Kategorie:Werkstoffe im Ski

Aus Snow & Tech
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Einführung

Werkstoffe sind für Skier die Materialien, die den Skier für alle möglichen Anforderungen optimieren sollen. Dabei spielt nicht nur die Nutzung bei kalten Temperaturen eine Rolle, sondern unteranderem ebenso die physikalischen Belastungen, die im Skier entstehen können. Deswegen müssen bei der Konstruktion und der Auswahl der Werkstoffe folgende Eigenschaften und Faktoren berücksichtigt werden:

Biegelinie
(hart oder weich)

Je härter der Ski in der Schimitte, desto

  • stärkere Rückfederung
  • bessere Richtungsstabilität
  • stärkerer Kantengriff auf harten Pisten
  • besser werden die Steuerkräfte auf dem Ski verteilt

Je härter der Ski in der Schischaufel, desto

  • schlechter die Dämpfung
  • bessere Spurstabilität

Je weicher ein Ski, desto

  • besseres Fahren auf Geländepisten
  • schlechter die Eigenschaften bei hohem Tempo
  • besser der Kantengriff bei weichen Pisten
Torsionssteifigkeit
(Verwindungs-, Verdrehsteifigkeit)

Je Torsionssteifer ein Ski, desto

  • instabiler bei übermäßigem Aufkanten (Rattern)
  • besser die Eisgriffigkeit
  • besser die Eignung für den geschnittenen Schwung
Dämpfungsverhalten

Je besser die Dämpfung, desto

  • besser ist der Ausgleich von Schwingungen und Vibrationen
  • bessere Laufruhe und Richtungsstabilität
Skigeometrie
(breit oder schmal)

Je breiter ein Ski, desto

  • mehr Auftrieb
  • leichter lässt sich der Ski drehen
  • besser das Gleichgewicht
  • mehr kraft zum Aufkanten

Je schmaler der Ski, desto

  • präziser die Kantenführung
  • besser für härtere Abfahrten
  • schneller sind Kantenwechsel möglich
Gewicht

Je hochwertiger die verwendeten Materialien, desto

  • geringer ist das Gewicht
Lebensdauer

Je hochwertiger die verwendeten Materialien, desto

  • länger ist die Lebensdauer
Preis

Je hochwertiger die verwendeten Materialen, desto

  • höher ist der preis

Werkstoffe im Ski

Polymere/Kunststoffe

Polymere sind nach DIN 7724 aufgeteilt in Duroplaste, Elastomere, Thermoplaste und Thermoplastische Elastomere. Alle drei besitzen verschiedene technische Eigenschaften, die zum Vorteil für den Skiaufbau genutzt werden können. Zum einen sind Härte und Elastizität zwei Dinge, die zwar gegensätzlich sind, aber für die Belastungen beim Ski fahren benötigt werden, um Bodenunebenheiten etc. unbeschädigt ausgleichen zu können.

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Thermoplaste Duroplaste Elastomere
Härte ++ - +
Elastizität + ++ o
Bruchfestigkeit + + +
Temperaturbeständigkeit o o ++
Wärmeformbeständigkeit + o +
Chemische Beständigkeit + - -
Verformbarkeit + - -
Kunststoffbezeichnungen
  • PE (Polyethen)
  • PP (Polypropen)
  • PS (Polysterol)
  • PVC (Polyvenil-chlorid)
  • PA (Polyamid)
  • PMMA (Polymethylmethacrylat)
  • PUR (Polyurethan)
  • UF (Aminoplaste)
  • MF (Melamin-Formaldehyd)
Verwendungsbeispiele
  • Folien
  • bruchfeste Verglasung
  • Einwegverpackungen
  • Matratzen
  • Fugendichtung
  • Wärmedämmung
  • Schaumstoffe
  • Steckdosen
  • elektr. Isoliermaterial
  • Oberflächen

Legende: ++ = sehr gut; + = gut; o = mittel; - = schlecht


Da Skier im Bereich des Gefrierpunktes Anwendung finden, werden Duroplaste eingesetzt. Die Härte dieses Werkstoffes entsteht durch die Herstellung, die durch Hauptvalenzbindungen dreidimensional fest vernetzt sind, um somit eine möglichst stabile Molekularstruktur zu erhalten. Deswegen ist eine nachträgliche Verformung nicht mehr möglich.

Metalle

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Nicht-Eisenmetalle

Werden in zwei Kategorien Schwer- und Leichtmetallen unterschieden:

  • Leichtmetalle besitzen eine Dichte von weniger als 4,5 g/cm³. Es gibt 15 Elemente, die als Leichtmetalle gelten. Titan ist das schwerste von ihnen. Aluminium, Magnesium und Titan sind als Konstruktionswerkstoffe interessant, wenn es um Gewichtseinsparung geht.
  • Schwermetalle weisen eine Dichte von 4,5 g/cm³ oder mehr auf. 64 Elemente sind Schwermetalle.

Stahl

Wird in zwei Sorten eingeteilt den Werkzeugstahl und Konstruktionsstahl:

  • Werkzeugstahl sollte je nach Anwendung unterschiedliche Eigenschaften erfüllen. In wenigen Fällen ist nur eine Eigenschaft relevant, oft werden aber mehrere Eigenschaften in Kombination gefordert. Zu den Hauptkriterien gehören z.B.: Zugfestigkeit, (erzielbare) Arbeitshärte, zulässige Arbeitstemperatur, Zerspanbarkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit. Dabei ist zu erwähnen, dass unlegierter Werkzeugstahl nur einen Kohlenstoffanteil von 0,5-1,5% besitzt und sich deswegen ist die Härte bei dieser Sorte besonders hoch.
  • Konstruktionsstahl (oft Baustahl genannt) ist durch den geringen Anteil an Kohlenstoff sehr gut zum Schweißen geeignet. Dennoch sind die Eigenschaften eher mäßiger ausgeprägt als beim Werkzeugstahl, da die Verwendung häufig auf die Herstellung von Stahlbeton beschränkt. Die Edel-/Qualitätsstähle finden hingegen durch ihre hohe Reinheit, d.h. einen Schwefel- und Phosphorgehalt von weniger als 0,025%, und der Korrosionsbeständigkeit eine gehäufte Verwendung in der Lebensmittelbranche.

Holz

Die Eigenschaften von Holz ist Abhängig von der Anordnung und der Ausrichtung der einzelnen Holzelemente, dem Gewebe und der Zellen. Holz besitzt im Vergleich zu anderen Werkstoffe einen sehr komplexen Aufbau. Holz besteht bis zu ca. 50% aus Zellulose und zu 24- 40% aus Zellulose-ähnlichen Stoffen, Abhängig von der jeweiligen Holzart. Der Anteil von Lignin in der Zellulose ist für die Festigkeit des Holzes verantwortlich. Die Festigkeit ist zudem abhängig von der Richtung der Faser, denn in Längsrichtung ist das Holz belastbarer, als in Querrichtung. Ca. 60.000 Holzarten sind bekannt, davon werden 300 verschiedene Holzarten gewerblich genutzt. Dazu gehören Naturhölzer, wie Nadelhölzer, Laubhölzer, Tropenhölzer, etc., aber auch Holzwerkstoffe, die zum Beispiel aus Spänen mit Leim und unter Druck zusammen gepresst werden. Furniere, dünne Holzscheiben, werden zur Oberflächenvergütung genutzt und aus ihnen stellt man das sogenannte Lagenholz her. Dieser spezielle Werkstoff aus Holz wird zudem als Metallersatz genutzt, da die hohe Festigkeit mit einzelnen Schichten aus Holz, die in Faserrichtung über Kreuz gelegt werden erzeugt wird und die Eigenschaft von Holz Schwingungsdämpfungen zulässt, ohne rissig zu werden.

Hartschaum

Hartschaum sind alle Kunststoffe, die durch Schäumen hergestellt werden und bei Zimmertemperatur einen festen Aggregatzustand aufzeigen. Polyurethan(PU)-Schaum gehört zu Beispiel zu diesen Kunststoffen, genauer gesagt zu den Duroplasten. Er hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, diese liegt bei 0,02 bis 0,03 W/qmK, weswegen er hauptsächlich als Dämmwerkstoff bekannt ist. Allerdings ist er durch seine gummielastischen Eigenschaften als Füllstoff zu gebrauchen, der bei Belastungen Schwingungen auffängt und dämpft. Ein weiterer bekannter Hartschaum ist Polystyrol (Styropor ®).

Glasfaserverstärkter Kunststoff

Die glasfaserverstärkten Kunststoffe, kurz GFK, bestehen aus einer Kunststoff-Grundmasse, in die zur Verstärkung Glasfasern eingearbeitet sind. Die Grundmasse besteht aus duroplastischen Kunststoffen, wie Polyester- und Epoxidharzen, seltener werden Thermoplasten eingesetzt. Die Glasfasern haben eine geringe Dichte (>2,5 kg/dm³) und eine hohe Zugfestigkeit. Die Faserrichtung spielt hierbei eine große Rolle, sind alle Fasern gleichgerichtet entsteht eine hohe Zugfestigkeit, ist dies nicht so nimmt die Zugfestigkeit ab. Diese Elastizität, die dadurch entsteht, wird bei stoßartigen Belastungen genutzt, damit keine Verformungen im Werkstoff stattfinden.

Vorteile Nachteile
  • hohes Leichtbaupotential
  • physikalische Eigenschaften
  • Dämpfung, Thermik
  • große Gestaltungsfreiheit
  • Kohlefaser ist sehr teuer
  • komplexe Modellierung
  • Faservolumen, Faserarchitektur

Bezug zur Ausbildung / Schule

Lernfeldrelevanz

  • Industriemechaniker/in

Lernfeld 1: Fertigen von Bauelementen mit handgeführten Werkzeugen (Inhalte: Eisen- und Nichteisenmetalle, Eigenschaften metallischer Werkstoffe, Kunststoffe)

  • Metallbauer/in

Lernfeld 5: Herstellen von Blechbauteilen (Inhalte: Werkstoffeigenschaften)

Quellenangaben

Literatur

  • Ruge,J. Wohlfahrt, H.: Technologie der Werkstoffe. Wiesbaden 2007, S.12 & S.89-91.
  • Hornbogen, E.; Eggeler, G.; Werner, E.: Werkstoffe. Heidelberg 2012, S.6-11.
  • Tabellenbuch Metall. Europa Lehrmittel, 45. Auflage, Haan-Gruiten 2011, S.167-171.
  • Fachkunde Metall. Europa Lehrmittel, 56. Auflage, Haan-Gruiten 2010, S.279-288 & S.324-328.
  • Reiss, J.:Alltagschemie im Unterricht. Aulis Verlag Deubner, 4. Auflage, Köln 1994, S.10-16 & S.79.
  • R. Bruce Hoadley: Holz als Werkstoff. O. Meier Verlag, Ravensburg 1990, S.12-13.
  • Peter Niemz: Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe. DRW-Verlag, Stuttgart 1993, S.1-2.
  • Eckhard Ignatowitz: Chemie für Schule und Beruf. 4.Auflage, Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 1999, S.85.
  • Türk, Oliver: Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Springer Verlag, Wiesbaden 2014, S.37-44.
  • Weitze, Marc-Denis: Werkstoffe. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2013, S.9-66.

Internet

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