Additive Fertigung für Hochleistungsverbundwerkstoffe: Das Argument für Laser-Assisted Tape Winding
Additive Fertigung hat die Art und Weise, wie Ingenieure über Produktion nachdenken, grundlegend verändert. Statt überschüssiges Material aus einem Rohling herauszufräsen, wird nur das aufgebaut, was das Bauteil tatsächlich benötigt – Lage für Lage, genau dort, wo es gebraucht wird. Das Ergebnis: weniger Materialverschwendung, geringerer Energieverbrauch, kürzere Durchlaufzeiten und Geometrien, die subtraktiv kaum oder gar nicht realisierbar wären.
Viele Ingenieure verbinden additive Fertigung vor allem mit Polymer-3D-Druck – FDM, SLA oder ähnliche Verfahren. Doch additive Fertigung geht weit darüber hinaus. Für strukturelle, lasttragende Bauteile in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in industriellen Anwendungen setzt sich ein anderes additives Verfahren als Technologie der Wahl durch: das Laser-Assisted Tape Winding (LATW), oder laser-AFP.
Was ist Laser-Assisted Tape Winding – und warum ist es ein additives Fertigungsverfahren?
LATW ist ein Fertigungsverfahren für endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe (CFR TP). Dabei wird ein unidirektionales (UD) Tape – bestehend aus Endlosfasern (Carbon, Glas oder Aramid), eingebettet in eine thermoplastische Matrix wie PEEK, PA12 oder PPS – auf einen Wickelkern aufgebracht und mithilfe einer Laserquelle in-situ konsolidiert.
Das additive Prinzip ist identisch mit jedem anderen AM-Verfahren: Material wird nur dort abgelegt, wo es das Design erfordert – Lage für Lage, in einem definierten Faserwinkel. Jede Lage wird unter dem Laserspot mit der vorherigen verschmolzen, ohne dass ein Autoklav oder eine Nachhärtung im Ofen erforderlich ist. Nach Abschluss des Wickelvorgangs ist das Bauteil strukturell konsolidiert und kann entformt werden.
Dies ist kein 3D-Druck im Konsumsinne. LATW arbeitet mit industriellen Durchsatzraten und erreicht Faservolumengehalte sowie mechanische Eigenschaften, die mit duroplastischen Autoklav-Laminaten direkt konkurrieren – und diese häufig übertreffen.
Der additive Vorteil: Material nur dort, wo es gebraucht wird
Konventionelle subtraktive Fertigung beginnt mit einem Materialblock und entfernt, was nicht gebraucht wird. Bei Metallrohren und -profilen bedeutet das hohe Buy-to-Fly-Verhältnisse und erhebliche Zerspanungskosten. Bei duroplastischen Verbundwerkstoffen führt es häufig zu konservativ ausgelegten Laminaten und nicht recycelbaren Verschnittresten.
LATW kehrt diese Logik vollständig um:
- Faserwinkel werden lagenweise programmiert – das Laminat ist für den tatsächlichen Lastfall optimiert, nicht für eine konservative Näherung.
- Wandstärken werden nur dort aufgebaut, wo die Strukturanalyse es erfordert – unnötige Masse entfällt.
- Verschnittraten sind deutlich geringer als bei subtraktiven oder Nasswickelverfahren, da UD-Tape mit minimalem Abfall abgelegt wird.
- Kein Autoklav erforderlich – einer der energie- und kapitalintensivsten Schritte der klassischen Verbundfertigung entfällt vollständig.
Für Ingenieure mit Fokus auf Leichtbau unterstützt dieser Ansatz sowohl Leistungsziele als auch Nachhaltigkeitsvorgaben unmittelbar. Der globale Markt für thermoplastische Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt spiegelt diese Dynamik wider: Mit einem Marktwert von rund 602 Mio. USD im Jahr 2025 wird er bis 2032 voraussichtlich auf 1,78 Mrd. USD anwachsen – mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 16,8 %, getrieben durch die steigende Nachfrage nach autoklav-freien, recycelbaren Strukturlösungen.
Vom Design zum Bauteil: Ein digital integrierter Prozess
Einer der am häufigsten unterschätzten Vorteile von LATW ist die enge Integration in digitale Engineering-Workflows. Bei Alformet beginnt der Prozess mit einem strukturellen Design-Brief – Geometrie, Lastfall, Faser- und Matrixmaterialauswahl –, der in einem Auslegungs- und Simulationswerkzeug zu einem optimierten Laminataufbau verarbeitet werden könnte. Aus diesem Aufbau wird automatisch ein CNC- oder Roboter-Wickelprogramm generiert und an die LATW-Anlage übergeben.
Dieser digitale Durchgängigkeit – vom Lastfall bis zum Code – bedeutet: Designänderungen lassen sich schnell umsetzen, Prototypeniterationen sind zügig realisierbar, und der Übergang vom Prototyp zur Serienproduktion erfordert keinen Wechsel von Anlage oder Prozess. Gleiche Maschine, gleiche Prozessparameter, gleiches Materialsystem. Diese Kontinuität ist in der Verbundfertigung selten und stellt einen echten Industrialisierungsvorteil dar.
Direkte Antwort: Laser-Assisted Tape Winding (LATW) ist ein additives Fertigungsverfahren für endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundrohre und -profile. UD-Tape wird Lage für Lage mithilfe eines Lasers abgelegt und konsolidiert – ohne Autoklav. Das Verfahren ermöglicht lagenweise Faserwinkeloptimierung, niedrige Verschnittraten und eine direkte digitale Verbindung vom Design zur Produktion – ideal für Prototypen ebenso wie für die Serienfertigung struktureller Verbundbauteile.
Total Cost of Ownership: Der Blick über den Stückpreis hinaus
Ein häufiger Einwand gegenüber CFR-thermoplastischen Verbundwerkstoffen ist der Stückpreis. UD-Tape ist pro Kilogramm teurer als Stahl, Aluminium oder duroplastische Verbundwerkstoffe, und LATW-Anlagen erfordern eine erhebliche Investition. Isoliert betrachtet erscheinen die Materialkosten pro Bauteil zunächst ungünstig.
Das Bild verändert sich deutlich, wenn die Total Cost of Ownership (TCO) berücksichtigt wird:
- Massenreduktion führt direkt zu Kraft- oder Energieeinsparungen über die Lebensdauer des Bauteils – besonders relevant für rotierende Teile (Antriebswellen, Rotorbuchsen) und Luftfahrtstrukturen.
- Wartungsintervalle für thermoplastische Verbundbauteile sind in der Regel länger als bei metallischen Alternativen – bedingt durch Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsverhalten.
- Recyclingfähigkeit thermoplastischer Matrices (im Gegensatz zu Duroplasten) reduziert Entsorgungskosten am Lebensende und unterstützt die Einhaltung von Kreislaufwirtschafts- und ESG-Anforderungen.
- Kein Autoklav bedeutet keine zugehörigen Werkzeug-, Verbrauchsmaterial- oder Energiekosten – und keinen Planungsengpass durch Autoklavbelegung.
Werden diese nachgelagerten Einsparungen in den Kostenvergleich einbezogen, haben CFR-thermoplastische Rohre und Profile in mehreren Anwendungsbereichen klare Vorteile gegenüber metallischen Alternativen nachgewiesen – darunter Automobilantriebswellen, industrielle Rotorbuchsen und Luftfahrtstrukturbauteile.
Fazit
Additive Fertigung ist keine einzelne Technologie – sie ist eine Konstruktions- und Produktionsphilosophie. LATW wendet diese Philosophie auf höchstem strukturellen Leistungsniveau an und verbindet die Materialeffizienz additiver Ablage mit den mechanischen Eigenschaften endlosfaserverstärkter Thermoplaste.
Für Ingenieure, die leichte Strukturlösungen evaluieren, lautet die Frage heute nicht mehr, ob thermoplastische Verbundwerkstoffe die geforderten Leistungswerte erreichen können. Die Frage ist, wie schnell ein Fertigungspartner von der Designabsicht zu qualifizierten, produktionsfertigen Bauteilen gelangen kann.
Wenn Sie an einer strukturellen Rohr- oder Profilanwendung arbeiten und verstehen möchten, was LATW für Ihren spezifischen Lastfall und Ihre Geometrie leisten kann, nehmen Sie Kontakt mit Alformet auf – oder erkunden Sie unsere Prozess- und Materialkompetenzen im Detail.