Die „Goldilocks“-Anwendungszone für die Verdichtung mit thermoplastischem Geflecht und Vakuumbeutel-Konsolidierung

07. Juli 2026 |

Da thermoplastische Verbundwerkstoffe zunehmend in der Industrie zum Einsatz kommen, müssen Hersteller entscheiden, welcher Fertigungsweg für ihre Produkte das beste Gleichgewicht zwischen geometrischer Flexibilität, Verdichtungsqualität, Infrastrukturanforderungen und Skalierbarkeit der Produktion bietet.

Auf der diesjährigen Thermoplastic Composites Conference (TCC) in San Diego verglich Alfonso Lopez, unser Experte für Luft- und Raumfahrt sowie Sportmarketing, die Verfahren „Geflecht + Vakuumbeutel“ und „Automatisierte Faserplatzierung (AFP) + Vakuumbeutel“ hinsichtlich der Bereiche Geometrie und Größe, Anwendung und Leistung, Produktionskontext sowie Infrastruktur und Kostenbeschränkungen. Er hob hervor, dass geflochtene Strukturen eine hohe strukturelle Leistungsfähigkeit erzielen und gleichzeitig das Schichten, den Werkzeugbau und den Arbeitsaufwand bei komplexen Geometrien vereinfachen können. Sein Vortrag bot den Besuchern einen praktischen Rahmen für die Auswahl optimaler Verfahrenswege auf der Grundlage ihrer Anforderungen.

Wo AFP glänzt und wo es an seine Grenzen stößt

Mit einer Verlegegeschwindigkeit von 85 m/min und einer Vakuumbeutel-Konsolidierung, die 90–100 % der Autoklaven-Eigenschaften erreicht, hat sich AFP in Kombination mit Vakuumbeutel-Konsolidierung als De-facto-Standardlösung für große thermoplastische Bauteile etabliert. Zu Recht, denn sie erfüllt verschiedene zentrale Anforderungen der Industrie wie höhere Produktionsgeschwindigkeit, digitale Rückverfolgbarkeit und Wiederholbarkeit. Vielleicht am wichtigsten ist, dass AFP den Anforderungen an Präzision und Konsistenz in der Hochgeschwindigkeitsproduktion gerecht wird, indem es die kontinuierliche und wiederholbare Laminierung großer Bauteile mit minimalem Personalaufwand ermöglicht und gleichzeitig eine strenge Kontrolle über die Faserorientierung, die Platzierung der Faserbündel und den Aufbau der Dicke bietet. Das Verfahren lässt sich in digitale Arbeitsabläufe integrieren und ermöglicht so Wiederholbarkeit und Rückverfolgbarkeit, was ideal für Serienprogramme ist. Ursprünglich für Duroplaste entwickelt und dort nach wie vor weit verbreitet, erstrecken sich seine Vorteile zunehmend auch auf Thermoplaste durch automatisierte Laminierprozesse, gefolgt von der Vakuumbeutelverfestigung. AFP eignet sich besonders gut für geometrisch einfache, aber strukturell anspruchsvolle Bauteile wie Flügelbeplankungen, Längsträger sowie flache oder leicht gekrümmte Teile. Wenn die Kosten also über die gesamte Produktionsmenge verteilt werden, macht sich die Investition in AFP bezahlt.

Allerdings ist AFP keine Einheitslösung. Seine Stärke in der Automatisierung schränkt umgekehrt die Geometrie ein, und die Infrastruktur- sowie Einrichtungskosten sind hoch. Mehrere Verfestigungsschritte erhöhen die Komplexität. Aufgrund seiner begrenzten Fähigkeit, sich engen Radien oder zusammengesetzten Krümmungen anzupassen, birgt AFP das Risiko von Lücken, Überlappungen und Faserwelligkeit, während gleichzeitig eine strenge Temperatur- und Druckregelung am Endeffektor erforderlich ist. Unbeabsichtigte Lücken und Überlappungen können die Zug- und Druckfestigkeit um bis zu 25 % verringern. Obwohl es sich um ein hochgradig kontrolliertes und effektives Verfahren handelt, rechtfertigt sich die Rüstzeit für diese millionenschweren Anlagen erst bei großen Produktionsmengen, da sie eine CAD-Vorbereitung und Fehlermodellierung erfordern und sich die Investition nur so amortisiert. Nicht jeder Hersteller, der thermoplastische Verbundwerkstoffe einsetzen möchte, verfügt über die finanziellen oder räumlichen Mittel, um AFP in seine Produktionsanlagen zu integrieren.

Thermoplastisches Geflechtgewebe als Alternative zu AFP für komplexe Strukturen

Diese Einschränkungen bei AFP unterstreichen die Stärken von geflochtenem thermoplastischem Gewebe als potenziell geeignete Lösung für hochkomplexe Anwendungen mit mittlerem Durchsatz. Das Gewebe passt sich von Natur aus konturierten Formen an und ermöglicht enge Radien und komplexe Konturen. Es ist ausschließlich mit der Vakuumbeutel-Konsolidierung (VBO) kompatibel und liefert nachweislich hervorragende Qualität ohne Autoklav oder Presse, selbst bei komplexen Formen. Das Geflechtgewebe wird nach der traditionellen Methode aufgelegt, hat jedoch keine Klebekraft und muss punktgeschweißt werden, um es an Ort und Stelle zu halten. Thermoplaste setzen im trockenen Zustand keine flüchtigen Stoffe frei und die Flechtstruktur ist zu 95 % geschlossen, was bedeutet, dass sich die Faserbündel und der Thermoplast um Bruchteile eines Millimeters bewegen bzw. fließen müssen, um den freien Raum zu schließen und auszufüllen. Das geflochtene thermoplastische Gewebe vereinfacht die Verfestigung, da seine Flechtstruktur die Entlüftung während des Aufheizens erleichtert. Zudem entspricht das robotergestützte Auflegen dem Verfahren bei Trockengewebe und erfordert nur minimale Infrastruktur; es lässt sich je nach Produktionsprogramm oder Produktionszielen bedarfsgerecht und flexibel umsetzen. Techniker, die mit Prepreg-Geweben oder der Infusion von Trockengewebe vertraut sind, finden in der Regel leicht Zugang zu den Auflegemethoden für geflochtenes thermoplastisches Gewebe.

Dies bringt uns zu dem, was Alfonso als den „Goldilocks-Bereich“ für geflochtene Gewebe betrachte: den Wendepunkt, an dem geflochtene thermoplastische Gewebe aufgrund einer Kombination von Anforderungen attraktiv werden, die zwei oder mehr der folgenden Punkte umfassen: hohe Schadensresistenz, schnellere Umsetzung vom Entwurf zum Fertigungsteil, gestaffelte Investitionsausgaben, komplexe Geometrie, Mangel an AFP-Ressourcen und moderate Programmraten. Bei Bauteilen, bei denen Schlagfestigkeit wichtig ist und zwei oder mehr der oben genannten Faktoren vorliegen, können Geflechtgewebe einen echten Mehrwert bei geringerem Investitionsrisiko bieten.

Wie jede neue Technologie hat auch das thermoplastische Geflechtgewebe seine Grenzen. Es bietet zwar mehrere Vorteile, erfordert aber auch neue Fachkenntnisse und eine sorgfältige Prozessplanung, insbesondere wenn die Konsolidierung auf dem Drapieren ohne Klebekraft und der Vakuumdichtheit mit Verbrauchsmaterialsystemen beruht, deren Handhabung schwierig sein kann. Thermoplastische Geflechtgewebe sind noch nicht weit verbreitet, und es gibt nur wenige Beispiele für ihren Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Es gibt nur eine geringe Anzahl von Materiallieferanten, keine etablierte Datenbank und keine Beispiele für die Serienfertigung. Das Auflegen, insbesondere bei größeren Bauteilen, erfolgt nach wie vor manuell und die erforderliche Schulung der Bediener braucht Zeit. Zudem gibt es Herausforderungen hinsichtlich der Konsistenz und der Qualitätskontrolle. Wie bei AFP ist auch das Geflechtgewebe anfällig für Schwankungen in der Prepreg-Konsistenz, wobei sich die typischen Eigenschaften des Gewebes wie Verschachtelung, Volumenfaktor und Ausbeulung zusätzlich auswirken. Da die Lagen bei Raumtemperatur aufgelegt werden, können unvollständige Verfestigung und Hohlräume ein Problem darstellen. Strategisches Heften, das Ausdehnen und das Einlegen in Vakuumbeutel sind erforderlich, um ein Verrutschen unter Vakuumdruck zu verhindern, und eine gute Temperaturregelung ist notwendig, um eine gleichmäßige Schmelzfront zu gewährleisten.

Die Wahl zwischen AFP und Geflechtgeweben

In der Praxis setzen Budgetbeschränkungen und Zeitpläne Grenzen; nicht alles lässt sich optimieren, und AFP ist unter Umständen nur schwer einsetzbar. In manchen Fällen könnten sowohl AFP als auch Geflechtgewebe geeignet sein, und die endgültige Entscheidung hängt von den verfügbaren Ressourcen und der Prozessfähigkeit ab. Die Wahl hängt von Ihren Anforderungen ab und davon, welche davon am wichtigsten sind: mechanische Eigenschaften, Zeit bis zum Erstmuster, Entwicklungsbudget, Prozessfähigkeit, Zugang zu Anlagen usw. Bei Teilen mit sanfter Krümmung, aber moderater Produktionsrate könnte sich Geflecht durchsetzen, wenn die Investitionskosten gesenkt werden müssen. Ist hingegen AFP bereits vorhanden und sind nur geringe Entwicklungsaufwendungen erforderlich, ist dies die naheliegende Wahl.

Unter dem Strich ist Geflecht eine gute Wahl, wenn Schlagzähigkeit eine entscheidende Anforderung ist, der Qualifizierungsprozess variabel ist und die Bauteilgeometrie für AFP eine Herausforderung darstellen würde. Geflecht ist auch dann eine gute Wahl, wenn die Infrastruktur und die personellen Ressourcen nicht auf thermoplastisches AFP ausgerichtet sind. Die Einführung von AFP ist eine kostspielige und langfristige Verpflichtung, oder Sie müssen zur Entwicklung des Bauteils mit einem Auftragsfertiger zusammenarbeiten. Thermoplastische Geflechtgewebe erfordern hingegen standardmäßige Hochtemperatur-Verbrauchsmaterialien und Werkzeuge zur Herstellung der Bauteile.

Verdichtung bei AFP und Geflecht

Um diesen Anwendungsbereich vollständig zu verstehen, muss man sich auch genauer ansehen, wie sich das Verdichtungsverhalten zwischen AFP- und Geflechtarchitekturen unterscheidet. Verdichtungsstrategien in der Verbundwerkstofffertigung hängen stark von der Preform-Architektur und der Materialart ab. AFP-Teile erfordern einen anderen Konsolidierungsansatz als Geflechtteile. AFP-Preforms bestehen aus einzelnen Bahnen und Lagenstapeln, die während der robotergestützten Platzierung durch lokale Wärme und Druck teilweise konsolidiert werden. Dadurch entstehen verdichtete Oberflächen, in denen Luft eingeschlossen werden kann, wenn der Klemmpunkt am Endeffektor nicht gut kontrolliert wird. Manchmal werden zur Verbesserung der Luftabführung sorgfältig konstruierte Spalte in die Verlegungsbahnen integriert, um während des Schmelzens Luftabführungswege zu gewährleisten. Im Allgemeinen ist die Implementierung von Luftabführungswegen jedoch nicht wünschenswert, da sie zu harzreichen Stegen führen können, wenn sich die Fasern nicht ausbreiten, um den schmalen Spalt zu schließen. AFP-Verfahren stützen sich stark auf eine verdichtungsbasierte Vorverdichtung und sekundäre Erwärmungsschritte unter Vakuum, um das Bauteil vollständig zu verfestigen. Im Gegensatz dazu zeichnen sich geflochtene Preforms durch eine anpassungsfähigere und von Natur aus offene Textilarchitektur aus, was die Luftabführung vereinfacht, jedoch eine sorgfältige Steuerung der Preform-Beweglichkeit und ein kontrolliertes thermisches Schmelzprofil während der Verfestigung erfordert. Diese Unterschiede wirken sich auch auf die Werkzeug- und Laminierungsstrategien aus: AFP ist auf Werkzeuge beschränkt, die die Größe des Endeffektors aufnehmen können, sowie auf Bewegungsalgorithmen, die ein Knicken vermeiden, während geflochtene Strukturen stärker vom Drapierverhalten des Gewebes, dem Fachwissen der Techniker und dem Umgang mit Einschnitten oder Überlappungen bei komplexen Geometrien abhängen.

AFP überzeugt, wenn Produktionsvolumen, Geometrie und Qualifizierungswege aufeinander abgestimmt sind. Es bietet eine optimale Prozesssteuerung, ist jedoch nur dann kosteneffizient, wenn das Programm die erforderliche Infrastruktur und die Serienfertigung unterstützt. Geflochtenes Gewebe ist besonders relevant für Programme mit anspruchsvoller Geometrie, kleineren Bauteilen und moderaten Stückzahlen, die Prozessflexibilität erfordern. Mit geflochtenem Gewebe profitieren Sie von den Vorteilen von Thermoplasten ohne die Einschränkungen oder Kosten von AFP.

Erforschung hybrider Laminierungsstrategien

Bei Thermoplasten dreht sich bei den Eigenschaften alles um die Konsolidierung: Es muss sichergestellt werden, dass die Polymerketten ausreichend schmelzen, sich verflechten und zusammenfließen, um alle Verflechtungslinien zu beseitigen und eine voluminöse Polymermatrix zu bilden. Deshalb müssen AFP-Teile nachträglich konsolidiert werden, da die anfängliche Platzierung den Polymerketten nicht genügend Zeit lässt, sich bei den für eine effiziente AFP erforderlichen Platzierungsgeschwindigkeiten vollständig zu vermischen. Das Geflecht wird bei Raumtemperatur aufgebracht und strategisch punktgeschweißt; der Vakuumbeutelschritt ist der einzige Schritt zur Konsolidierung der Struktur.

Die Kombination der Effizienz von AFP mit der einfachen Platzierung von Geflecht kann ebenfalls von Vorteil sein. Geflecht wird in Verbundwerkstoffen beim Bohren von Löchern häufig als „Break-out-Schicht“ verwendet. Geflecht kann als letzte Schicht in einem per AFP platzierten Bauteil eingesetzt werden, wenn viele Löcher darin gebohrt werden sollen. Aufgrund der hohen Rissbeständigkeit von Geflechtgeweben kann es zudem als schlagfeste Schicht dienen.

In der Praxis ist die Prozessentwicklung kein Schwarz-Weiß-Thema. Viele Anwendungen befinden sich in einem Zwischenbereich, in dem sich Geometrie, Produktionsrate, Qualifizierungsstrategie und infrastrukturelle Einschränkungen überschneiden. Bevor man überlegt, wie das Bauteil hergestellt werden soll und welche Techniken und Materialien zum Einsatz kommen sollen, ist es entscheidend, sich zu fragen, was genau man herstellt:

• - Geometrie: Ist das Bauteil flach, einfach gekrümmt oder mehrfach gekrümmt? Weist es scharfe Kanten oder glatte Oberflächen auf? Ist die Formgenauigkeit wichtig?
• - Größe: Ist das Bauteil klein (<2 m²), mittelgroß (2–15 m²) oder groß (15 m²)?
• - Anwendungsart: Handelt es sich um eine Primär- oder Sekundärstruktur? Ist die Steifigkeit oder die Festigkeit ausschlaggebend? Spielen Stoßbelastung, Ermüdung oder Haltbarkeit eine Rolle?
• - Produktionsvolumen: Handelt es sich um einen Prototyp, eine Kleinserienfertigung oder ein Serienprogramm? Ist Automatisierung zur Gewährleistung der Wiederholbarkeit erforderlich oder ist Flexibilität für die Entwicklung notwendig?
• - Qualifizierungsweg: Reicht eine punktuelle Qualifizierung aus oder ist für die Zertifizierung eine Materialdatenbank erforderlich?
• - Konsolidierungsbeschränkungen: Welche Anlagen stehen zur Verfügung? Ofen, Presse, beheizte Werkzeuge? Kann die Konsolidierung intern durchgeführt werden oder ist eine Auslagerung vorgesehen?

Die Diskussion hat sich davon wegbewegt, dass AFP der De-facto-Thermoplastverfahren für große Bauteile ist, hin zu einer Auswahl an Verfahrenswegen, die die Fertigungsziele und Produktionsanforderungen am besten in Einklang bringen und gleichzeitig Qualität und Leistung auf höchstem Niveau halten. Geflochtene thermoplastische Gewebe eröffnen einen neuen Anwendungsbereich zwischen hochautomatisierter Serienfertigung und manuell aufwendiger Verbundwerkstoffherstellung. Dies ist die „Goldilocks-Zone“, in der geometrische Flexibilität, vereinfachte Verarbeitung und skalierbare Produktionsanforderungen zusammenkommen.