<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Lauffläche für Gleitein- richtungen, z,B. Skier, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte strukturierte Lauffläche.
Beim Gleitvorgang von Skiern auf Schnee kommt es zur Ausbildung eines mikroskopischen
Wasserfilms. Um den Effekt einer gesteuerten Wasserfilmführung einerseits und andererseits ein gezieltes Abreissen des Wasserfilms zu vereinigen, ist durch die AT 398 038 B ein Ski mit einer makrostrukturierten Lauffläche in Form von geraden und zueinander parallelen, in der Längsrich- tung des Skis verlaufenden Längsrillen vorgeschlagen worden, wobei die Längsrillen zwischen 3 und 20 mm Länge, zwischen 0,05 und 0,25 mm Breite und zwischen 0,01 und 1 mm Tiefe aufwei- sen und zellenförmig und voneinander in der Längsrichtung des Skis abgesetzt angeordnet sind.
Die potentielle Energie beim Bergabgleiten wird in kinetische Energie umgesetzt, wobei Ener- gieverluste durch Luftwiderstand und Reibungswärme entstehen. Hiebei wurde erkannt, dass die
Gleitreibung zwischen Schnee- und Skibelag verschiedene voneinander abhängige Auswirkungen hat. Einerseits wird durch äussere Reibung, die direkt zwischen Lauffläche und Schnee stattfindet, der Schneekristall aufgeschmolzen und damit ein hydromechanisches Schmiermittel erzeugt, das den Reibungswiderstand des Gesamtsystems Lauffläche-Schnee beträchtlich herabsetzt, da die
Lauffläche nicht mehr auf harten Schneekristallen gleitet, sondern auf dem feinen aufgeschmolze- nen Wasserfilm. Durch diesen Wasserfilm kommt es aufgrund der Zähigkeit des Wassers zur Ausbildung einer inneren Reibung im Wasserfilm.
Diese innere Reibung ist zwar im Wesentlichen viel geringer als die äussere, es kann aber in Folge hoher Strömungsgeschwindigkeit zur Erzeu- gung von Unterdruck, wie auch zur Ausbildung von Turbulenzen im Wasserfilm kommen, die eine stark energieverzehrende und damit bremsende Wirkung haben. Durch den direkten mechani- schen Kontakt der Schneekristalle mit der Struktur der Lauffläche kann es zu negativen Deformati- onserscheinungen der Kontaktmaterialien-Lauffläche und Schnee kommen. Diese sind wiederum abhängig von der geometrischen Ausbildung der Laufflächenstruktur sowie von den elastischen
Eigenschaften der eingesetzten Materialien.
Im Skibau werden als Belagwerkstoff extrudierte Polyethylenbeläge eingesetzt. Für Spitzen- produkte und im Rennlauf sind auch vor allem Skilaufflächen aus gesintertem, hochmolekularem Niederdruckpolyethylen in Verwendung. Um eine optimale Gleit- und Fahreigenschaft der Skier zu erzielen, müssen die Laufflächen einschliesslich der Stahlkanten geschliffen werden. Dies geschieht durch Bandschliff oder Steinschliff.
Beim Bandschliff handelt es sich um Schleifbänder, deren Band, Bindemittel, Schleifkorngrö- #en sowie die Art der Bearbeitung der Skilauffläche optimiert wurden.
Beim Steinschliff handelt es sich um gebundene Schleifmittel, deren Einteilung nach verschie- denen Gesichtspunkten erfolgt : zumBeispiel nach Verwendungszweck oder nach der Art der verwendeten Rohstoffe, zum Beispiel natürliche (Glas, Bimsstein, Quarz, Granat, Korund, Dia- mant) oder künstliche (Siliziumkarbid, Borkarbid, Kubisches Bornitrid, synthetischer Diamant), oder nach steigender Härte (1000 bis 7000 kP/mm2 nach KNOOP) und nach der Korngrösse (0 bis 5000 um) .
Die Schleifscheiben werden dann mit speziellen Werkzeugen (wie Diamanten, Hartmetallen, Keramik etc. ) abgerichtet, wodurch spezielle Laufflächen-Strukturen erreicht werden.
Auf dem Schleifsektor besteht das Problem, dass sich die Schleifmittel (Band, Stein) abnützen (stumpf werden), wodurch keine definierte und gleichbleibende Schleifstruktur erreicht werden kann. Dementsprechend hat die Praxis gezeigt, dass die bekannten Verfahren und Mittel keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern.
Untersuchungen im Labor sowie im praktischen Gleittest haben gezeigt, dass die Makrostruk- tur allein nur einen Teil des Gleitvorganges beeinflusst.
Labortechnische Oberflächen-Messungen an der Skilauffläche mit einem Lasermikroskop (Mik- robereich) und einem Atomkraftmikroskop (Nanobereich) haben zusätzlich zur Makrostruktur eine reliefartige Mikrostruktur, ähnlich einer Berg- und Tallandschaft im Mikrobereich gezeigt, bei der sich die "Gebirgshöhen" bzw. "Taltiefen" in einem Grössenbereich < 10 m Tiefe bis hinunter in den Nano- und Angströmbereich bewegen.
Aus praktischen Erkenntnissen wurde nachgewiesen, dass für den Gleitvorgang diese Mikro- struktur zusätzlich zur Makrostruktur von entscheidender Bedeutung ist. Dies kann am ehesten verglichen werden mit dem "Lotus-Effekt" von selbstreinigenden Oberflachen, bei dem ebenfalls die Mikrorauigkeit eine sehr wichtige Rolle spielt.
<Desc/Clms Page number 2>
Ein optimal geschliffener Ski besteht aus einer Makrostruktur ( > 20 m Tiefe und optisch sicht- bar) und einer Mikrostruktur ( < 10 m Tiefe und nur unter dem Mikroskop sichtbar).
Die Makrostruktur wird beim Schleifen durch das Abziehen des Schleifsteins mit Diamanten er- reicht. Durch unterschiedliche Einstellungen (Drehzahl, Vorschub, Form, Zustellung etc. ) kann die
Makrostruktur den Erfordernissen weitgehend angepasst werden.
Die Mikrostruktur ist aber durch das Schleifen nicht kontrollierbar und ist von einer Vielzahl von
Faktoren abhängig.
Dazu zählen die Werkstoffparameter (Material, Herstellungsverfahren etc. ), die Schleifparame- ter (Steintyp, Abziehbedingungen, Schleifbedingungen, Schleifmaschine, etc. ) und die Umweltbe- dingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Raum etc.).
Die praktisch erreichbaren Mikrostrukturen sind so stark unterschiedlich, dass Rennskier für den Spitzensportbereich alle praktisch getestet werden müssen, weil gleich geschliffene Skier sich bei einer Abfahrt von 60 Sekunden bis zu 1 Sekunde und mehr unterscheiden.
Durch herkömmliche Bearbeitungsmittel, wie Schleifen etc., ist die Ausprägung dieser Mikro- struktur zwar als gebirgiges, wellenförmiges Gebilde erkennbar, aber nicht definiert, d. h dem Zufall überlassen, abhängig von den Schleifmitteln, von ihrer natürlichen Körnung, von der Zusammen- setzung und von den Bearbeitungen der Schleifwerkzeuge.
Für Nassschnee sind grobe, für Normalschnee mittlere und für Kaltschnee feine, flach verlau- fende Strukturen erforderlich.
Neben der Grösse ist aber auch die Form der Mikrostruktur ein wichtiger Parameter für den
Gleitvorgang am Schnee.
In Frage kommen Kugelkalotten, Teile eines Ellipsoids, Paraboloids oder geradlinige V-förmige oder U-förmige Strukturen in verschiedenen Abmessungen.
Durch die US 5 727 807 A ist ein Ski bekannt geworden, bei welchem zur Erzielung einer kor- rekten Gleitfähigkeit eine Makrostruktur der Lauffläche vorgeschlagen wurde.
Durch die AT 383 744 B ist ein Laufbelag bekannt geworden, bei dem anstelle der bei Lang- laufskiern üblichen Schuppen eine rückleithemmende Mikrostruktur vorgeschlagen wird. Solche
Steighilfen wurden durch trockenen Schliff erzeugt, indem die Lauffläche mit Schleifmitteln mit sehr abrasiven Mitteln geschliffen wurde, mit dem Ergebnis, dass eine pelzartige, haarige Struktur entstanden ist, die in Anlehnung an die früheren oder alternativen Steighilfen, wie Aufkleben von
Fellen, Seehundfellen u.a. eine Alternative dargestellt hat.
Aufgabe der Erfindung ist die Gleiteigenschaften von Skilaufflächen gegenüber den bekannten Massnahmen zu verbessern und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Mikrostruktur in den Bereichen kleiner 10 \im Tiefe gezielt definiert aufgebracht werden kann, und vorteilhafterweise auch noch die Makrostruktur im selben Bearbeitungsverfahren mitgefertigt werden kann, um eine gleichmässige Mikrostruktur zu erzielen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss die Strukturierung im Prägeverfahren aufgebracht wird und zumindest eine Mikro- und allenfalls eine Makrostruktur beinhaltet. Falls die Mikro- und die Makrostruktur im gleichen Bearbeitungsver- fahren hergestellt wird, erfolgt eine rationelle Herstellungsweise mit damit verbundener Produkti- onsverbesserung.
Beim Prägeverfahren wird der Ski durch eine Parallelführung exakt mittig geführt, wobei der Vorschub und der Anpressdruck stufenlos regelbar sind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Mikrostruktur durch Prägewalzen herge- stellt, wodurch eine einfache Bauweise der Anlage bei höheren Anpressdrücken als es bei Präge- bändern möglich ist, erzielbar wird.
Anstelle von Prägewalzen können auch Prägerollen eingesetzt werden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Lauffläche von vorne nach hinten unter- schiedliche Strukturen auf.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Lauffläche quer über den Ski unter- schiedliche Strukturen auf.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine definierte Mikro- und Makrostruktur mit Hilfe von Prägewalzen oder Pragestempel gleichzeitig oder hintereinander aufgebracht. Die Mikro- struktur kann man in diese Walzen, beispielsweise über feine Hammerwerke mit feinen Nadeln, Hartmetallnadeln, oder zum Beispiel über Laserbearbeitung der Walze, einstellen. Es besteht auch die Möglichkeit, die Mikrostruktur durch gezieltes Sandstrahlen oder gezielte chemische Eingriffe,
<Desc/Clms Page number 3>
wie diverse Beizmittel aufzubringen, um zum Beispiel Korngrenzen des Stahlmaterials oder Alumi- niummaterials der Walzen freizulegen, um damit die Mikrostrukturen im Bereich 10 m Tiefe sowie bis hinunter in den Nanobereich gezielt einstellen zu können.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Strukturierung unter Einwirkung von Wär- me aufgebracht. In vorteilhafter Weise wird die Grenzschicht der Belagsfläche kurzzeitig auf sehr hohe Temperaturen erwärmt, so dass das Polyethylen in den plastischen Zustand gelangt, in welchem das Muster eingeprägt wird. Durch nachfolgendes Prägen mit kalten Walzen erstarrt die plastische Masse sehr schnell, und das Profil bzw. das Relief bleibt im Prägevorgang hinterher erhalten
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet eine Lauffläche für Gleitkörper, welche eine im
Prägeverfahren hergestellte Strukturierung aufweist und eine Mikrostruktur und bzw. oder eine
Makrostruktur beinhaltet. Eine solche Lauffläche kann unabhängig vom Gleitkörper hergestellt und auf den Gleitkörper aufgebracht werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch vorgesehen, den Gleitkörper mit einer Lauffläche zu versehen, auf welche im Prägeverfahren die Strukturierung aufgebracht wird.
Die Begriffe "Gleitkörper" oder "Gleiteinrichtung" sind im weitesten Sinne des Wortes zu ver- stehen, wobei darunter nicht nur Skier und Snowboards, sondern auch jedes andere Fahrmittel oder Fahrzeug zu verstehen ist, bei welchem die erfindungsgemässe Strukturierung die Fahreigen- schaften des Fahrzeuges verbessert.
Weitere Merkmale der Erfmdung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert, in welchen
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt sind.
Es zeigen Fig. 1 eine Draufsicht der Skilauffläche; Fig. 2 den Ausschnitt A der Fig. 1 in grösse- rem Massstab ; 3 einen Schnitt nach der Linie 111-111 der Fig. 2 ; Fig. 4,6, 7 und 9 bis 13 verschiedene Anordnungsmöglichkeiten von Mikrostrukturen; Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4 ; 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig. 7 ; die Fig. 14a bis 16d verschiedene Formen, die in den nachfolgend beschriebenen Anordnungen eingesetzt werden können.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Skilauffläche bezeichnet, auf welcher eine Mikrostruktur 2 sowie eine
Makrostruktur 3 aufgebracht sind. Sowohl die Mikro- als auch die Makrostruktur können in ver- schiedenen Formen ausgeführt sein.
Gemäss Fig. 4 und Fig. 5 ist die Mikrostruktur in einer parallelen Reihenanordnung vorgesehen.
Die Grössenordnungen sind in der
Länge L bis 100 m, in der Breite B bis 20 m, in der Tiefe T bis 6 m, der Längsabstand A bis 100 m, und der Zeilenabstand Z bis 100 m.
Fig. 6 zeigt eine Mikrostruktur mit einer versetzten Reihenanordnung. Der Winkel a beträgt vor- teilhaft zwischen 20 und 70 . Durch Variation der Parameter von Länge L, Breite B, Tiefe T, Längsabstand A und Zeilenabstand Z können beliebige Formen erreicht werden.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine asymmetrische Form, die unterschiedliche Gleiteigenschaften nach vor und zurück aufweist. Diese Eigenschaft wird besonders bei Langlaufskiern geschätzt, um gleichzeitig Gleiten und Steigen zu ermöglichen.
Fig. 9 zeigt ein Diagonalmuster mit gleichmässiger Zeilenanordnung, wobei die Zeilen unter ei- nem Winkel # zur Laufrichtung geneigt sind.
Fig. 10 zeigt ein Diagonalmuster mit abwechselnd rechts und links gerichteten Strukturen.
Fig. 11 zeigt ein X-förmiges Muster.
Fig. 12 zeigt ein tulpenförmiges Muster, welches auch als Steighilfe bei Langlaufskiern einge- setzt werden kann.
Fig. 13 zeigt ein sternförmiges Muster, welches besonders bei Nassschneebedingungen sehr gute Gleiteigenschaften besitzt.
Fig. 14a zeigt eine bootsförmige Vertiefung, welche gleichförmig nach Fig. 15a oder ungleich- förmig nach Fig. 16a ausgebildet sein kann.
<Desc/Clms Page number 4>
Fig. 14b zeigt eine kreisförmige Vertiefung, welche ebenfalls, wie Fig. 15b zeigt, gleichförmig oder entsprechend Fig. 16b ungleichmässig sein kann.
Fig. 14c zeigt eine eckige Form, welche entsprechend Fig. 15c gleichmässig oder wie Fig. 16c zeigt, ungleichmässig sein kann.
Fig. 14d zeigt eine nadelförmige Form, die ebenfalls entsprechend Fig. 15d gleichmässig oder entsprechend Fig. 16d ungleichmässig sein kann.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Lauffläche für Gleiteinrichtungen, wie Skier,
Snowboard, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung im Prägeverfahren aufge- bracht wird und eine Mikrostruktur, und allenfalls auch eine an sich bekannte Makrostruk- tur, beinhaltet.