Lektion 10.4UrformenKapitel 10 · Verbundwerkstoffe

Faserwickeln

Harzgetränkte Faser, auf einen rotierenden Dorn gewickelt

Beim Faserwickeln (Filament Winding) wird harzgetränkte Faser Lage für Lage um einen rotierenden Kern, den Wickeldorn, gewickelt, wie Faden auf einer Spule. Ein verfahrender Schlitten führt die Faser so, dass sie unter einem exakten Winkel landet. Rohre, Gasflaschen, Wasserstofftanks und Raketenmotorgehäuse entstehen so.

Foto: Gdipasquale1, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Faserwickelmaschine, Seitenansicht, mit den drei Wickelmustern und dem AushärtenDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten. Die untere Reihe zeigt die drei grundlegenden Wickelmuster und das abschließende Aushärten.

So funktioniert es

Die Faser zuführen. Rovings (ungedrehte Bündel endloser Fasern) laufen von Spulen ab und passieren Spannvorrichtungen, die sie gleichmäßig straff halten.
Mit Harz tränken. Die Faser läuft über eine Trommel, die sich in einem Harzbad dreht. Alternativ wird Towpreg (bereits harzgetränkte Faser, wie ein dünnes Prepreg-Band) trocken gewickelt.
Auf den rotierenden Dorn führen. Ein Schlitten mit einem Fadenauge (der Führung, aus der die Faser austritt) fährt hin und her, während sich der Dorn dreht. Ein Computer koppelt beide Bewegungen.
Die Lagen aufbauen. Das Verhältnis der Schlittengeschwindigkeit zur Drehung bestimmt den Faserwinkel: nahe 90° bei Umfangslagen, ein festgelegter Winkel bei Schraubenlagen, nahe 0° bei Polarlagen über den Enden. Lagen werden gestapelt, bis die Wand dick genug ist.
Aushärten, dann den Dorn entfernen. Das Teil härtet aus (das Harz wird fest), oft in einem Ofen, während es sich weiterdreht. Der Dorn wird dann herausgezogen oder bleibt als Liner im Inneren, wie bei den meisten Drucktanks.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Glasfaser (am häufigsten), Kohlenstoff oder Aramid (eine zähe Kunstfaser); Epoxid-, Polyester- oder Vinylesterharz
Typische Teile: Rohre, Druckbehälter, Gas- und Wasserstofftanks, Antriebswellen, Masten, Raketenmotorgehäuse
Bauteilgröße: Von Rohren von wenigen Zentimetern Durchmesser bis zu Tanks und Rohren von mehreren Metern
Präzision: Innenfläche so genau wie der Dorn; Faserwinkel und Wanddicke Lage für Lage gesteuert
Oberfläche: Innen glatt; außen durch die Faserbänder gerippt, sofern nicht geschliffen, umwickelt oder beschichtet
Geeignete Losgröße: Einzelne große Tanks bis zu zehntausenden Zylindern pro Jahr auf Mehrspindelmaschinen
Werkzeug- und Maschinenkosten: Dorne von einigen hundert bis hunderttausenden Dollar; Maschinen von zehntausenden bis Millionen
Geschwindigkeit: Minuten für ein kleines Rohr; Stunden für einen großen Tank, plus Aushärtezeit

Stärken und Grenzen

Stärken

Die Fasern bleiben endlos und werden unter exakten Winkeln gelegt: sehr hohe Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht
Ideal für Teile unter Innendruck, etwa Tanks und Rohre
Hochautomatisiert und gut reproduzierbar
Geringer Materialabfall

Grenzen

Nur Formen, die sich drehen können: Rohre, Zylinder, Kuppeln und nahezu runde Körper
Konkave Formen sind schwierig, weil die Faser Vertiefungen überbrückt
Die Außenfläche ist rau, sofern sie nicht nachbearbeitet wird
Der Dorn muss herausgenommen werden, sofern er nicht als Liner bleibt

Wo es eingesetzt wird

Energie und GasWasserstoff- und Erdgastanks für Fahrzeuge, Flüssiggasflaschen
Chemie und WasserKorrosionsfreie Rohre und Lagertanks
Luft- und Raumfahrt, VerteidigungRaketenmotorgehäuse, Startrohre, Druckflaschen
Automobil und IndustrieAntriebswellen aus Kohlenstoff, Walzen, Hydraulikzylinder
Sport und FreizeitGolfschläger-Schäfte, Fahrradteile, Tauch- und Paintball-Druckluftflaschen

So erkennen Sie es

Ein überkreuztes Rautenmuster aus Faserbändern auf der Außenseite, manchmal unter klarem Harz sichtbar.
Runde oder kapselförmige Körper mit gewölbten Enden und einer kleinen Öffnung an einem oder beiden Polen.
Eine glatte, exakte Innenfläche und eine leicht gerippte Außenfläche.

Im Vergleich mit

Pultrusion10.3ebenfalls Endlosfaser und Harz, aber geradeaus durch eine Matrize zu Profilen gezogen, nicht um einen Kern gewickelt.Laminieren und Autoklavhärtung10.1bewältigt fast jede Schalenform, ist aber langsamer und weniger automatisiert.Rotationsformen2.5erzeugt ebenfalls hohle Tanks, aber aus Kunststoffpulver, das in einer rotierenden Form geschmolzen wird, ohne lange Fasern.

Ansehen

Rock West Composites · Wie Faser getränkt und auf einen drehenden Dorn gewickelt wird

Vashishtha Research · Nasswickeln neben Trockenwickeln auf einer kleinen Maschine

Composites Central · Ein großer Glasfasertank, in einer Fabrik gewickelt

MIKROSAM · Eine automatisierte Linie, die Gastanks wickelt und aushärtet

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Faserwickeln — das Verfahren, Wickelmuster und Produkte
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Harzgetränkte Faser wird von einem verfahrenden Schlitten um einen rotierenden Dorn gewickelt.
Das Verhältnis von Schlittengeschwindigkeit zu Drehung bestimmt den Faserwinkel.
Es ist das Verfahren der Wahl für feste, leichte Rohre und Drucktanks.

Mehr in Verbundwerkstoffe

Alle 100 Verfahren

10.1Laminieren und AutoklavhärtungPrepreg-Lagen auf einer Form gestapelt, vakuumverpackt und unter Hitze und Druck ausgehärtetLektion öffnen

10.2Harzinjektion (RTM) und InfusionTrockene Faser in einer Form; flüssiges Harz wird eingepresst (RTM) oder per Vakuum eingezogen (Infusion)Lektion öffnen

10.3PultrusionFasern werden ohne Unterbrechung durch Harz und ein beheiztes Werkzeug gezogenLektion öffnen

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