Wie das Skibelagmaterial die Qualität des Steinschliffs beeinflusst – Teil 1
Einfluss des Skibelagmaterials auf die Strukturqualität
Das Material des Skibelags beeinflusst die Qualität einer durch Steinschliff erzeugten Struktur hauptsächlich auf zwei Arten:
- durch die Bildung unerwünschter Fasern und feiner Härchen während des Schleifvorgangs,
- durch die Formstabilität des Materials während der Bearbeitung und unter anschließender mechanischer Belastung.
Ein herkömmlicher Skibelag für den Rennsport besteht aus einer Matrix aus ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE), die durch funktionelle Partikel verstärkt und modifiziert wird. Am häufigsten handelt es sich dabei um Ruß (Carbon Black), lamellaren Graphit und/oder Graphen.
Wie entsteht eine Struktur durch Steinschliff?
Eine durch Steinschliff erzeugte Struktur wird üblicherweise mithilfe eines rotierenden Schleifsteins hergestellt, dessen Oberfläche zuvor mit einem Diamantabrichter auf das gewünschte Profil abgerichtet wurde.
Der Diamantabrichter erzeugt die Struktur somit nicht unmittelbar im Skibelag, sondern formt zunächst die Arbeitsoberfläche des Schleifsteins. Wenn der Schleifstein anschließend mit dem Skibelag in Kontakt kommt, überträgt er das vorbereitete Strukturmuster durch einen fortschreitenden Materialabtrag auf dessen Oberfläche.
Die entstehende Struktur ist jedoch kein einfacher geometrischer Abdruck des Schleifsteins. Sie entsteht vielmehr durch einen dynamischen Bearbeitungsprozess, bei dem einzelne Schleifkörner in die UHMWPE-Oberfläche eindringen, das Material lokal zusammendrücken, Schubspannungen hervorrufen, es verformen und schließlich Material von der Oberfläche abtrennen.
Die tatsächliche Form der Strukturrillen hängt deshalb nicht nur vom Profil des Schleifsteins ab, sondern auch von folgenden Faktoren:
- der Drehzahl des Schleifsteins,
- der Vorschubgeschwindigkeit des Skis,
- dem aufgebrachten Anpressdruck,
- dem Zustand und der Körnung des Schleifsteins,
- der Abrichtmethode,
- der Kühlung und Schmierung durch die Schleifemulsion,
- den mechanischen Eigenschaften des Skibelagmaterials selbst.
Ein weiches und elastisches Material kann vor den Schleifkörnern teilweise nachgeben und sich nach deren Durchgang elastisch zurückverformen. Die entstehende Rille kann deshalb flacher, breiter oder weniger scharf definiert sein, als es das geometrische Profil des Schleifsteins erwarten ließe.
Ein steiferes und formstabileres Material ermöglicht dagegen eine genauere Übertragung der Werkzeuggeometrie. Gleichzeitig kann es jedoch anfälliger für lokale Schädigungen der Polymermatrix oder das Herauslösen einzelner Füllstoffpartikel sein.
Daher müssen dasselbe Schleifprogramm und derselbe Schleifstein auf unterschiedlichen Skibelägen nicht zwangsläufig identische Strukturen erzeugen.
Die Geometrie des Schleifsteins legt die angestrebte Strukturform fest. Die tatsächlich entstehende Form wird jedoch auch dadurch bestimmt, wie das jeweilige Material auf Druck, Schubbeanspruchung, elastische Verformung und Materialtrennung reagiert.
Der Schleifstein definiert somit die Strukturgeometrie, während das Skibelagmaterial bestimmt, wie genau, sauber und reproduzierbar diese Geometrie hergestellt werden kann.
Bildung unerwünschter Fasern
UHMWPE ist ein äußerst zähes Material, das aus außergewöhnlich langen Polymerketten besteht.
Beim Schleifen erfolgt der Materialabtrag nicht ausschließlich durch einen sauberen Schnitt. Einzelne Polymerketten können von einem Schleifkorn herausgezogen und gedehnt werden, bevor sie schließlich reißen.
Dadurch entstehen unerwünschte Fasern und feine Härchen unterschiedlicher Länge auf der bearbeiteten Oberfläche.
Ihre Entstehung wird außerdem durch die innere Heterogenität von UHMWPE begünstigt. Das Material enthält abwechselnd kristalline, amorphe und Übergangsbereiche, die sich hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit und Bearbeitungsverhalten unterscheiden.
Länge, Dichte und Verteilung der entstehenden Fasern sind daher nicht vollkommen gleichmäßig.
Rußpartikel verändern die innere Struktur der Polymermatrix und beeinflussen die Art, wie das Material beim Schleifen getrennt wird.
Bei geeigneter Partikelart, Konzentration und Dispersionsqualität können sie das weitgehende Herausziehen langer Polymerketten begrenzen und eine kürzere, sauberere Trennung des bearbeiteten Materials begünstigen.
Rußpartikel können somit bevorzugte Stellen für die Materialtrennung schaffen.
Eine Schädigung muss sich dann nicht zwangsläufig über einen langen Abschnitt einer Polymerkette fortsetzen, sondern kann im Bereich eines Partikels oder Partikelaggregats lokal unterbrochen werden.
Dadurch kann die Bildung langer, aus der Oberfläche herausragender Fasern begrenzt werden.
Das Ergebnis kann eine Oberfläche mit weniger Faserbildung, präziseren Rillenkanten und insgesamt saubererem Materialabtrag sein.
Die Qualität dieses Ergebnisses wird jedoch nicht allein durch die Menge des zugesetzten Rußes bestimmt.
Ebenso wichtig sind die Partikelgröße, die Aggregatstruktur, die Gleichmäßigkeit der Verteilung und die Qualität der Anbindung an die Polymermatrix.
Formstabilität während des Schleifvorgangs
Der zweite wichtige Parameter ist die Materialsteifigkeit, die insbesondere durch den Elastizitätsmodul beziehungsweise E-Modul beschrieben wird.
UHMWPE selbst ist sehr zäh, gleichzeitig aber auch vergleichsweise elastisch.
Unter der Einwirkung eines Schleifkorns oder des vom Schleifstein ausgeübten Drucks verformt sich die Oberfläche deshalb zunächst elastisch.
Ein Teil des Materials weicht vor dem Werkzeug aus und kehrt nach der Entlastung zumindest teilweise in seine ursprüngliche Form zurück.
Je stärker das Material während des Schleifens elastisch nachgibt, desto schwieriger ist es, eine geometrisch präzise Struktur herzustellen.
Die Rillenkanten können weniger scharf ausgeprägt, die Rillentiefe weniger gleichmäßig und die endgültige Strukturform von der Geometrie des Schleifsteins abweichend sein.
In diesem Zusammenhang wirkt Ruß vor allem als verstärkender Bestandteil der Polymermatrix.
Seine Gesamtwirkung hängt nicht nur von der zugesetzten Menge ab, sondern auch von Partikelgröße und Partikelstruktur, Aggregatgröße, Dispersionsqualität innerhalb des Polymers, der Anbindung zwischen den Partikeln und UHMWPE sowie den Press- und Sinterbedingungen.
Eine gut abgestimmte Materialzusammensetzung kann den Elastizitätsmodul erhöhen, Verformungen unter Belastung verringern und dadurch die Genauigkeit des Schleifvorgangs verbessern.
Ein steiferer Skibelag kann die Form der Strukturrillen wirksamer beibehalten und ermöglicht eine genauere Übertragung der Schleifsteingeometrie auf seine Oberfläche.