Composites Pullwinding erhöht Ringfestigkeit von Compositerohren

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Das finnische Unternehmen Exel Composites ist Spezialist für die Pultrusion. Mit dem sogenannten Pullwinding können auch quer verlaufende Verstärkungsfasern in die Matrix eingebaut werden.

Bei geraden Rohren verursacht jede auf deren zylindrische Wand wirkende Kraft eine Umfangsspannung. Bei aktiver oder grober Handhabung können diese Umfangspannungen zur Beschädigung von Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen führen, was auch für Druckrohre gilt. Um sicherzustellen, dass Verbundwerkstoffrohre diesen Belastungen standhalten können, müssen die Profile deshalb auch mit quer ausgerichteten Fasern gefertigt werden, die zusätzliche Steifigkeit und eine hohe transversale, mechanische Festigkeit bringen. Lauri Turunen, Leiter des Produktbereichs Rohre, Werkzeuggriffe und Teleskopstangen und Pullwinding-Experte bei Exel Composites, vergleicht hier verschiedene Fertigungsverfahren. Er erklärt auch, wie in der kontinuierlichen Fertigung mit dem Pullwinding-Verfahren eine hohe Ringsteifigkeit erreichbar ist.

Übliche Prozesse mit Prepregs oder per Filamentwickeln sind aufwänding

Die Ausrichtung von Fasern in einem Verbundwerkstoffprofil hat bekanntlich einen erheblichen Einfluss auf seine mechanischen Eigenschaften. Eine typische Ausrichtung der Verstärkungsfasern ist die unidirektionale, wobei die Verstärkungen in Längsrichtung des Profils ausgerichtet sind und für eine gute axiale Festigkeit sorgen, wie der Experte erklärt. Quer gewickelte Verstärkungen verbessern aber die transversale Steifigkeit und Festigkeit, wie oben schon erwähnt. Es werden teilweise auch Gewebe aus Verstärkungsfasern verwendet, die in der Regel eine Ausrichtung von +/-45 oder +/-90 Grad erlauben. Dazu werden oft gängige Fertigungstechniken wie die Filamentwicklung und mit Harzmatrix vorimprägnierte Materialien (Prepregs) verwendet.

Ein Prepreg erzielt Ringsteifigkeit durch das Imprägnieren von Fasern (typischerweise Textilien) mit Epoxidharz. Dann wird ein Stahldorn mit dem so vorbereiteten Material umwickelt, das anschließend durch Wärme aushärtet. Dieser Prozess zur Herstellung von Compositerohren ist vergleichbar mit der Filamentwicklung. Bei diesem Verfahren werden die Fasern in Querrichtung um einen Stahldorn gewickelt und die Fasern dabei in einem gewünschten Muster beziehungweise Winkel ausgerichtet.

Beide Verfahren ermöglichen den Herstellern eine präzise Steuerung des Faser-Harz-Verhältnisses und der Schichtdicke des Compositerohres, erfordern jedoch oft längere, energieintensive Aushärtungsprozesse, die Heiz- oder Kühlschritte, heißt es weiter. Aufgrund dessen, und kombiniert mit den vielen manuellen Arbeitsschritten beim Filamentwickeln, ist diese Technik eher für die Fertigung dickwandiger Rohre mit großen Durchmessern geeignet.

Pullwinding macht Herstellung dünnwandiger Compositeprofile berechenbarer

Doch außer den rein technischen Überlegungen sind auch die Kosten ein Entscheidungsfaktor. Weil sowohl beim Filamentwickeln als auch bei der Fertigung mit Prepregs mehr manuelle Prozesse erforderlich sind als bei kontinuierlichen Fertigungstechniken wie der Pultrusion und dem Pullwinding, sind sie vergleichsweise teuer und sie können mehr Zeit beanspruchen, um gleichwertige Verbundwerkstoffprofile zu produzieren.

In vielen Branchen werden deshalb andere, günstigere Prozesse zur Herstellung von Verbundwerkstoff-Profilen mit hoher Ringsteifigkeit gewählt. Beispielsweise wenn es um die Fertigung von Teleskoprohren aus Faserverbundwerkstoffen geht, bei denen zum Verriegeln der Rohre Druck auf die Oberfläche ausgeübt werden muss, wobei wieder eine Umfangsspannung auf das Rohr wirkt, wie Turunen anmerkt.

Wie bei der Pultrusion werden beim Pullwinding die Fasern auch durch ein Harzbad und ein beheiztes Formwerkzeug gezogen, um sie auszuhärten, damit das gewünschte Profil auch einsatzfähig ist. Der Hauptunterschied besteht jedoch darin, dass einige der Fasern spiralförmig in Querrichtung um einen Dorn gewickelt werden, bevor sie durch das beheizte Formwerkzeug gezogen werden, betont Turunen.

Wenngleich Pullwinding der Filamentwicklung nicht unähnlich sei, ermögliche das Pullwinding jedoch eine bessere Kontrolle über die Faseranordnung und -spannung, was in einer gleichmäßigeren und berechenbareren Ringsteifigkeit resultiere. Pullwinding ist deshalb besonders gut für die Herstellung dünnwandiger Verbundwerkstoffe mit hoher Ringsteifigkeit geeignet, weil es eine präzise Steuerung dünner, quer verlaufender Faserschichten ermöglicht. Das wird durch die Kombination der unidirektionalen Faserausrichtung mit der spiralförmigen Wicklung erzielt, wobei eine Steuerung der Fasern von 0 bis nahezu 90 Grad möglich ist, wie es weiter heißt. Pullwinding ist darüber hinaus ein automatisierter Prozess und wiederholgenau, sodass die günstige Produktion in großen Mengen über einen einzigen Inline-Fertigungsprozess gewährleistet ist.

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