Kaum ein Composite-Verfahren nutzt die Stärke der Faser so konsequent wie das Wickeln: Endlose Faserstränge (Rovings) werden mit Harz getränkt und unter Zugspannung auf einen rotierenden Kern gelegt. Weil die Maschine jeden Strang in dem Winkel ablegt, in dem später die Last verläuft, erreichen gewickelte Bauteile eine Materialausnutzung, an die kein Handlaminat herankommt. Das Ergebnis sind Rohre, Tanks und Masten – und aktuell vor allem Druckbehälter für Wasserstoff.
So funktioniert das Wickeln
Das Grundprinzip ähnelt einer Drehbank: Ein Kern – Fachwort Dorn oder Mandrel – rotiert, während parallel zur Drehachse ein Schlitten mit dem sogenannten Fadenauge (auch Fadenführung) fährt, das die Faserstränge führt. Aus dem Zusammenspiel von Kernrotation und Schlittenvorschub ergibt sich der Wickelwinkel – und damit die spätere Mechanik des Bauteils. Beim klassischen Nasswickeln laufen die trockenen Rovings unmittelbar vor der Ablage durch ein Harzbad oder eine Imprägniereinheit. Die Alternative ist das Towpreg-Wickeln: Hier kommen bereits vorimprägnierte Faserstränge von der Spule – sauberer und besser reproduzierbar, aber mit teurerem Material. Moderne Anlagen wie die von Roth Composite Machinery beherrschen laut Hersteller beide Betriebsarten und lassen sich schnell vom Nass- auf Towpreg-Betrieb umrüsten; Anbieter wie das französische MF Tech setzen statt der klassischen Wickelbank Industrieroboter ein, die auch komplexere Geometrien umwickeln.
Der Wickelwinkel entscheidet über die Mechanik
Fasern tragen Last fast nur in ihrer Längsrichtung. Der Winkel, in dem sie auf dem Kern liegen, bestimmt deshalb direkt, welche Kräfte das Bauteil aushält. Vier Grundmuster haben sich etabliert – die beiden Helixvarianten unterscheidet die Druckbehälterpraxis nach ihrem Winkelbereich:
| Wickelart | Winkel zur Bauteilachse | Trägt vor allem |
|---|---|---|
| Umfangswicklung (Ringwicklung) | nahe 90° | Innendruck bzw. Umfangsspannung im zylindrischen Teil |
| Kreuz-/Helikalwicklung (flach) | unter etwa 45° | trägt die axiale Last über den gesamten Behälter |
| Kreuz-/Helikalwicklung (steil) | etwa 60–85° | verstärkt gezielt den Übergang zwischen Kalotte und Zylinder – die Stelle, an der reale Behälter bevorzugt versagen |
| Längsnahe (polare) Wicklung | typisch 10–25°, geometrisch festgelegt | Längs- und Biegekräfte, Domkappen (die gewölbten Endkappen) von Behältern |
Ein Klassiker der Auslegung: In einem geschlossenen Rohr unter Innendruck ist die Spannung in Umfangsrichtung doppelt so hoch wie in Längsrichtung („Kesselformel“, gültig für dünnwandige Behälter, also ab einem Verhältnis von Durchmesser zu Wandstärke von etwa zwölf). Wie flach die Pollagen überhaupt liegen können, entscheidet dabei nicht die Maschine, sondern das Werkzeug: Der Winkel folgt aus dem Verhältnis von Polöffnung zu Behälterradius und liegt bei Serienbehältern typisch bei 10 bis 25 Grad. Die sogenannte Netztheorie – sie nimmt vereinfachend an, dass nur die Fasern tragen – liefert dafür einen optimalen Wickelwinkel nahe ±55 Grad; berücksichtigt man die Dehnung der Fasern, verschiebt er sich laut einer in Scientific Reports erschienenen Studie auf etwa 52 bis 55 Grad. Dieses Optimum gilt allerdings nur für den reinen Innendruckfall mit dem 2:1-Spannungsverhältnis – sobald Torsion, Biegung oder Axialdruck hinzukommen, liegt der beste Winkel woanders. In Druckbehältern kombiniert man solche Helikallagen mit Umfangswicklung fast quer zur Achse: Eine aktuelle Studie zu GFK-Druckbehältern arbeitete etwa mit rund 89 Grad für die Ring- und gut 19 Grad für die Helikallagen.
Vom GFK-Rohr zum Wasserstofftank
Die Produktpalette folgt aus der Geometrie: Gewickelt wird alles, was näherungsweise rotationssymmetrisch ist und einen Kern zulässt.
- GFK-Rohre und Rohrleitungen für Chemie, Wasser und Abwasser – korrosionsfrei und in großen Durchmessern.
- Tanks, Silos und Behälter bis hin zu Raketenmotorgehäusen.
- Masten und Rohrstützen mit zylindrischem Querschnitt, etwa Antennen- und Tragmasten. Konische Licht- und Freileitungsmasten entstehen dagegen überwiegend im Schleuderverfahren – die Konizität passt schlecht zur Wickelkinematik.
- CFK-Antriebswellen und Sportgeräterohre, bei denen die Kreuzwicklung die Torsion trägt.
Was das Wickeln über alle diese Anwendungen hinweg auszeichnet, ist der Faseranteil: Nasswickeln erreicht 50 bis 65 Prozent Faservolumengehalt, Towpreg-Wickeln etwa 60 bis 70 Prozent, Trockenwickeln mit nachträglicher Infiltration über 70 Prozent – mehr als jedes offene Verfahren, denn das Handlaminat kommt kaum über 50 Prozent hinaus. Der eigentliche Wachstumstreiber sind aber Wasserstoff-Druckbehälter. Der Ingenieurdienstleister EMCEL unterscheidet vier etablierte Bauarten: Typ 1 ist die reine Stahlflasche, Typ 2 trägt eine Faser-Umfangswicklung nur am zylindrischen Teil. Interessant fürs Wickeln sind Typ 3 und 4: Typ 3 kombiniert einen dünnen Aluminium-Liner – die gasdichte Innenhülle – mit einer tragenden Carbonfaser-Wicklung und wird bei 350 oder 700 bar dort eingesetzt, wo ein Metall-Liner gefordert ist; der heutige Serienstandard im Pkw und Nutzfahrzeug ist dagegen Typ 4. Typ 4 ersetzt das Metall durch einen Kunststoff-Liner aus Polyamid oder Polyethylen und ist nochmals leichter; ein linerloser Typ 5 ist in Entwicklung. Beim Typ 4 kommt die komplette Druckfestigkeit aus der Wicklung – entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Anlagen. Roth Composite Machinery aus dem hessischen Steffenberg beschreibt für die Tankfertigung eine Dreispindel-Anlage mit Faserabzugsgeschwindigkeiten bis 4,5 Meter pro Sekunde sowie fünf interpolierenden CNC-Achsen und einem NC-gesteuerten Rakelspalt, über den sich die Harzmenge reproduzierbar einstellen lässt. Die 4,5 Meter pro Sekunde sind allerdings ein Spitzenwert der Anlagentechnik – reale Wickelprozesse laufen je nach Bauteil und Harzsystem zwischen wenigen und einigen Dutzend Metern pro Minute.
Abgrenzung: gewickelt, gezogen oder geflochten?
Drei Verfahren teilen sich das Feld der endlosfaserbasierten Rohre und Profile, und die Grenzen sind klar. Die Pultrusion und ihre Variante Pull-Winding (eigenes Dossier) ziehen ein Endlosprofil mit konstantem Querschnitt durch eine beheizte Düse – das Produkt ist Meterware, die Faserrichtung überwiegend längs. Braiding (Flechten, ebenfalls eigenes Dossier) verkreuzt die Fäden zu einem geschlossenen Schlauch über dem Kern und punktet bei Stückzahl und gekrümmten Kernformen; durch das Verkreuzen liegen die Fasern aber leicht gewellt. Beim Wickeln liegen die Fasern innerhalb einer Lage dagegen gestreckt – Kreuzungspunkte entstehen nur dort, wo sich die hin- und rücklaufenden Bänder einer Kreuzlage überlagern – und der Winkel lässt sich von Lage zu Lage frei programmieren – deshalb ist es überall gesetzt, wo maximale Festigkeit pro Gewicht zählt, allen voran beim Druckbehälter. Auf offene, schalenförmige Bauteile lässt sich das Wickeln dagegen nicht übertragen – dort übernimmt die gelenkte Faserablage die Aufgabe, die Fasern dem Kraftfluss folgen zu lassen.