Ausgezeichnete Forschung für schnellere Skibeläge

23.6.2016

Auf der Jagd nach kleineren Abfahrtszeiten schleifen und wachsen Wintersportler mit viel Erfahrung ihre Skibeläge. Doch was genau zwischen dem Skibelag und der Schneeoberfläche geschieht, ist bislang wenig erforscht. Einen großen Schritt hat Dr. Roman Böttcher vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, MikroTribologie Centrum µTC, gemacht und dafür einen Preis der Stiftung Industrieforschung erhalten: Er verglich systematisch die Reibung verschiedener Belagsstrukturen bei unterschiedlichen Umgebungsverhältnissen und fand für Skihersteller und Schleifbetriebe etliche Optimierungsmöglichkeiten bei Skibelägen und -schliffen.

Fraunhofer IWM, MikroTribologie Centrum: tribologisch Messungen an Skioberflächen
© Foto Fraunhofer IWM

Der klimatisierte Reibungsmessstand für die Skibeläge.

Böttcher hat sich bei seiner Suche nach den Faktoren und Prozessen, die für die Reibung zwischen Skibelag und Schnee verantwortlich sind, zunächst den sogenannten Steinschliff genauer angesehen. Dieser Schliff ist üblicherweise bei Skiherstellern die Basis der Belagsbearbeitung. Mit dieser Bearbeitungsmethode wurden Schliffe mit verschiedenen Geometrien hergestellt, zusätzlich wurden auch geprägte Strukturen mit definierter Kontaktgeometrie erzeugt. »In großen Reibungsmessmaschinen, so genannten Tribometern, habe ich die Belagsproben auf unterschiedlichen Untergründen getestet: auf Eis oder feinem und grobem Schnee,« erklärt Böttcher sein Vorgehen. Dabei änderte er jeweils auch die Temperatur der Gleitoberfläche, die Geschwindigkeit, mit der die Probe über den Untergrund flitzte und den Anpressdruck. Nachdem er die jeweilige Schneebeschaffenheit sowie die Skibelagsoberfläche mikroskopisch analysiert und charakterisiert hatte, leitete er mathematische Modelle ab, die dieses Kontaktsystem gut beschrieben. »Wir nehmen in den Modellen bestimmte Mikromechanismen an, um den Kontakt- und Reibungsprozess zu erklären und haben damit eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Theorie und den gemessenen Werten gefunden«, so Böttcher.

Fraunhofer IWM, MikroTribologie Centrum: Reibungsmessungen mit unterschiedlichen Schneearten
© Foto Fraunhofer IWM

Untergründe der Reibungsmessungen: links Eis, Mitte feiner Schnee, rechts grober Schnee.

Auszeichnung für Ergebnisse, die Skiherstellern nutzen

Für diese Arbeit, die er in seiner Dissertation »Zur Tribologie von strukturierten Skibelägen auf Eis und Schnee« veröffentlichte, erhielt er am 23.6.2016 den dritten Preis der Stiftung Industrieforschung beim Petersberger Industriedialog in Königswinter. Die Stiftung zeichnet hervorragende ingenieurtechnische Arbeiten aus, die wissenschaftliche Originalität sowie methodische Stringenz vereinen und zugleich nützliche Ergebnisse für kleine und mittelständische Unternehmen darstellen. Die ersten drei Preise sind mit insgesamt 15000 € dotiert, die die Jury aufteilt.

Weniger Reibung im Kontakt zwischen Skibelag und Schnee

Beim Gleiten des Skis über Schnee bringt die entstehende Reibungswärme die Schneekristalle an der Oberfläche zum Schmelzen. Dieser Wasserfilm »schmiert« den Kontakt - damit ist die Temperatur im so genannten Reibspalt entscheidend für den Gleitvorgang. Böttcher fand heraus, dass die Kontaktfläche auf makroskopischer Ebene möglichst gering gehalten werden sollte, um die Wasserproduktion durch eine erhöhte Leistungsdichte zu fördern. Auf der mikroskopischen Ebene dagegen sollten die Erhebungen, die das Schleifen auf dem Skibelag hinterlässt, jedoch eine möglichst große Fläche aufweisen. »Die Einzelkontakte sollten nicht durch den Schnee pflügen, sondern eher darüber gleiten«, erklärt Böttcher. Ein weiterer Faktor, der die Reibung beeinflusst ist die Wärmeleitfähigkeit der Beläge. Diese kann über Füllstoffe im Belagsmaterial eingestellt werden.

Neben den Erkenntnissen zur Kontaktfläche bietet die gezeigte Übereinstimmung zwischen Reibungsmodell und Messergebnissen noch auf weiteren Ebenen Optimierungspotenziale. »Wir können auf der Basis unseres tribologischen Modells Vorschläge machen, wie der Mix von Skibelagsstruktur d.h. Kontaktgeometrie, Kontaktzahl und Kontaktfläche sowie Wärmeleitung und Belagshärte so auf die Schneebedingungen abgestimmt werden kann, dass die Reibung möglichst gering ist«, sagt Böttcher. Hersteller von Skibelägen und Schleifbetriebe können damit Ski so optimieren, so dass die Energie des Sportlers in Geschwindigkeit statt in Reibung umgesetzt wird. »Der nächste Schritt ist, die Wachsschicht in das Kontaktsystem aus Belagsschliff und Schneeoberfläche einzubauen«, so Böttcher »damit können wir für Skirennläufer weitere Zeitgewinne erschließen«.
Die Erkenntnisse zur Reibung im Kontakt zwischen Ski und Schnee, lassen sich aber auch auf die Optimierung des Kontakts zwischen Kufen und Eis übertragbar und damit auch auf Bobschlitten oder die Auslegung von Bobbahnen.

Kontakt:

Prof. Dr. Matthias Scherge
Telefon +49 721 4640-750
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MikroTribologie Centrum µTC