Handbürste oder Rotationsbürste? Teil I – Wie Handstahlbürsten Skiwachs entfernen
Das Bürsten von Hand und das Bürsten mit Rotationsbürsten sind zwei weitverbreitete Verfahren zur Entfernung überschüssigen Wachses von Langlaufskibelägen. Obwohl beide Verfahren einem ähnlichen Zweck dienen, unterscheiden sich ihre mechanischen Wirkungsweisen.
Um diese Unterschiede zu verstehen, müssen wir zunächst untersuchen, wo das Wachs nach dem Heißwachsen verbleibt, wie es mit UHMWPE zusammenwirkt und wie die Fasern einer Handstahlbürste auf die präparierte Oberfläche einwirken.
1. Drei Arten von Wachsreservoirs im Skibelag
Nach dem Heißwachsen liegt das Wachs nicht zwangsläufig als eine einzige homogene Schicht auf dem Skibelag vor. Für die Analyse seiner mechanischen Entfernung ist es sinnvoll, drei grundlegende Arten von Wachsreservoirs zu unterscheiden.
Diese Reservoirs beschreiben unterschiedliche Mechanismen der Wachsrückhaltung. Ihre Grenzen sind nicht unbedingt scharf definiert. Sie dürfen daher nicht als drei vollkommen voneinander getrennte, durchgehende Schichten verstanden werden.
1.1 Makroskopischer Wachsüberschuss
Das erste Reservoir besteht aus makroskopisch vorhandenem Wachs, das sich oberhalb der Skibelagoberfläche befindet. Dazu gehört auch Wachs, das die steingeschliffenen Strukturrillen ausfüllen kann.
Ein großer Teil dieses Wachses stellt einen technologisch bedingten Überschuss aus dem Heißwachsverfahren dar. Er kann die Gleitfläche bedecken, die geschliffene Struktur teilweise verschließen und die vorgesehene Wechselwirkung zwischen Skibelag und Schnee beeinträchtigen.
Der Hauptzweck des Abziehens und anschließenden Bürstens besteht deshalb darin, den zugänglichen Wachsüberschuss zu entfernen und die Oberfläche für das Skifahren vorzubereiten.
Die Entfernung des makroskopischen Überschusses bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass jeder mikroskopische Wachsrückstand aus der gesamten Tiefe jeder Strukturrille entfernt werden muss.
1.2 Dünner Wachsfilm in der Oberflächenmikrostruktur
Das zweite Reservoir besteht aus dünnen Wachsrückständen, die auf oder innerhalb der Oberflächenmikrostruktur zurückgehalten werden.
Solches Wachs kann verbleiben:
- auf exponierten Strukturerhebungen und Rillenflanken,
- in feinen Rillen und Oberflächendefekten,
- zwischen hervorstehenden UHMWPE-Fibrillen,
- in mechanisch weniger zugänglichen Oberflächenbereichen.
Dieses Wachs kann durch Adhäsion, die lokale Oberflächengeometrie oder mechanischen Einschluss zurückgehalten werden.
Im Unterschied zu einer dicken makroskopischen Wachsschicht kann ein dünner Restfilm zu den Reibungs- und Benetzungseigenschaften der Skibelagoberfläche beitragen.
Ob ein solcher Film das Gleitverhalten verbessert, hängt von seiner Zusammensetzung, Dicke und Verteilung sowie von den jeweiligen Schneebedingungen ab.
Genau hier verläuft die schwer zu bestimmende Grenze zwischen der erwünschten Entfernung überschüssigen Wachses und der möglichen Entfernung eines funktionell nützlichen Restwachsfilms.
Die Bürste selbst kann zwischen diesen beiden Kategorien nicht unterscheiden. Ihre Wirkung wird durch den mechanischen Kontakt bestimmt, nicht dadurch, ob das vorhandene Wachs nützlich oder unerwünscht ist.
1.3 Wachs in Verbindung mit der obersten UHMWPE-Zone
Das dritte Reservoir betrifft Wachs, das sich während des Heißwachsens mit der obersten Polymerzone verbinden kann.
UHMWPE ist nicht wie ein Schwamm porös. Es handelt sich um ein teilkristallines Polymer mit kristallinen, amorphen und dazwischenliegenden Grenzbereichen.
Abhängig von der Temperatur, der Einwirkungsdauer, der Wachszusammensetzung und der Polymermorphologie können bestimmte Wachsbestandteile in zugängliche oberflächennahe Bereiche eindringen.
Die kristallinen Bereiche sind relativ dicht gepackt, während amorphe Bereiche und Grenzbereiche eine größere molekulare Zugänglichkeit aufweisen können.
Oberflächendefekte, Fibrillenbildung und lokale mechanische Beschädigungen können ebenfalls die Wachsrückhaltung beeinflussen.
Die tatsächliche Menge und Eindringtiefe des Wachses darf jedoch nicht für alle Skibeläge, Wachsrezepturen und Anwendungsverfahren als identisch angenommen werden.
Wachs, das mit intaktem Polymermaterial verbunden ist, lässt sich nicht auf dieselbe Weise einfach ausbürsten wie lose auf der Oberfläche abgelagertes Wachs.
Wenn bei der mechanischen Bearbeitung jedoch Material aus der obersten UHMWPE-Zone abgetragen wird, kann auch das mit diesem Material verbundene Wachs zusammen mit ihm entfernt werden.
2. Wie eine feine Handstahlbürste Wachs entfernt
Für den folgenden mechanischen Vergleich betrachten wir eine repräsentative feine Handstahlbürste mit diesen ungefähren Parametern:
- Drahtdurchmesser: 0,12 mm.
- Freie Drahtlänge: 25 mm.
- Drahtbündel: ungefähr 8 mm Durchmesser.
- Relativ langsame manuelle Bewegung entlang des Skibelags.
Diese Abmessungen dienen als Modellannahmen. Tatsächliche Bürstenkonstruktionen können sich je nach Hersteller und Modell unterscheiden.
2.1 Grundlegender mechanischer Wirkungsmechanismus
Wird die Bürste gegen den Skibelag gedrückt, biegen sich ihre relativ langen und flexiblen Stahldrähte unter der aufgebrachten Last.
Abhängig von ihrer Orientierung und den Kontaktbedingungen neigen sich einzelne Drähte in Bewegungsrichtung und gleiten über die Oberfläche.
Das Bürsten von Hand wirkt deshalb hauptsächlich durch relativ langsamen mechanischen Kontakt und tangentiale Scherbeanspruchung.
Zu den wesentlichen Wirkungsmechanismen gehören:
- das Lösen und Verschieben von Wachspartikeln,
- die schrittweise Fragmentierung von Wachsrückständen,
- die mechanische Ablösung zugänglichen Wachses von der Oberfläche,
- der teilweise Kontakt mit zugänglichen Bereichen der geschliffenen Struktur.
Bei den ersten Bürstenzügen werden häufig lose Wachsflocken und Wachsstücke entfernt, die nach dem Abziehen zurückgeblieben sind.
Weitere Bürstenzüge können dünnere Wachsrückstände mechanisch aufbrechen, ihre Haftung verringern und zusätzliche Partikel schrittweise von exponierten Oberflächenbereichen und Rillenflanken entfernen.
Ein einzelner Bürstenzug schließt den Prozess der Wachsentfernung nicht zwangsläufig ab.
Das Bürsten von Hand ist deshalb ein kumulativer Prozess: Aufeinanderfolgende Bürstenzüge lösen, fragmentieren, verschieben und entfernen schrittweise mechanisch zugängliches Wachs.
Die Wirksamkeit jedes einzelnen Bürstenzuges hängt von den Eigenschaften des Wachses, der lokalen Oberflächengeometrie und den Kontaktbedingungen zwischen den Stahldrähten und dem Skibelag ab.
2.2 Eindringen in die geschliffene Struktur
Der nominelle Durchmesser eines Stahldrahtes bestimmt für sich allein noch nicht, wie tief seine Spitze in eine Strukturrille eindringen kann.
Die tatsächliche Kontaktgeometrie hängt von der Querschnittsform und Tiefe der Rille, der Form der Drahtspitze, der Bürstrichtung und der Biegung des Drahtes unter Belastung ab.
Eine abgerundete Drahtspitze kann sich dem Grund einer relativ breiten V-förmigen Rille theoretisch stärker nähern als ein Draht mit flacher Stirnfläche und gleichem Nenndurchmesser.
Geometrische Zugänglichkeit bedeutet jedoch nicht automatisch eine wirksame mechanische Reinigung.
Bei einer tatsächlichen Handbürste sind die einzelnen Drähte in Bündeln angeordnet und werden nicht unabhängig voneinander gezielt in mikroskopische Rillen geführt.
Benachbarte Drähte können miteinander in Wechselwirkung treten, sich biegen und die aufgebrachte Last untereinander verteilen.
Ihre Orientierung und ihr Kontakt mit der Oberfläche verändern sich während des Bürstens fortlaufend.
Selbst wenn sich ein einzelner Draht theoretisch dem Grund einer Rille nähern kann, garantiert dies daher keinen wiederholten Kontakt mit ausreichender Kraft, um das dort zurückgehaltene Wachs zu entfernen.
Die mechanische Zugänglichkeit einer Struktur hängt ab von:
- Rillengeometrie und Rillenorientierung,
- Drahtdurchmesser, Drahtlänge und Biegesteifigkeit,
- Form und Verschleiß der Drahtspitzen,
- Anordnung der Drähte innerhalb der Bündel,
- Anpressdruck und Bürstrichtung,
- Anzahl der Bürstenzüge.
Exponierte Strukturerhebungen und obere Rillenflanken werden im Allgemeinen leichter kontaktiert als tief liegende Vertiefungen.
Die mechanische Wirkung der Bürste kann deshalb ungleichmäßig über die Struktur verteilt sein.
Die Fähigkeit eines einzelnen Drahtes, in eine Rille einzudringen, darf nicht mit der Fähigkeit der gesamten Bürste gleichgesetzt werden, Wachs über die gesamte Rillentiefe gleichmäßig zu entfernen.
Die geometrischen und mechanischen Grenzen der Strukturreinigung werden in der separaten Artikelserie Geschliffene vs. funktionelle Struktur ausführlicher behandelt.
2.3 Wirkung auf die einzelnen Wachsreservoirs
Die Handstahlbürste beeinflusst die drei Wachsreservoirs auf unterschiedliche Weise.
Makroskopischer Wachsüberschuss. Loses und zugängliches Wachs lässt sich in der Regel wirksam entfernen, insbesondere nachdem der größte Teil des Wachses bereits abgezogen wurde.
Dünner Oberflächenfilm. Wiederholtes Bürsten kann mechanisch zugängliche Bereiche des verbleibenden Films schrittweise reduzieren. Die Geschwindigkeit der Entfernung hängt von den lokalen Kontaktbedingungen ab.
Mit UHMWPE verbundenes Wachs. Wachs innerhalb intakten Polymermaterials wird durch gewöhnliches mechanisches Bürsten nicht unmittelbar herausgelöst. Es kann betroffen sein, wenn Polymermaterial selbst abgetragen wird.
Diese drei Prozesse müssen zeitlich nicht klar voneinander getrennt sein.
Unterschiedliche Bereiche desselben Skibelags können sich gleichzeitig in verschiedenen Stadien der mechanischen Bearbeitung befinden.
Beispielsweise können exponierte Strukturerhebungen bereits weitgehend frei von makroskopischem Wachs sein, während einige tiefer liegende Rillenbereiche noch erhebliche Rückstände enthalten.
Wird das Bürsten fortgesetzt, werden die exponierten Strukturerhebungen weiterhin mechanisch kontaktiert.
Dadurch kann ein dünner Restwachsfilm zunehmend reduziert oder der direkte Kontakt zwischen Stahldrähten und UHMWPE verstärkt werden.
Unter ausreichend intensiven Bedingungen können lokale plastische Verformungen, feine Kratzer, Mikropflügen, das Entfernen hervorstehender Fibrillen oder mikroskopischer Polymerabrieb auftreten.
Diese Effekte hängen von den Eigenschaften der Drähte, dem Anpressdruck, dem Oberflächenzustand und der Anzahl der Bürstenzüge ab.
Sie dürfen nicht als zwangsläufige Folgen des gewöhnlichen Bürstens von Hand verstanden werden.
2.4 Eigenschaften des Bürstens von Hand
Das wichtigste Merkmal des Bürstens von Hand ist seine relativ langsame und schrittweise kontrollierbare mechanische Wirkung.
Der Anwender kann Anpressdruck, Bewegungsgeschwindigkeit, Bürstenorientierung und Anzahl der Bürstenzüge während des gesamten Vorgangs anpassen.
Die Wirkung entwickelt sich allmählich. Dadurch kann die Oberfläche während der Bearbeitung beurteilt und die Behandlung bei Bedarf verändert werden.
Der wesentliche Nachteil besteht in der möglichen Ungleichmäßigkeit der manuellen Arbeit.
Anpressdruck, Bürstenwinkel, Bewegungsgeschwindigkeit und Anzahl der Kontakte können über die Skibelagoberfläche hinweg variieren.
Das Bürsten von Hand kann deshalb langsamer und weniger reproduzierbar sein als ein gut kontrollierter mechanisierter Prozess.
Sein Hauptvorteil besteht nicht darin, dass es den Skibelag nicht beschädigen könnte, sondern darin, dass der Anwender die Intensität der mechanischen Behandlung relativ fein abgestuft und unmittelbar regulieren kann.
Dadurch kann es leichter sein, den Vorgang zu beenden, sobald der zugängliche Wachsüberschuss ausreichend entfernt ist.
Allerdings kann auch das Bürsten von Hand übermäßig intensiv werden, insbesondere wenn der Anwender versucht, jeden verbleibenden Wachsrückstand aus tief liegenden Vertiefungen zu entfernen.
Das praktische Ziel sollte deshalb nicht die größtmögliche Wachsentfernung um jeden Preis sein, sondern eine zweckmäßig präparierte funktionelle Oberfläche.
Rotationsbürsten nutzen eine andere Kombination aus Drahtgeometrie, Biegesteifigkeit und Kontaktgeschwindigkeit.
Ob dies zu einer effizienteren Wachsentfernung führt und welche Auswirkungen sich daraus für den verbleibenden Wachsfilm und die UHMWPE-Oberfläche ergeben können, ist Gegenstand von Teil II.