Wie die Anlage arbeitet
Das Grundprinzip ähnelt einer Drehbank. Ein Kern – Fachwort Dorn – rotiert um seine Längsachse, während parallel dazu ein Schlitten mit dem Fadenauge verfährt, das die harzgetränkten Rovings führt. Aus dem Zusammenspiel beider Bewegungen ergibt sich der Wickelwinkel: Der Tangens des Winkels entspricht dem Verhältnis von Umfangsweg zu Axialweg. Dreht der Dorn schnell und fährt der Schlitten langsam, entsteht eine steile, nahezu umlaufende Lage; im umgekehrten Fall eine flache, längsnahe.
Je nach Bauart arbeiten Anlagen mit zwei bis sechs interpolierenden Achsen; der Anlagenbauer Roth Composite Machinery nennt für seine Tankanlagen fünf interpolierende CNC-Achsen samt Hilfsachsen und einen NC-gesteuerten Rakelspalt, über den sich die Harzmenge reproduzierbar einstellen lässt. Das Institut für Kunststoffverarbeitung der RWTH Aachen benennt vier Stellgrößen, die beim Nasswickeln über die Qualität entscheiden: Abzugsgeschwindigkeit, Fadenspannung, Rakelspalt und Harzbadtemperatur.
Die Wickelarten und ihre Aufgabe
| Wickelart | Winkel zur Dornachse | Aufgabe |
|---|---|---|
| Umfangswicklung | 90° ± 5° | nimmt die Umfangsspannung auf – bei Innendruck die doppelt so hohe Komponente |
| Steile Helixwicklung | rund 60–85° | verstärkt gezielt den Übergang zwischen Polkappe und Zylinder |
| Flache Helixwicklung | unter 45° | trägt die axiale Last über den gesamten Behälter |
| Polare Wicklung | typisch 10–25° | überspannt die Kalotten und schließt die Polöffnung ein |
Warum der Polwinkel nicht frei wählbar ist
Hier liegt ein Punkt, den man leicht übersieht: Die flachen Winkel sind keine Konstruktionsentscheidung, sondern eine Folge der Geometrie. Damit der Faden auf einer geodätischen Bahn liegt und nicht abrutscht, muss nach dem Satz von Clairaut das Produkt aus Radius und Sinus des Winkels konstant bleiben. Weil der Faden an der Polöffnung tangential anliegt, folgt am Zylinder zwingend: Der Sinus des Wickelwinkels entspricht dem Verhältnis von Polöffnungsradius zu Zylinderradius.
Praktisch heißt das: Ein Behälter mit 60 Millimetern Zylinderradius und 21 Millimetern Polöffnung erlaubt rund 20,5 Grad – nicht mehr und nicht weniger. Bei Serienbehältern liegen die Polwinkel typisch zwischen 10 und 25 Grad. Noch flachere Lagen gehen nur mit konstruktiven Hilfen am Werkzeug: Kernabsätze, Dornstifte oder additiv gefertigte Pinstreifen, mit denen sich bis hinunter zu 0 Grad ablegen lässt. Wichtig ist dabei die Unterscheidung: Auf einer geodätischen Bahn rutscht nichts – auch eine sehr flache Lage nicht, solange sie der Clairaut-Bedingung folgt. Rutschgefahr entsteht erst, wenn man bewusst von der Geodäte abweicht, um andere Winkel zu erreichen; wie weit das möglich ist, begrenzt die Reibung zwischen Faser und Untergrund.
Das 55-Grad-Optimum und seine Randbedingung
In einem geschlossenen Rohr unter Innendruck ist die Spannung in Umfangsrichtung doppelt so hoch wie in Längsrichtung – die bekannte Kesselformel, gültig für dünnwandige Behälter, also ab einem Verhältnis von Durchmesser zu Wandstärke von etwa zwölf – die Wand misst dann weniger als ein Zehntel des Durchmessers. Die Netztheorie, die vereinfachend annimmt, dass nur die Fasern tragen, liefert für dieses Spannungsverhältnis einen optimalen Wickelwinkel von 54,7 Grad. GFK-Druckrohre werden entsprechend mit rund 54 Grad gewickelt, und experimentell liegt das Berstdruckmaximum bei etwa 55 Grad.
Nass, Towpreg oder trocken
Beim Nasswickeln laufen trockene Rovings durch ein Harzbad und werden unmittelbar abgelegt. Das ist die günstigste Variante mit der größten Materialauswahl, verlangt aber niedrigviskose Harze und liefert Faservolumengehalte um 50 bis 65 Prozent. Beim Towpreg-Wickeln kommt bereits vorimprägniertes Material zum Einsatz: Der Harzgehalt ist konstanter, die Anlage sauberer, gewickelt wird schneller, und der Faseranteil steigt auf etwa 60 bis 70 Prozent. Trockenwickeln mit nachträglicher Infiltration erreicht über 70 Prozent.
Die Fadenspannung ist dabei eine zweischneidige Größe, die man immer als Paar betrachten muss: Mehr Spannung verdichtet das Laminat und senkt den Porengehalt – zu viel Spannung und zu scharfe Umlenkungen schädigen die Faser. In dokumentierten Versuchsreihen liegen praktikable Fadenspannungen im Bereich einiger Dutzend Newton je Band; geregelt wird sie über servogetriebene Tänzerrollen im geschlossenen Regelkreis.
Der Dorn ist das Werkzeug
Was im übrigen GFK-Bau die Negativform ist, ist beim Wickeln der Dorn – nur arbeitet er als Positiv. Wiederverwendbare Dorne sind meist leicht konisch ausgeführt und brauchen ein Trennmittelkonzept wie jede andere Form. Verzichtet man auf die Schräge, entscheidet die Oberflächenrauigkeit über den Erfolg: Das Laminat schrumpft beim Abkühlen auf den Kern auf, besonders bei flachen Wickelwinkeln, wo die Faser keine radiale Stützwirkung entfaltet.
- Dauerkerne aus Stahl oder verchromtem Stahl: langlebig und maßgenau, schließen aber Hinterschnitte an der Bauteilinnenseite und Sprünge in der Wandstärke verfahrensbedingt aus.
- Zerlegbare Kerne: für Bauteile, die sich sonst nicht entformen lassen – aufwendig, aber wiederverwendbar.
- Kollabierbare Kerne: etwa ein Silikonmantel mit eingelegten Metallprofilen, die nacheinander gezogen werden.
- Auswaschbare und verlorene Kerne: für komplexe Innengeometrien, dafür je Bauteil neu.
- Bleibender Liner: beim Druckbehälter vom Typ 4 wird der Kunststoff-Liner gar nicht entfernt, sondern bleibt als Gasbarriere im Bauteil.
Behältertypen: die Ordnung hinter den Zahlen
Die Typenbezeichnung von Druckbehältern beschreibt, wie viel Last die Wicklung trägt. Typ 1 ist ein reiner Metallbehälter ohne Faserverstärkung für etwa 200 bar. Typ 2 hat eine tragende Metallwandung mit zusätzlicher Umfangsbewicklung und wird stationär bis 1.000 bar eingesetzt. Typ 3 kombiniert einen dünnen Aluminium-Liner mit einer vollständig tragenden Faserwicklung. Typ 4 ersetzt den Metall-Liner durch Kunststoff – Polyamid oder Polyethylen – und ist heute der Serienstandard für Wasserstoff im Pkw und Nutzfahrzeug. Typ 5 verzichtet ganz auf den Liner und befindet sich in der Entwicklung.
Für Wasserstoffbehälter gibt die globale technische Regelung UN GTR Nr. 13 die Sicherheitsmarge vor: Kohlenstofffaserverstärkte Behälter müssen in Phase 1 einen Mindestberstdruck von 225 Prozent des Nennarbeitsdrucks erreichen, glasfaserverstärkte 350 Prozent. Bei 700 bar Nennarbeitsdruck entspricht das für einen carbonfaserverstärkten Behälter rund 1.575 bar.
Wo das Wickeln an seine Grenzen stößt
Die wichtigste Grenze ist die Geometrie. Gewickelt wird um eine Rotationsachse; alles, was nicht wenigstens annähernd rotationssymmetrisch ist, scheidet aus. Hinterschnitte auf der Innenseite und Sprünge in der Wandstärke sind mit Dauerkernen ausgeschlossen. Auch scheinbar naheliegende Produkte gehören nicht zwingend hierher: Konische Licht- und Freileitungsmasten entstehen überwiegend im Schleuderverfahren, weil die Konizität schlecht zur Wickelkinematik passt und die Zentrifugalkräfte die Lagen zusätzlich verdichten.
Hinzu kommt eine Eigenheit, die gern übersehen wird: Jede Kreuz- oder Helixwicklung erzeugt zwangsläufig Kreuzungspunkte, weil das Band hin- und zurückläuft und dabei die eigene Vorlage kreuzt. Die gesamte Musterlehre dient nicht dazu, diese Punkte zu vermeiden, sondern ihre Verteilung über den Umfang gleichmäßig zu steuern. An den Kreuzungen entstehen lokale Faserondulationen, die vor allem die faserparallele Druck- und Längsfestigkeit mindern. Kreuzungsfrei sind nur reine Umfangs- und reine Pollagen.