Ultrafast laser treated AISI 301 : sliding performance on snow

Over the years, almost every layer and component in ski structure have been redesigned and upgraded to achieve the best performance. Ski bases, made of Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE), are an exception. However, the recent increase in the use of artificial snow, resulting in harder and more compact snow tracks, has led to severe abrasion and wear problems for these bases. AISI 301 could constitute a possible solution to this issue, except that its sliding properties are worse than those of UHMWPE. Both physical and chemical surface treatments are thus studied to decrease the friction coefficient of AISI 301 on snow, with the aim of at least equalling that of UHMWPE. In particular, in this thesis the enhancement of the sliding properties of AISI 301 samples, due to the formation of a surface nano-ripple pattern through picosecond laser treatments, is proved. Indeed, some samples matched the performance of UHMWPE, both at higher (0°C) and lower temperature (-15°C). Furthermore, the durability of the treatment is demonstrated: the pattern remained on almost the entire sample surface after the tests. Ski waxes however, which are widely used for UHMWPE ski bases, have demonstrated to be ineffective or even detrimental on AISI 301 ski bases. All the solutions here proposed have been tested on a snow tribometer. Moreover, a Styrofoam support was used to contain the snow track; the support was specifically designed to be put inside a freezer, to prevent snow metamorphism.

Nel corso degli anni, quasi ogni componente nella struttura dello sci è stata riprogettata e perfezionata per ottenere prestazioni migliori. Le solette, realizzate in polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE), sono un’eccezione. Tuttavia, la recente diffusione della neve artificiale, che vede come conseguenza piste con neve più dura e compatta di quella naturale, ha portato a gravi problemi di abrasione e usura di queste solette. L'acciaio AISI 301 potrebbe costituire una possibile soluzione a questo problema, ma le sue proprietà di scorrimento sono peggiori di quelle di UHMWPE. Vengono quindi studiati trattamenti superficiali sia fisici, sia chimici per diminuire il coefficiente di attrito di AISI 301 sulla neve, con l'obiettivo minimo di eguagliare quello di UHMWPE. In particolare, in questa tesi viene dimostrato il miglioramento delle proprietà di scorrimento dei campioni in AISI 301, dovuto alla formazione di un pattern periodico superficiale attraverso trattamenti di irraggiamento con laser a picosecondi. In effetti, alcuni campioni hanno persino eguagliato le prestazioni di UHMWPE, sia a temperature più elevate (0°C), sia a temperature più basse (-15°C). Inoltre, viene dimostrata la durabilità del trattamento: il pattern è rimasto su quasi tutta la superficie dei campioni anche dopo le prove. Al contrario, le scioline, largamente utilizzate per le solette in UHMWPE, si sono dimostrate inefficaci o addirittura dannose sulle solette in AISI 301. Tutte le soluzioni proposte sono state testate tramite l’utilizzo di un tribometro. Inoltre, per contenere la pista di neve è stato utilizzato un supporto in polistirolo, appositamente studiato per essere inserito all'interno di un congelatore, per evitare che la neve subisca metamorfismo.