selbst in entsprechendem Umfang abgetragen wurde.
Die geschliffene Struktur beschreibt die Geometrie der Polymeroberfläche.
Die funktionelle Struktur beschreibt den wirksamen Oberflächenzustand nach der Präparation und während der Wechselwirkung mit Schnee.
Beide Beschreibungen stehen miteinander in Zusammenhang, müssen jedoch nicht zwangsläufig identisch sein.
Die Struktur, die eigentlich nicht existiert
Der Titel dieses Artikels ist bewusst provokativ gewählt.
Selbstverständlich existieren die steingeschliffenen Rillen physisch im UHMWPE-Skibelag.
Was jedoch möglicherweise nicht existiert – zumindest nicht als fester und unveränderlicher Zustand –, ist die Annahme, dass die vom Schleifstein erzeugte Geometrie immer mit der funktionellen Oberfläche übereinstimmt, die beim Skifahren tatsächlich mit dem Schnee interagiert.
Die Schleifmaschine schafft lediglich den Ausgangspunkt.
Mechanische Nachbearbeitung, Wachsen, Abziehen, Bürsten, Skifahren und Verschleiß können den anschließenden Oberflächenzustand beeinflussen.
Um zu verstehen, wie eine Skibelagstruktur tatsächlich funktioniert, müssen wir deshalb nicht nur die ursprüngliche steingeschliffene Geometrie betrachten, sondern auch den gesamten Präparationsprozess und die daraus entstehende Oberfläche.
Die praktischen Folgen werden besonders deutlich, wenn wir die Abmessungen der Strukturrillen mit denen der Fasern von Stahl- und Messingbürsten vergleichen.
Genau damit beschäftigt sich der zweite Teil dieser Artikelserie.