Beim Faserwickeln werden kontinuierliche Verstärkungsfasern auf kontrollierten Bahnen über ein rotierendes Werkzeug zu hohlen Verbundbauteilen abgelegt. Die Begriffe verbinden Materialwahl, Ablageposition und Prüfung des fertigen Laminats. Rohre, Tanks, Masten und Druckbehälter verwenden ähnliche Begriffe, haben jedoch unterschiedliche Fertigungsbedingungen.

1. Von der Faserspule zum Wickeldorn

Wickeldorn — Formwerkzeug, das die Ablage trägt und die Innengeometrie bestimmt. Es kann herausziehbar, zusammenklappbar oder als verlorener Kern ausgeführt sein.

Liner — Innere Barriere, die im Bauteil verbleiben kann. Ein Liner ist nicht automatisch eine tragende Strukturschicht.

Spulengatter, Fadenspanner und Faserführungsauge — Das Gatter trägt die Spulen, der Spanner regelt die Zugkraft und das Führungsauge führt das Band zur Oberfläche. [1]

Beim Nasswickeln erhält die trockene Verstärkung während der Fertigung flüssiges Harz. Towpreg wird bereits mit eingearbeitetem Harz geliefert. Thermoplastisches Wickeln erfordert eine geeignete Heiz- und Konsolidierungsstrategie anstelle einer duroplastischen Aushärtungsreaktion. Die Prozesswahl verändert Handhabung, Lagerung und thermische Anforderungen. [2, 3]

2. Begriffe zu Verstärkung und Harz

Filament, Strang, Roving und Tow — Ein Filament ist eine einzelne Faser. Größere Faserbündel werden je nach Verstärkung und Lieferant als Strang, Roving oder Tow bezeichnet.

Tex und K-Zahl — Tex bezeichnet die längenbezogene Masse in Gramm je 1.000 m. Eine Kohlenstoff-Tow-Bezeichnung wie 12K bedeutet ungefähr 12.000 Filamente und legt keine Bündelbreite fest.

Bandbreite — Breite der abgelegten Verstärkung, senkrecht zur Ablagerichtung gemessen. Mehrere Bündel können ein Band bilden. [1]

Matrix — Zusammenhängende Harzphase um die Verstärkung. Ihr Verarbeitungsfenster und ihre ausgehärteten Eigenschaften beeinflussen Fertigung und Betriebsverhalten.

Imprägnierung und Benetzung — Imprägnierung bringt Harz in die Verstärkung ein. Benetzung beschreibt, wie gut das Harz die Fasern benetzt. Eine glänzende Oberfläche beweist keine vollständige innere Imprägnierung.

Topfzeit und Gelierzeit — Die Topfzeit ist die nutzbare Verarbeitungsdauer unter angegebenen Bedingungen. Die Gelierzeit kennzeichnet die Ausbildung eines Gelnetzwerks. Beide bedeuten nicht, dass das Laminat seine Endeigenschaften erreicht hat.

Aushärtezyklus und Nachhärtung — Das vorgegebene Temperatur-Zeit-Programm entwickelt die duroplastische Matrix. Eine anschließende Nachhärtung kann für die geforderten Eigenschaften notwendig sein. Das validierte Programm des Harzlieferanten einhalten.

3. Wickelwinkel: Bezugsrichtung immer angeben

Hier gilt 0° als axial und 90° als Umfangsrichtung. +α und −α kennzeichnen entgegengesetzte Steigungen im festgelegten Koordinatensystem. Sie befehlen für sich allein keine Spindeldrehrichtung. Zeichnung, Simulation und CNC-Programm müssen kompatible Bezugsrichtungen verwenden. [1]

4. Umfangs-, Helix- und Polarwickeln

Beim Umfangswickeln liegen die Fasern nahezu in Umfangsrichtung und tragen dort wirkende Lasten. Ein kleiner axialer Vorschub verteilt benachbarte Windungen entlang des Zylinders. Helixwickeln verbindet Rotation und Längsbewegung zu schrägen Bahnen; gegenläufige Verfahrbewegungen können gekreuzte Faserrichtungen erzeugen. Polarwickeln führt Fasern über die Enden und um die Polöffnungen. Die Machbarkeit hängt von Geometrie und Maschinenanordnung ab. [2]

Dom und Boss — Der Dom ist der gekrümmte Endbereich eines Behälters. Der Boss ist das Endanschlussstück an einer Öffnung mit der umgebenden gewickelten Struktur.

Geodätische Bahn — Eine auf der Oberfläche lokal gerade Bahn. Auf einer allgemein gekrümmten Oberfläche muss sie in der Seitenansicht nicht gerade aussehen.

Nichtgeodätische Bahn — Eine von der Geodäte abweichende Bahn, die seitliche Haltekräfte durch Reibung oder andere Prozessmechanismen benötigen kann. Eine gezeichnete Bahn beweist nicht, dass die Faser dort bleibt.

5. Bewegung, Steigung und Geschwindigkeit

Für einen idealen Zylinder mit konstantem Durchmesser D, ohne Schlupf und mit stationärer Ablage ergibt die Oberflächengeometrie:

tan(α) = πDn / vₐ und p = vₐ / n

n ist die Spindeldrehzahl in U/min, vₐ die axiale Ablagegeschwindigkeit in mm/min, D der Durchmesser in mm und p der axiale Vorschub je Umdrehung in mm/U. Damit gilt tan(α) = πD/p. Diese Beziehungen beschreiben die zylindrische Ablagebahn, nicht Dombewegungen oder Umkehrbereiche.

Beispiel: D = 200 mm, n = 10 U/min und α = 60° ergeben vₐ ≈ 3.628 mm/min und p ≈ 362,8 mm/U. Wächst der Durchmesser bei gleichbleibendem Geschwindigkeitsverhältnis, ändert sich der Winkel. Die Steuerung kann die Bewegung deshalb mit zunehmender Laminatdicke anpassen.

6. Durchläufe, Umläufe und Musterschluss

Eine Umdrehung ist eine Spindelrotation. Ein Durchlauf bezeichnet meist eine Verfahrbewegung in einer Richtung. Ein Umlauf umfasst häufig Hin- und Rückfahrt. „Zyklus“ ist weniger einheitlich und kann einen Umlauf, eine Wiederholung oder einen anderen Programmschritt meinen. Die Definition zusammen mit der Anzahl angeben; ein Zyklus ist nicht automatisch eine Umdrehung.

Ein Muster schließt, wenn die Bahnfolge wieder ihre Wiederholungsbeziehung erreicht. Musterschluss und vollständige Bedeckung sind getrennte Prüfungen: Ein wiederholtes Muster kann Lücken enthalten. Indexierung ist der kontrollierte Umfangsversatz zwischen aufeinanderfolgenden Ablagen. Im Umkehrbereich wechselt die Verfahrrichtung; Winkel, Geschwindigkeit und Materialaufbau können vom mittleren Zylinderbereich abweichen.

Bedeckung — Anteil der vorgesehenen Oberfläche, den die abgelegten Bänder abdecken. Über Nutzlänge und Endbereiche prüfen.

Einzellage oder Schicht — Strukturelle oder fertigungstechnische Gruppierung der Verstärkung. Angeben, ob damit eine Orientierung, ein ±α-Paar oder eine vollständige Bedeckungsfolge gemeint ist.

Laminat und Lagenfolge — Gesamter Schichtaufbau und Reihenfolge der Orientierungen. Beispielsweise nennt [ +55 / −55 / 90 ] drei Orientierungen; Dicken und Wiederholungen sind zusätzlich festzulegen.

Ausgeglichen und symmetrisch — Ein ausgeglichenes Laminat enthält entsprechende +α- und −α-Anteile. Ein symmetrisches Laminat ist bezüglich seiner Mittelebene spiegelbildlich aufgebaut. Keine dieser Eigenschaften folgt automatisch aus der anderen.

7. Nutzlänge und Beschnittzugabe

Die Nutzlänge verbleibt im fertigen Bauteil. Die Beschnittzugabe ist zusätzliches Material, das nach der Fertigung entfernt wird. Beides vom gesamten Schlittenhub unterscheiden, der Anlauf, Umkehr und Freifahrbewegungen umfassen kann.

8. Wichtige Qualitätsbegriffe in der Fertigung

Faservolumenanteil, Vᶠ — Faservolumen geteilt durch das gesamte Verbundvolumen. Er unterscheidet sich vom Fasermassenanteil; die Umrechnung benötigt die Dichten der Bestandteile und eine einheitliche Berücksichtigung der Poren.

Porengehalt — Anteil des inneren Hohlraumvolumens. Ein geeignetes Messverfahren ist erforderlich; eine Sichtprüfung der Oberfläche allein genügt nicht.

Harzreiche Zone und trockene Stelle — Eine harzreiche Zone enthält relativ wenig Verstärkung. Eine trockene Stelle ist unzureichend imprägniert. Ihre Zulässigkeit richtet sich nach den Produktanforderungen.

Faserwelligkeit und Verrutschen — Welligkeit ist eine Abweichung von der vorgesehenen Faserausrichtung. Verrutschen ist eine Verlagerung der Verstärkung aus ihrer vorgesehenen Ablageposition.

Delamination — Trennung zwischen Laminatschichten. Sie unterscheidet sich von einem Oberflächenkratzer oder einer Lücke zwischen benachbarten Bändern.

Zugkraft und Verdichtung — Die Zugkraft belastet die Verstärkung auf Zug. Verdichtung bezeichnet die Konsolidierung des abgelegten Materials. Die Zugkraft beeinflusst sie; zusätzlich wirken Krümmung, Winkel und Materialverhalten. [2]

9. Eine eindeutige Wickelspezifikation erstellen

Eine verwendbare Rezeptur benennt Geometrie, Materialsystem, Winkelbezug, abgelegte Bandbreite, Zugkraftbezug, Geschwindigkeitsgrenzen, Lagenfolge, Zähldefinitionen, Endbehandlung, Aushärteprogramm und Prüfkriterien. Achsbezeichnungen wie X, Y, Z und A sind maschinenabhängig: ihre physikalischen Funktionen definieren, statt universelle Bedeutungen anzunehmen.

Beispielformulierung: „Den Zylinderbereich mit ±60° zur Dornachse wickeln. Ein Umlauf bedeutet eine Hin- und Rückfahrt. Die festgelegte Umlaufzahl aufbringen und die Bedeckung über die Nutzlänge prüfen. Abgelegte Bandbreite, Zugkraft je Bündel und tatsächlichen Durchmesser dokumentieren. Freigegebene Umkehr- und Aushärterezepturen verwenden.“ Bauteilspezifische Zahlen und Annahmegrenzen ergänzen.

Quellen und weiterführende Literatur

[1] Cadfil. Filament Winding Glossary. https://www.cadfil.com/help/html/glossary.htm

[2] University of Plymouth, MATS347. Filament winding and pultrusion. https://ecm-academics.plymouth.ac.uk/jsummerscales/MATS347/MATS347C9%20FWpult.htm

[3] Polar Technology. Filament Winding. https://www.polartechnology.co.uk/capabilities/filament-winding/

Alle Abbildungen sind eigens erstellte Erläuterungsskizzen. Das Zahlenbeispiel dient der Veranschaulichung.