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Wickeln vs. Legen: Warum dieselbe Maschine fundamental unterschiedliche Ergebnisse liefert

Winding vs. Placement in thermoplastic composites: Same machine, fundamentally different process
30. Juni 2026 durch
Alformet GmbH, Lucas Ciccarelli

die theorie 

Auf den ersten Blick sehen Laser-Assisted Tape Winding (LATW) und Automated Fiber Placement (AFP) für Flächenstrukturen nahezu identisch aus. Der Endeffektor – Laser, Kompaktierrolle, Tape-Zuführung – ist derselbe. Die Bewegungssteuerungssoftware teilt dieselbe kinematische Logik. Eine flache Platte ist mathematisch betrachtet schlicht ein Rohr mit unendlichem Mandrel-Radius. Der eine Prozess ist gewissermaßen ein geometrischer Grenzfall des anderen.

In der Praxis ist die Qualitätslücke zwischen beiden Prozessen jedoch signifikant, konsistent – und entscheidend – physikalisch begründet, nicht durch mangelnde Ausführung. Zu verstehen, warum Winding bei der thermoplastischen In-situ-Konsolidierung zuverlässig besser abschneidet als die Flächenablage, ist nicht nur akademisch interessant. Es hat direkte Konsequenzen dafür, wo diese Technologien ohne Nachbearbeitung eingesetzt werden können und was notwendig ist, um diese Lücke zu schließen.

Die gemeinsame Basis – und wo sie endet

Sowohl LATW als auch AFP In-situ-Konsolidierung arbeiten nach demselben Prinzip: Ein Laser erhitzt das einlaufende Tape und die Substratoberfläche, um die thermoplastische Matrix am Nip-Point aufzuschmelzen, und eine Kompaktierrolle presst das Tape sofort auf das Substrat, um die Haftung zu erzielen. Wärme, Druck und Geschwindigkeit definieren das Prozessfenster.

Die Kinematik ist austauschbar. Die Systeme von AFPT – die Technologieplattform hinter Alformets Fertigung – betreiben sowohl Winding- als auch Placement-Konfigurationen auf derselben Maschinenarchitektur. Prozessingenieure programmieren beide Varianten mit äquivalenter Pfadlogik. Tapematerial, Faserarchitektur und Matrixchemie können identisch sein.

Was sich ändert, ist die Geometrie des Werkstücks – und dieser eine geometrische Unterschied führt zu fundamental verschiedener Konsolidierungsphysik.

Die Wickelachse: Ein eingebauter Konsolidierungsvorteil

Beim LATW wird das Tape unter Spannung auf einen rotierenden Dorn gewickelt. Diese Spannung ist kein Nebeneffekt – sie ist ein primärer Konsolidierungsmechanismus. Mit jeder abgelegten Lage wirkt die Umfangsspannung im Tape als kontinuierliche, verteilte Kompaktierkraft, die die frisch abgelegte Lage gegen das Substrat und alle darunterliegenden Lagen drückt. Der Dorn liefert eine starre Reaktionsfläche. Das Ergebnis ist ein Konsolidierungszustand, der aktiv, geometrisch eingeschränkt und selbstverstärkend ist – mit jeder weiteren Lage.

Das ist der physikalische Kernunterschied. Bei der AFP-Flächenablage gibt es keine Wickelachse. Das Tape wird auf ein stationäres Werkzeug abgelegt, und die einzige Konsolidierungskraft kommt von der Kompaktierrolle am Nip-Point – ein kurzes, lokalisiertes Druckereignis, das bei typischen Prozessgeschwindigkeiten nur Millisekunden dauert. Sobald die Rolle passiert ist, ist das Tape auf sich allein gestellt.

Die praktische Konsequenz ist messbar. Forschungsarbeiten des DLR und anderer Institutionen haben signifikante mechanische Eigenschaftsabfälle bei in-situ AFP-konsolidierten Flachlaminaten im Vergleich zu presskonsolidierten Referenzproben dokumentiert. Beim Winding hingegen ist pressvergleichbare Qualität ohne Nachbearbeitung erreichbar. Eine Porosität unter 1 % wird bei LATW routinemäßig erzielt; bei der AFP-Flächenablage erfordert selbst das Unterschreiten von 2 % Porengehalt eine sorgfältige Optimierung von Rollendruck, Temperatur und Geschwindigkeit – und publizierte Daten zeigen, dass selbst bei 2.000 N Kompaktierkraft und 11 m/min Ablagegeschwindigkeit 2 % Porengehalt eher eine Schwelle als eine komfortable Baseline darstellen.

Entgegengesetzte Reaktionen auf denselben Parameter

Das vielleicht deutlichste Beispiel für die physikalische Divergenz beider Prozesse ist, wie jeder auf den Konsolidierungsdruck reagiert.

Bei der AFP-Flächenablage ist der Zusammenhang zwischen Rollendruck und Laminatqualität grundsätzlich positiv: Mehr Druck reduziert tendenziell Porosität und verbessert die interlaminate Haftung, weil die Rollenkraft der primäre Konsolidierungsmechanismus ist. DLR-Forschungen bestätigen dies und zeigen verbesserte Konsolidierung bei erhöhtem Nip-Point-Druck in Placement-Konfigurationen.

Beim LATW kehrt sich die Beziehung um. Höherer Rollendruck beim Winding kann die Qualität verschlechtern – er stört die Tape-Spannungsverteilung, kann lokale Faserfehlausrichtungen verursachen und interne Spannungen einleiten, die das Laminat beeinträchtigen. Die Wickelspannung liefert bereits die erforderliche Konsolidierungskraft. Zusätzlicher Rollendruck überkonstituiert das System. Das Optimum beim Winding liegt bei deutlich niedrigeren Kompaktierlasten, als AFP-Praktiker üblicherweise erwarten würden.

Dies ist kein geringfügiger Unterschied in der Parameterempfindlichkeit. Es spiegelt einen strukturellen Unterschied im Konsolidierungsmechanismus selbst wider. Prozessingenieure, die zwischen beiden Konfigurationen wechseln, können ihre AFP-Optimierungslogik nicht einfach auf Winding übertragen – und umgekehrt – ohne die zugrundeliegende Physik neu zu bewerten.

Das Materialproblem: UD-Tapes wurden nicht für die Flächenablage entwickelt

Aktuelle kommerzielle UD-Thermoplast-Prepreg-Tapes wurden größtenteils für Winding- und autoklavbasierte AFP-Prozesse entwickelt und validiert. Beim Winding spielt der anfängliche Porengehalt des Tapes eine geringere Rolle, da die Dornspannung und die Kompaktierung durch nachfolgende Lagen die Porosität im Verlauf des Wickelzyklus schrittweise eliminieren. Bei der AFP In-situ-Flächenablage gibt es keinen solchen Korrekturmechanismus.

Forschungsergebnisse, die im Journal of Composite Materials (Raps et al., 2024) veröffentlicht wurden, zeigen, dass die Tape-Zusammensetzung einen überproportionalen Einfluss auf die AFP In-situ-Konsolidierungsqualität hat – ungünstige Prepreg-Zusammensetzungen führten zu bis zu 74 % Abfall der interlaminaren Scherfestigkeit im Vergleich zu den besten in-situ konsolidierten Laminaten und zu signifikanten Abfällen gegenüber presskonsolidierten Referenzen. Die Studie stellte fest, dass hohe anfängliche Porosität im unverarbeiteten Tape – Poren zwischen dicht gepackten Fasern – durch einen einzelnen Rollendurchgang bei der AFP-Flächenablage nicht zuverlässig kollabiert werden kann. Die Fasern selbst tragen die Last und schützen die Poren vor dem Kompaktierdruck.

Die Konsequenz ist weitreichend: Um pressvergleichbare Qualität aus der AFP In-situ-Konsolidierung von Flachlaminaten zu erzielen, ist möglicherweise nicht nur Prozessoptimierung erforderlich, sondern ein grundlegendes Überdenken der Tape-Architektur – niedrigerer anfänglicher Porengehalt, modifizierte Oberflächentopographie zur Verbesserung der Laserenergie-Absorption und auf das kurze Konsolidierungszeitfenster eines einzelnen Rollendurchgangs kalibrierte Faservolumengehalte. Einige Forscher untersuchen bereits texturierte Tape-Oberflächen (transversale V-Nut-Geometrien), die die Laserenergie-Absorption um bis zu 25 % verbessern und damit direkt die thermische Seite des Konsolidierungsdefizits adressieren.

Was das für die Fertigung thermoplastischer Composites bedeutet

Kann die AFP In-situ-Konsolidierung flacher thermoplastischer Laminate die Qualität von Press- oder Autoklavkonsolidierung erreichen? Die aktuelle Evidenz spricht dagegen – zumindest ohne Nachbearbeitung. Mechanische Eigenschaftsabfälle von 20–30 % gegenüber presskonsolidierten Referenzen sind in der Literatur gut dokumentiert und auf Restporosität, geringere Kristallinität und das Fehlen des beim Winding oder im Autoklaven verfügbaren anhaltenden Konsolidierungsdrucks zurückzuführen. Winding hingegen erreicht in-situ pressvergleichbare Qualität, weil die Dornspannung eine kontinuierliche, geometrisch getriebene Kompaktierkraft liefert, die die Flächenablage nicht replizieren kann.

Für strukturelle Anwendungen – primäre Luftfahrtstrukturen, Antriebswellen, Druckbehälter-Overwraps – ist diese Unterscheidung entscheidend. LATW ist ein ausgereifter, validierter Weg zu hochwertigen thermoplastischen Composite-Rohren und -Profilen ohne Autoklav- oder Press-Nachbearbeitung. AFP In-situ-Konsolidierung bleibt eine leistungsstarke Technologie für komplexe Geometrien, aber die Qualitätslücke gegenüber konsolidierten Referenzen muss in den strukturellen Allowables berücksichtigt werden.

Bei Alformet ist LATW der Kernprozess, weil die Physik des Windings die Qualitätsniveaus unterstützt, die für die strukturelle Serienproduktion erforderlich sind. Der Dorn ist nicht nur ein Formwerkzeug – er ist ein aktiver Teilnehmer an der Konsolidierung. Das ist ein Prozessvorteil, den keine noch so ausgefeilte Rollendruck-Optimierung bei der AFP-Flächenablage vollständig replizieren kann.

Fazit

Die Konvergenz von Winding- und Placement-Hardware war eine echte ingenieurtechnische Leistung – sie ermöglicht es einer Maschinenplattform, ein breites Spektrum an Geometrien und Anwendungen abzudecken. Aber Hardware-Konvergenz sollte nicht mit Prozessäquivalenz verwechselt werden. Die Wickelachse führt einen Konsolidierungsmechanismus ein – inhärente Tape-Spannung gegen einen starren Dorn – den die Flächenablage grundlegend nicht besitzt. Das Ergebnis ist ein konsistenter, physikalisch begründeter Qualitätsvorteil beim LATW, der sich in Porositätsdaten, mechanischer Eigenschaftserhaltung und der invertierten Reaktion auf Konsolidierungsdruck widerspiegelt, die beide Prozesskategorien voneinander trennt.

Wenn thermoplastische Composites von der Luft- und Raumfahrt-Prototypenentwicklung in die Serienproduktion übergehen, ist das Verständnis dieser Prozessgrenzen – nicht nur der Möglichkeiten, sondern auch der Grenzen – das, was seriöse Fertigungspartner von Technologiedemonstratoren unterscheidet.

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