WO2019015801A1 - Ski-kern aus faserstabilisiertem steinmaterial - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Skikern aus Steingut, welcher einen Höhenverlauf hat, der dem Höhenverlauf des Skis entspricht und der Länge nach in einen Ski eingebaut mit einem faserstabilisierenden Mantel unter Vorspannung gegen Bruch geschützt ist, um damit die für einen Ski wichtige Dämpfung durch gut dämpfende mineralische Materialien bruchfrei zu gewährleisten. Vorzugsweise wird auf der Unterseite des Fasermantels ein unidirektionales Gelege verwendet, welches die maximale Steifigkeit für eine nachhaltige Vorspannung gewährleistet. Um die Vorspannung im Betrieb zu erhöhen und einstellbar zu machen, kann der Kern durch Anlegen einer Spannungsquelle beheizt werden.

Description

Ski-Kern aus faserstabilisiertem Steinmaterial

Die Auswahl von Materialien in der Skiverarbeitung ist eines der Kernthemen beim Bau von Ski. In der Vergangenheit wurden Ski aus Holz gebaut. Zum Beginn der Skientwicklung war dies sicherlich deshalb zielführend, weil es zum Beginn der Entwicklung kein einfacher zur verarbeitendes Material gab, um schnell zu dem gewünschten Ziel zu kommen, die Kunst des Skifahrens überhaupt zu entwickeln. Das Anbringen von Kanten aus Stahl ist relativ einfach mit Schrauben möglich gewesen, um nur eine der Entwicklungsschritte, die sich beim Ausprobieren für eine Weiterentwicklung des Sports als Notwendigkeit herausstellten, zu nennen.

In dieser Entwicklungsphase stellte sich natürlich auch schnell heraus, dass Holz seine Grenzen hat, zum Beispiel in der mechanischen Belastbarkeit. Aus diesem Grund fing man bald an nach anderen Materialien zu suchen, zum Beispiel Stahl, der in Folge das Holz komplett ersetzte. Auch bei Stahl stellte sich schnell heraus, dass es Belastbarkeitsgrenzen gibt, und zwar in diesem Fall die Dauerbelastung eine Grenze setzte. Stahl verliert bei Dauerlastwechseln die Steifigkeit und wird müde, was sich darin äußert, dass dem Ski die nötige Vorspannung abhanden kommt und nach einiger Zeit des Gebrauchs vollständig verloren geht. Zum anderen waren solche Ski aus Stahl relativ schwer im Vergleich zum Ski aus Holz.

Im nächsten Schritt wurde Aluminium verwendet, welches wesentlich leichter ist als Stahl, was sich im spezifischen Gewicht wiederspiegelt, welches um einen Faktor 2,8 geringer ist, als das von Stahl.

Aus diesem Grund waren solche Ski nun wieder deutlich leichter und hatten aber den Nachteil, dass die elastische Verformbarkeit von Aluminium nicht die gleiche Qualität hat, wie die von Stahl, so dass sich schon bei einer einmaligen Überlast solche Ski sehr schnell komplett verbiegen, was zur Folge hat, dass eine Überlast anders als beim Stahl dazu führt, dass der Ski nicht wieder in die ursprüngliche Form kommt, da er durch Überlast lokal partiell verbogen wird, da eine Überlast beim Stahl über eine weitere Strecke der Geometrie verteilt wird und sich deshalb nicht unmittelbar lokal äußert, sondern wie erwähnt eher in eine Dauerlastermüdung mündet.

Ein verbogener Alu-Ski kann nur noch entsorgt werden.

Im nächsten Schritt wurden Kunststoffe ausprobiert, welche die oben beschriebenen Nachteile fast ausnahmslos ausgleichen und auch dauerhaft in der gewünschten Form bleiben, insbesondere dann, wenn die Kunststoffe mit Hilfe von Fasermaterialien wie Glasfasern, Steinfasern und Kohlefasern stabilisiert sind. Als bindende Harze werden die üblichen Kunstharze verwendet, entweder Duroplaste oder auch thermoplastische Verbund harze. Ein Nachteil ist hier die fehlende Dämpfung.

Im nächsten Schritt wurden Hybridstrukturen ausprobiert, die wieder die Materialien wie Holz, Stahl und Aluminium ins Spiel brachten, jedoch nunmehr nur noch partiell und durch Stabilisierung mit den oben erwähnten faserstabilisierten Kunststoffen wie GFK und CFK, beziehungsweise auch Steinfasergelegen, die mit Kunstharz stabilisiert und den restlichen Materialien verklebt werden.

Als völlig neue Stufe im Skibau ist die Verwendung von Stein anzusehen, der im nächsten Schritt ausprobiert wurde, da eine Faser-Ummantelung des Natursteins dazu führt, dass dieser nicht mehr bricht und seine Elastizität ausspielen kann, die er unter Druck bzw. Vorspannung hat. Ein typischer Granit hat das gleiche E- Modul wie Aluminium und auch das gleiche spezifische Gewicht wie Aluminium, wenn er mit einem Mantel aus Carbonfasern versehen ist. Die Beschichtung des Steins mit der Faser wird so durchgeführt, dass der Stein unter dauerhafte Vorspannung kommt. Die Dauerelastizität ist dabei dann gegeben, wenn die Vorsspannung hoch genug ist, dass die Streckgrenze des Natursteins nicht überschritten wird, was durch die Vorspannung mit Carbon im Zuglastfall verhindert wird. Granit hat eine ähnlich hohe Druckbelastbarkeit im plastischen Bereich, wie Stahl. Dass Naturstein bruchfrei flexibel gemacht werden kann, wird zum Beispiel in der EP 106 20 92 beschrieben. Das beruht auf der Tatsache, dass Stein ein ähnliche geringes e-Modul hat wie Aluminium, also unter Druck eine hohe Elastizität zeigt. Dies führt dazu, dass Naturstein auch im Skibau, wie in der EP 106 20 92 beschrieben, eingesetzt werden kann. Erste am Markt getestete Ski mit einem Kern aus ummanteltem Stein zeigten auch nach Jahren der Belastung keine Risse im Steinmaterial. Der Vorteil äußerte sich nicht nur in einer hohen Steifigkeit ähnlich der von Stahl, bei gleichzeitig geringem Gewicht ähnlich dem von Aluminium, sondern auch darin, dass der Naturstein eine gute Dämpfung, die auf das Dämpfungsmaß von Granit von 2% zurückgeführt werden kann, in den Ski bringt, was eine angenehme Laufruhe, schnellen Schwingungsabbau und eine gute Stoßdämpfung zur Folge hat.

Zu diesem Zweck wird der Stein mit dieser Erfindung in der gesamten Länge in den Ski gebracht, um die Schwingungsenergie über die gesamte Länge des Skis abzubauen. Dazu wird die Geometrie des Steinkerns dem Höhenzug des Skis angepasst, was zum Kern der Erfindung wird.

Bei dieser neuen Anmeldung geht es um die passende Ausführung solcher Kerne aus ummanteltem Stein über die gesamte Länge des Ski. Da der Stein nur unter ausreichender Vorspannung bruchfrei bleibt, ist die Vorspannung bei diesem Prozess eine Grundvoraussetzung, um den Stein auf der gesamten Länge dauerhaft elastisch zu halten und vor Ermüdung durch Haarrisse zu schützen, auch wenn er in der Mitte einen relativ starken Höhenzug hat. Um das zu erreichen, muss der Steinkern an der Spitze des Ski und am Ende jedoch auch so dünn sein, dass er in die normale Geometrie eines Skis hinein passt und im Verbund mit den anderen benötigten Materialien seinen Platz findet.

Aus diesem Grund wird der Steinkern aus einer beidseitig faserstabilisierten Platte aus Stein, wie in der EP 106 20 92 beschrieben, mit dem Wasserstrahl einer Querschnitts-Geometrie der gewünschten Ski-Form folgend ausgeschnitten und anschließend mit Hilfe von GFK und CFK, Dyneema, Aramidfasern oder Basaltfasern, vorzugsweise jedoch mit steifen Carbonfasern vollummantelt oder teilummantelt, aus Kostengründen vorzugsweise nur an Oberseite und Unterseite, da die Kerne bereits durch das beidseitige Beschichten der Basisplatte aus Stein eine vor-stabilisierende Seitenbeschichtung haben, damit der an den Enden sehr dünne Steinkern beim Schneiden mit Wasserstahl nicht brechen. Die Dicke der Platte richtet sich danach, wie stark der Steinkern im Ski zur Stabilität und Dämpfung beitragen soll. Hier gibt es viele Variationsmöglichkeiten schmalere oder breitere Steinkerne zu verarbeiten und den Rest mit leichten anderen Materialien oder gar Hohlräumen, die auch schaumgefüllt sein können, zu füllen. Anschließend werden die Deckschichten auf einen solchen Korpus aufgebracht und die üblichen Stahlkanten eingearbeitet. Außer Naturstein kann auch Kunststein zur Anwendung kommen, wie zum Beispiel harzgebundene Steinmehle, Keramik, hochfester Beton und auch Glaskeramik oder Glas, die jedoch alle ein unterschiedliches Dämpfungsverhalten aufweisen. Aus diesem Grund ist ein kompakter Granit aus derzeitiger Sicht ein gut passendes und einfach herzustellendes Material für den beschriebenen Verbund. Im Prinzip eignen sich alle druckstabilen Mineralien, die im Folgenden als Steingut bezeichnet werden. Besondere Stabilisierungseigenschaften ergeben sich dann, wenn mindestens an der Unterseite des Steingutkerns unidirektionale Fasergelege zum Einsatz kommen, um durch die hohe Steifigkeit solcher Gelege eine optimale Vorspannung des Steinguts zu gewährleisten. Wenn das Carbongelege vorn und hinten zusätzlich mit einem Stromanschluss versehen wird, kann der Steinkern auch beheizt werden, was die Vorspannung während der Beheizung erhöht.

Da die Fasern einen niedrigen ohmschen Widerstand haben und der Faserquerschnitt relativ klein ist, kann bereits mit einer geringen Spannung ein relativ hoher Strom zum Fluss gebracht werden, der zunächst die Faser und im nächsten Schritt den Steinkern aufheizt. Da der Ausdehnungskoeffizient des Steins um Faktoren höher ist als die der Faser, entsteht in Folge automatisch eine natürliche Verstärkung der Vorspannung, der gesamte Ski wird durch die Beheizung extrem viel steifer, da der Ausdehnungskoeffizient der Carbonfaser quasi Null beträgt.

Die Abb. 1 zeigt in der Abbildung oben einen Mitten-Längs-Schnitt durch einen solchen Steingutkern (1 ), der mit Carbonfasermaterial (2 ) vollummantelt ist und in der unteren Abbildung eine Seitenansicht des ummantelten Kerns mit der Carbonschicht 2 an der Oberfläche. Jeweils links ist die Spitze des Skikerns dargestellt und rechts das Ski-Ende. Die Abb. 2 zeigt einen 90° Querschnitt A- A durch den Längs-Schnitt in Abb. 1 und einen 90° Gesamt- Querschnitt B-B durch den Kern in Seitenansicht aus Abb. 1., sowie in Abb. 3 die Drauf- bzw. Unteransicht des ummantelten Kerns mit der Carbonschicht (2 ) an der Oberfläche. Es können auch je Ski zwei Steinkerne an den beiden Seiten eingebaut werden, so dass die Steinkerne an der Seite zu sehen sind. In diesem Fall wird auf die äussere Seitenbeschichtung durch Fasern verzichtet, damit der Stein auch optisch zur Geltung kommt. In einem Spezialfall kann der Ski auch im gesamten Kern aus faserstabilisiertem Stein bestehen.

Claims

Patentansprüche

[1] Anordnung von einem Ski mit einem Kern aus faserstabilisiertem Steingut, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern teilummantelt oder komplett faserummantelt durch die Faser vorgespannt wird und eine geometrische Form hat, deren Höhenverlauf in Längsrichtung gesehen in der Mitte höher ist, als an den beiden Enden.

[2] Anordnung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenverlauf des Kerns in Längsrichtung kontinuierlich der variierenden Dicke des zu stabilisierenden Ski entspricht.

[3] Anordnung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenverlauf des Kerns kontinuierlich der variierenden Dicke des zu stabilisierenden Ski abzüglich der unteren und oberen Deckschicht oder den unteren und oberen Deckschichten entspricht.

[4] Anordnung gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die faserstabilisierende Ummantelung mit Hilfe von Carbonfasern, Glasfasern, Steinfasern, Dyneema, Aramidfasern oder einem Gemisch dieser Fasern ausgeführt ist.

[5] Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einer Schicht der Ummantelung eine Carbonschicht oder carbonfaserhaltige Schicht befindet, die mindestens zwei für einen Stromfluss notwendige Stromeinleitungsanschlüsse hat, um den Skikern durch Stromfluss in der Faser zu beheizen.

[6] Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steingut ein Naturstein, Gneis, Marmor, Basalt, Quarzit oder Kunststein, Beton, Keramikmaterial, Glas bzw. Glaskeramik ist.

[7] Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Faser stabilisierende klebstoffartige Kunstharz- Verbindung ein duro- oder thermo-plastisches Harz ist.

[8] Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der stabilisierenden Faserschichten auf der Unterseite des Steingutkerns ein unidirektionales Fasergelege ist.

[9] Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steinkern sich durch die Faserbeschichtung in einem permanenten Zustand der Vorspannung befindet.

[10] Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass je Ski zwei Steinkerne an den Aussenseiten eingebaut werden, wobei die Aussenseite keine Faserbeschichtung besitzt.