Einleitung: Die unsichtbare Stellgröße
Wer thermoplastische Verbundwerkstoffe verarbeitet, kennt die Faustregel: Die Temperatur am Nip-Point — dem Punkt, an dem einlaufendes Tape und Substrat unter dem Andrückroller zusammentreffen — ist der entscheidende Prozessparameter. Zu kalt: keine ausreichende Matrixschmelze, keine Haftung, keine Konsolidierung. Zu heiß: Degradation, Porenbildung, Maßhaltigkeit in Gefahr.
Klingt überschaubar. Ist es nicht.
Drei unabhängige Forschungsarbeiten — aus Aachen, Bristol und Delft/Enschede — zeichnen gemeinsam ein deutlich komplexeres Bild: Die Nip-Point-Temperatur ist nicht eine einzige, messbare Größe, sondern das Ergebnis mindestens drei miteinander wechselwirkender thermischer Phänomene, von denen jedes einzelne in der Lage ist, die Bauteilqualität zu kompromittieren. Wer nur eines davon im Griff hat, hat den Prozess noch nicht beherrscht.
Phänomen 1: Die Oberfläche lügt — besonders bei hohen Geschwindigkeiten
Das Grundprinzip des Laser-assistierten Tape-Wickelns (LATW) klingt physikalisch attraktiv: Ein Laser trifft das Material mit nahezu null thermischem Übergangswiderstand (Biot-Zahl → ∞), die Oberfläche wird in Millisekunden auf Prozesstemperatur gebracht, ein Pyrometer oder eine Thermokamera misst die Oberflächentemperatur — fertig.
Das Problem: Bei höheren Prozessgeschwindigkeiten verändert sich die Temperaturverteilung über die Materialdicke fundamental. Weiler et al. (2018) zeigen analytisch, dass bei steigender Geschwindigkeit die Wärme immer weniger Zeit hat, in die Tiefe des Tapes zu diffundieren. Die Oberfläche kann exakt auf Solltemperatur gehalten werden — und die Bondinggrenzfläche auf der Rückseite des Tapes bleibt dennoch weit unterhalb der Schmelztemperatur. Eine konstante Oberflächentemperatur ist bei hohen Geschwindigkeiten keine Garantie für eine konstante Bondinggrenzflächentemperatur.
Die Konsequenz für die Praxis: Einfache Oberflächentemperaturregelung ist bei LATW-Prozessen mit variablen oder hohen Geschwindigkeiten strukturell unzureichend. Was benötigt wird, ist ein Verständnis des transienten Temperaturprofils über die Dicke — und eine Regelung, die dieses berücksichtigt.
Phänomen 2: Konstante Leistung ist keine Lösung — Laserleistung muss mit der Geschwindigkeit skalieren
Ein weiterer Irrtum in der Praxis: die Laserleistung auf einen festen Wert zu setzen und die Geschwindigkeit zu variieren. Di Francesco et al. (2017) zeigen sowohl analytisch als auch experimentell, dass die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Nip-Point-Temperatur erforderliche Laserleistung proportional zur Wurzel der Ablagegeschwindigkeit skaliert:
P(V) ∝ √V
Das bedeutet: Eine Verdoppelung der Ablagegeschwindigkeit erfordert eine um den Faktor √2 ≈ 1,41 erhöhte Laserleistung. Wird dies nicht berücksichtigt, schwankt die Eintragsenergie pro Flächeneinheit — und damit die Nip-Point-Temperatur — erheblich. Gerade bei Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen, bei Kurven oder bei Starts und Stopps des Wickelkopfes entstehen so systematische Temperaturinhomogenitäten, die direkt in die Laminatqualität eingehen.
Die Lösung ist eine geschwindigkeitsabhängige Laserleistungssteuerung — entweder als offene Regelschleife auf Basis einer vorab kalibrierten Kennlinie oder als geschlossene Regelschleife mit Echtzeit-Temperaturmessung. Beides setzt voraus, dass der Prozess überhaupt modelliert und die Koeffizienten der Steuerfunktion bestimmt wurden. Ein „Trial-and-Error"-Ansatz, wie er in der Industrie noch häufig anzutreffen ist, liefert hier keine reproduzierbaren Ergebnisse.
Phänomen 3: Der versteckte Wärmewiderstand zwischen den Lagen
Selbst wenn Oberflächentemperatur und Laserleistungssteuerung korrekt ausgelegt sind, bleibt ein dritter Faktor, der in den meisten thermischen Modellen schlicht ignoriert wird: der inter-laminare Wärmekontaktwiderstand (Thermal Contact Resistance, TCR).
Çelik et al. (2021) zeigen, dass beim Ablegen jeder neuen Lage Lufteinschlüsse an der Grenzfläche zwischen einlaufendem Tape und Substrat verbleiben, solange der Intimate Contact — die vollständige Flächenberührung beider Oberflächen — noch nicht vollständig hergestellt ist. Diese Luftporen wirken als thermische Isolatoren: Die Wärmeleitfähigkeit von Luft beträgt nur etwa 0,025 W/(m·K), gegenüber rund 0,7 W/(m·K) für CF/PEEK in Dickenrichtung. Die Folge ist ein erhöhter Wärmewiderstand an der Grenzfläche, der die Wärmeabfuhr in das Substrat hemmt und die Temperaturverteilung im frisch abgelegten Tape verändert.
Thermische Modelle, die TCR nicht berücksichtigen, unterschätzen systematisch die gemessenen Temperaturen. Experimentell zeigt sich zudem: Die Andruckkraft des Rollers beeinflusst den Intimate Contact — und damit den TCR — stärker als die Laserleistung. Das bedeutet, dass Druck und Temperatur im LATW-Prozess nicht unabhängig voneinander optimiert werden können. Wer nur die Laserleistung variiert, um die Qualität zu verbessern, greift an der falschen Stellgröße an.
Was das für die In-situ-Konsolidierung bedeutet
Direkte Antwort für die Praxis: In-situ-Konsolidierung beim LATW ist nur dann zuverlässig erreichbar, wenn alle drei thermischen Ebenen gleichzeitig beherrscht werden: die Temperaturverteilung über die Materialdicke (transientes Profil), die geschwindigkeitsabhängige Laserleistungssteuerung und der inter-laminare Wärmekontaktwiderstand als Funktion des Intimate Contact. Wer nur eine dieser Ebenen kontrolliert, riskiert systematische Qualitätsschwankungen — auch dann, wenn die Oberflächentemperatur am Nip-Point konstant erscheint.
Die Forschung der letzten Jahre zeigt, dass die Prozessbeherrschung beim LATW eine tiefe Integration von optischen Modellen, thermischen Simulationen und experimenteller Prozesskalibrierung erfordert. NASA und führende europäische Forschungseinrichtungen arbeiten aktiv daran, diese Modelle für industrielle Hochratenproduktion zu validieren — ein klares Zeichen dafür, dass die Technologie reif ist, aber die Prozessexpertise der eigentliche Engpass bleibt.
Prozessbeherrschung als echter Differenzierungsfaktor
Für Unternehmen, die thermoplastische Verbundstrukturen beschaffen oder entwickeln, hat diese Komplexität eine direkte Konsequenz: Die Frage ist nicht nur, ob ein Lieferant LATW-Maschinen betreibt — sondern ob er den Prozess auf allen drei thermischen Ebenen verstanden und kalibriert hat.
Alformet verfügt durch die enge Verbindung zu AFPT GmbH — einem der erfahrensten Maschinenbauer und Prozessentwickler im Bereich LATW — über direkten Zugang zu diesem Prozess-Know-how. Die Kombination aus maschinennahem Entwicklungswissen und eigener Fertigungserfahrung ermöglicht es, Prozessparameter nicht nach Tabellenwerten zu setzen, sondern bauteilspezifisch auszulegen — für reproduzierbare Qualität vom Prototyp bis zur Serie.
Fazit
Temperatur im LATW-Prozess ist nicht eine Zahl. Sie ist ein dreidimensionales, zeitabhängiges Feld — geprägt von Prozessgeschwindigkeit, Laserleistungsprofil und dem Zustand der Grenzfläche zwischen den Lagen. Wer das versteht, versteht, warum Prozessbeherrschung kein Marketingversprechen ist, sondern eine technische Leistung.
Wenn Sie ein Leichtbau-Strukturprojekt mit thermoplastischen Verbundwerkstoffen planen und wissen möchten, wie Alformet Ihren spezifischen Anforderungen gerecht werden kann — sprechen Sie uns an.
📚 Quellen
Weiler, T., Emonts, M., Wollenburg, L., Janssen, H. (2018): Transient thermal analysis of laser-assisted thermoplastic tape placement at high process speeds by use of analytical solutions. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 31(3), 311–338. DOI: 10.1177/0892705717697780
Di Francesco, M., Veldenz, L., Dell'Anno, G., Potter, K. (2017): Heater power control for multi-material, variable speed Automated Fibre Placement. Composites: Part A, 101, 408–421. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.06.015
Çelik, O., Hosseini, S.M.A., Baran, I., Grouve, W.J.B., Akkerman, R., Peeters, D.M.J., Teuwen, J.J.E., Dransfeld, C.A. (2021): The influence of inter-laminar thermal contact resistance on the cooling of material during laser assisted fiber placement. Composites: Part A, 145, 106367. DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106367
NASA (2023): Thermal Response of Thermoplastic Composite Tape During In-situ Consolidation Automated Fiber Placement Using a Laser Heat Source. SAMPE Conference Proceedings, Seattle.
NASA (2024): Thermal Modelling of the in-Situ Consolidation of Automated Fiber Placement of Thermoplastic Composites. NTRS Report 20240001488.