Wie eine Flechtmaschine arbeitet
Die Flechtfäden – im Faserverbund Rovings, also Bündel aus mehreren tausend Einzelfilamenten – sitzen auf Spulen in Klöppeln, den Spulenhaltern. Flügelräder im Maschinenkörper nehmen jeden Klöppel eine halbe Umdrehung mit und übergeben ihn an das Nachbarrad; daraus entsteht seine sinusförmige Bahn. Eine Hälfte der Klöppel läuft im Uhrzeigersinn, die andere gegen den Uhrzeigersinn, und am Kreuzungspunkt bildet sich ein Rundgeflecht. Soll ein Bauteil umflochten werden, führt ein Roboter den Flechtkern senkrecht durch die Flechtebene. Anders als beim Weben ist der Winkel zwischen den Fadensystemen dabei nicht auf 90 Grad festgelegt, sondern frei einstellbar – er ist der eigentliche Konstruktionsparameter des Verfahrens.
Zwei Bauarten stehen zur Wahl. Beim Horizontalflechter zeigen die Klöppel parallel zur Vorschubrichtung des Kerns; die Rovings werden dabei stark umgelenkt, was Filamentbrüche erzeugt. Beim Radialflechter zeigen sie zur Maschinenmitte, die Umlenkung entfällt weitgehend, und empfindliche Carbon- oder Aramidrovings lassen sich schonender verarbeiten. Die Maschinengröße wird in Klöppeln angegeben: Anlagen für Profilstrukturen arbeiten typisch mit 144 Klöppeln und 72 Stehfadenzuführungen oder mit 176 und 88. Für den seinerzeit größten Radialflechter nannte der Industrieanzeiger 2011 bis zu 432 Rovings. Deutlich größer werden Maschinen anderer Bauart: A&P Technology führt mit der Megabraider-Reihe Anlagen von 160 bis 864 Klöppeln; auf der 800-Klöppel-Maschine entstand für eine NASA-Studie zu einer aufblasbaren Luftschleuse ein einlagiges Triaxialgeflecht von 2,2 Metern Durchmesser und 3 Metern Länge – allerdings aus dem Hochleistungspolymer Vectran, nicht aus Carbon. Herzog gibt für eine 144-Klöppel-Maschine 50 bis 150 Umdrehungen pro Minute an.
Biaxial, triaxial – und was der Flechtwinkel bewirkt
Ein Geflecht mit zwei Fadensystemen heißt biaxial. Als Flechtwinkel gilt der Winkel zwischen der Vorschubrichtung des Kerns und einer der beiden Fadenrichtungen; die Fäden schließen untereinander also den doppelten Winkel ein. Kommt ein drittes, nicht mitbewegtes System hinzu – Stehfäden in Bauteillängsrichtung –, entsteht ein Triaxialgeflecht. Wie stark der Winkel die Mechanik bestimmt, zeigt eine Messreihe des Instituts für Flugzeugbau der Universität Stuttgart aus dem Jahr 2013 an achtlagigen Laminaten aus Carbonrovings vom Typ Tenax HTS40 12k mit dem Luftfahrt-Epoxid RTM6, geflochten auf einer Herzog-Radialflechtmaschine mit 176 Klöppeln über einem Kern von 120 Millimetern Durchmesser, danach vom Kern aufgeschnitten, flach gestapelt und per Vakuuminfusion getränkt.
| Aufbau | Zugfestigkeit axial | E-Modul axial | Zugfestigkeit quer | Dicke bei 8 Lagen |
|---|---|---|---|---|
| Biaxial, 30 Grad | 514 N/mm² | 37.900 N/mm² | 83 N/mm² | 3,2 mm |
| Biaxial, 55 Grad | 89 N/mm² | 10.700 N/mm² | 422 N/mm² | 4,7 mm |
| Triaxial, 30 Grad | 747 N/mm² | 63.200 N/mm² | 70 N/mm² | 4,7 mm |
| Triaxial, 55 Grad | 415 N/mm² | 34.100 N/mm² | 333 N/mm² | 6,6 mm |
Drei Punkte lassen sich ablesen. Erstens dreht der Flechtwinkel die Tragrichtung um: Das 30-Grad-Biaxialgeflecht trägt axial rund das Sechsfache seiner Querfestigkeit, beim 55-Grad-Geflecht ist es umgekehrt. Zweitens kaufen Stehfäden axiale Leistung – 747 statt 514 N/mm² – und bezahlen mit der Querzugfestigkeit, die durch die zusätzliche Welligkeit von 83 auf 70 N/mm² fällt. Drittens heißt gleiche Lagenzahl nicht gleiche Wandstärke: Acht Lagen ergeben je nach Architektur 3,2 oder 6,6 Millimeter, weil das Flächengewicht je Lage mit dem Winkel steigt. Die Werte gelten für Carbonfaser; mit Glasfaser liegen die Steifigkeiten deutlich niedriger, die Rangfolge zwischen den Architekturen bleibt.
Flechtwinkel, Kernumfang und Vorschub sind gekoppelt
Der Flechtwinkel ist keine Eingabe an der Maschine, sondern ein Ergebnis. Sein Tangens entspricht dem Produkt aus der Umlaufzahl der Klöppel je Sekunde und dem Flechtkernumfang, geteilt durch die Vorschubgeschwindigkeit des Kerns – gleichbedeutend mit Winkelgeschwindigkeit mal Kernradius, geteilt durch den Vorschub. Daraus folgt unmittelbar: Wird der Kern dicker, steigt der Flechtwinkel; fährt der Roboter schneller, sinkt er. Ein Kern mit veränderlichem Querschnitt erzeugt ohne Gegensteuerung über die Länge also unterschiedliche Faserwinkel – die Bahnplanung des Roboters ist damit Teil der Laminatauslegung.
Über das gesamte Kernspektrum einer Maschine sind Winkel zwischen 20 und 80 Grad realisierbar; für einen einzelnen Kerndurchmesser ist das Fenster deutlich enger. In der Stuttgarter Reihe von 2013 eröffnete über Kerne von 80 bis 160 Millimetern gerade der 120-Millimeter-Kern das breiteste Einzelspektrum – und selbst dort reichte es nur von 30 bis 55 Grad. Maßgeblich ist nicht der Durchmesser allein, sondern der Kernumfang je Flechtfaden.
Verlässt der Prozess dieses Fenster, kippt das Geflecht in eines von zwei Fehlerbildern. Bei zu großem Umfang je Flechtfaden schließt es nicht mehr und bleibt ein offenes Geflecht mit Lücken. In der Gegenrichtung kompaktiert es sich in der Ebene: Die Rovings drängen sich, ondulieren stärker, Steifigkeit und Festigkeit fallen ab, und halten lässt sich das nur über hohe Fadenspannung, die ihrerseits Filamentbrüche erzeugt. Am Ende liegt der Punkt, an dem das Geflecht nicht mehr am Kern anliegt und nur noch einen losen Schlauch bildet. Die höchsten Kennwerte liegen dazwischen, beim gerade geschlossenen Geflecht – erreicht mit Fadenspannungen, die in den Stuttgarter Versuchen zwischen 3,5 und 9 Newton je Roving lagen.
Overbraiding: der Kern ist das Werkzeug
Beim Umflechten – englisch Overbraiding – wird über eine Basisstruktur geflochten statt ins Leere. Der Flechtkern muss eigensteif und möglichst leicht sein, weil ihn ein Roboter durch den Flechtring bewegt. Möglich sind runde, elliptische, dreieckige und rechteckige Querschnitte, geschlossene wie offene Profile, und der Querschnitt darf sich über die Länge ändern. Auch nahezu beliebige Krümmungen sind flechtbar – ein Vorteil, den weder das Faserwickeln noch die Pultrusion bietet, die an die Rotationsachse beziehungsweise den konstanten Querschnitt gebunden sind. Zwei Einschränkungen sind hart: Konkave Querschnitte lassen sich nicht direkt flechten, weil das Geflecht die Einbuchtung überspannt, und über die ebenen Flächen nicht runder Kerne weicht der Faserwinkel vom Sollwert ab – der sogenannte S-Schlag.
Das Geflecht ist die Preform, nicht das Bauteil
Ein Geflecht ist trocken. Es ist eine Preform, die erst im zweiten Schritt getränkt wird, in aller Regel per RTM – Resin Transfer Moulding, der Harzinjektion in eine geschlossene Form – oder per Vakuuminfusion. Der Flechtwinkel wirkt dabei zweimal: Er bestimmt die Mechanik und die Permeabilität des Textils, also wie leicht das Harz hindurchläuft. Ein stark kompaktiertes Geflecht ist damit nicht nur mechanisch schwächer, es lässt sich auch schlechter tränken. Die Faservolumengehalte liegen im üblichen Band der geschlossenen Tränkverfahren – bei RTM 45 bis 60 Prozent. An den Stuttgarter Geflechten, dort per Vakuuminfusion getränkt, wurden 58 bis 62 Prozent gemessen. Ansonsten gilt, was für jede automatisierte Preform-Fertigung gilt – nur dass beim Flechten praktisch kein Zuschnitt anfällt.
Wo das Verfahren aufhört
- 0 Grad und 90 Grad sind nicht flechtbar. Weil die Luftfahrt oft nur 0, ±45 und 90 Grad zulässt, wurden im EU-Projekt IMac-Pro Zusatzaggregate entwickelt: eine Wickeleinheit für 90-Grad-Lagen und eine Gelege-Zuführung für 0 Grad, beide direkt an der Flechtmaschine.
- Der Kernumfang darf sich über die Länge nicht beliebig stark ändern, sonst rutscht die Preform auf dem Kern. Durchmessersprünge sind damit keine Gestaltungsfrage, sondern eine Prozessgrenze.
- Bei vielen übereinanderliegenden Lagen entstehen beim Kompaktieren Falten; konkave Querschnitte sind nicht direkt herstellbar; die Bauteilgröße begrenzt der Flechtringdurchmesser.
- Jeder Materialwechsel bedeutet, sämtliche Klöppel neu zu bespulen – bei 176 Klöppeln ein Rüstvorgang, der die sinnvolle Losgröße nach unten begrenzt. Das automatische Bespulen galt in der Stuttgarter Übersicht von 2013 noch als ungelöst; Umflechten wird seither als teilautomatisiertes Verfahren geführt: Die Ablage läuft maschinell, das Rüsten überwiegend von Hand.
Wann sich Flechten rechnet
Die Wirtschaftlichkeit stützt sich auf drei Punkte: Rovings gehen als Grundhalbzeug direkt in den Prozess, ohne den Zwischenschritt zu Gewebe oder Gelege und dessen Kosten; es fällt praktisch kein Verschnitt an; und die Ablage läuft maschinell. Dem stehen zwei Werkzeuge gegenüber, nicht eines: der Flechtkern und die geschlossene Tränkform. Das ist die eigentliche Eintrittsschwelle, und sie liegt höher als beim Handlaminat, das mit einer offenen Negativform auskommt.
Stückzahlangaben kommen bislang von den Anwendern selbst. Munich Composites nennt für die eigene Flechttechnik einen Kostenvorteil von bis zu 30 Prozent gegenüber der Prepreg-Technik, der britische Hersteller Composite Braiding bis zu 100.000 Teile pro Jahr bei einem um bis zu 90 Prozent geringeren Personalaufwand – beides allgemeine Angaben zur eigenen Fertigungstechnik. Als Schaustück dient sein Oberleitungs-Kragarm für die Bahn, der statt 1.700 Kilogramm Stahl rund 277 Kilogramm wiegt. Beide Angaben stammen von den Herstellern.
Serienbauteile, die es wirklich gibt
Braiding ist kein Laborverfahren. In Serie gefertigt wurden der CFK-Stoßfängerträger des BMW M6 und Versteifungselemente des Lamborghini Aventador, darunter die A-Säule; beim Crash-Konus des Mercedes-Benz SLR McLaren wurden Flechttechnik und Multiaxialgelege durch strukturelles Nähen kombiniert. In der Luftfahrt ist das Fangehäuse des GEnx-Triebwerks der Boeing 787 das bekannteste Serienbeispiel; es ist aus triaxialen und biaxialen Geflechtlagen aufgebaut und spart rund 160 Kilogramm je Triebwerk. Das Fahrwerk des Militärhubschraubers NH-90 gilt als erfolgreich entwickeltes Geflechtbauteil. Noch im Forschungsstadium ist die Anwendung im Bauwesen: An der Universität Stuttgart entstehen aus bis zu 216 gleichzeitig verflochtenen Fäden Textilhüllen für Verzweigungsknoten aus Beton und Faserverbund. Wo die Technik derzeit neu vordringt, ordnet das Dossier zur Flechttechnik ein.