Wie ein Tragrohr aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff das Wellengewicht so weit reduziert, dass häufige manuelle Rollenwechsel innerhalb der ergonomischen Vorgaben des Arbeitsschutzes bleiben – ohne Kompromisse bei Steifigkeit, Rundlauf und Dynamik.
An vielen Abwickelstationen in der Verpackungsproduktion gehört der Rollenwechsel zum Routinebetrieb. Anders als in Anwendungen, bei denen eine Spannwelle lediglich einmal pro Schicht bewegt wird, muss sie hier vielfach täglich ausgebaut, mit einer neuen Rolle bestückt und wieder eingesetzt werden. Leere Hülse abziehen, volle Rolle aufnehmen, Welle aus den Lagerböcken heben, einsetzen und ausrichten – jeder Wechsel bedeutet mehrere manuelle Hebevorgänge.
Was konstruktiv zunächst wie eine Materialfrage erscheint, wird unter diesen Bedingungen schnell zu einem ergonomischen und arbeitsschutzrechtlichen Thema. Denn mit jeder Wiederholung steigt die physische Belastung des Bedienpersonals. Während eine Stahlwelle bei großen Spannlängen und Durchmessern problemlos mehrere Dutzend Kilogramm wiegen kann, entscheidet ihr Eigengewicht letztlich darüber, ob ein Arbeitsplatz dauerhaft ergonomisch betrieben werden kann oder zusätzliche Hebehilfen erforderlich werden.
Vor dieser Aufgabenstellung stand auch ein Kunde aus der Verpackungsindustrie, der sich an IBD Wickeltechnik wandte. Gesucht wurde keine Optimierung im Grammbereich, sondern eine konstruktive Lösung, mit der sich das Eigengewicht der Spannwelle deutlich reduzieren lässt, ohne die mechanischen Eigenschaften der bewährten Baureihe zu verändern.
Ergonomie beginnt nicht beim Hebegerät, sondern bei der Konstruktion
Die rechtlichen Anforderungen an die manuelle Handhabung von Lasten sind in Deutschland durch die Lastenhandhabungsverordnung (LasthandhabV) geregelt, mit der die europäische Richtlinie 90/269/EWG umgesetzt wird. Anders als häufig angenommen existiert dabei kein allgemeingültiger maximal zulässiger Kilogrammwert. Vielmehr fordert der Gesetzgeber eine Gefährdungsbeurteilung, bei der Gewicht, Körperhaltung, Greifbedingungen, Bewegungsablauf und insbesondere die Häufigkeit der Hebevorgänge gemeinsam bewertet werden.
Gerade diese Wiederholhäufigkeit macht Rollenwechsel an Wickelstationen ergonomisch anspruchsvoll. Eine Last, die bei gelegentlichem Heben noch unkritisch erscheint, kann bei mehreren Dutzend Wiederholungen pro Schicht zu einer erheblichen Belastung der Lendenwirbelsäule werden.
Als etabliertes Bewertungsinstrument gilt die Leitmerkmalmethode „Heben, Halten und Tragen“ (LMM-HHT) der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA). In der betrieblichen Praxis dienen dabei Lasten oberhalb von 25 kg bei Männern beziehungsweise 15 kg bei Frauen häufig als Orientierungswerte, ab denen Tätigkeiten gesondert beurteilt werden sollten. Für schwangere Beschäftigte gelten gemäß Mutterschutzgesetz deutlich niedrigere Grenzwerte; auch das Jugendarbeitsschutzgesetz begrenzt körperlich belastende Tätigkeiten entsprechend der individuellen Leistungsfähigkeit.
Für Maschinenbetreiber hat dies unmittelbare praktische Konsequenzen. Je leichter eine Spannwelle ausgeführt werden kann, desto größer wird der Kreis der Beschäftigten, die eine Anlage ohne zusätzliche Hebehilfen bedienen können.
Aluminium reduziert Gewicht – CFK löst den Zielkonflikt
Der naheliegende Schritt zur Gewichtsreduzierung besteht im Einsatz eines Aluminium-Tragrohres. Aluminiumspannwellen gehören deshalb seit Jahren zum Standardprogramm hochwertiger Wickeltechnik.
Bei großen Spannlängen stößt Aluminium jedoch an physikalische Grenzen. Soll die Durchbiegung unter einer schweren Rolle gering bleiben, muss das Tragrohr entsprechend steif ausgeführt werden. Diese Steifigkeit wird über größere Wandstärken erzielt – und genau diese erhöhen wiederum das Gewicht. Zwischen Biegesteifigkeit und Masse entsteht ein klassischer Zielkonflikt.
An dieser Stelle eröffnet kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) konstruktiv neue Möglichkeiten. Entscheidend ist seine außergewöhnlich hohe spezifische Steifigkeit, also das Verhältnis von Elastizitätsmodul zu Dichte. CFK erreicht bei deutlich geringerem Gewicht eine vergleichbare oder sogar höhere Biegesteifigkeit als Aluminium oder Stahl.
Bei der von IBD Wickeltechnik entwickelten Sonderlösung wurde deshalb ausschließlich das Tragrohr durch ein CFK-Bauteil ersetzt. Sämtliche hochbelasteten Funktionskomponenten – Lagerzapfen, Aufnahmezapfen, Klemmmechanik, Spannelemente und Füllventil – bleiben unverändert aus Stahl und stammen aus dem bewährten Baukasten der Spannwellenbaureihe PSW-Z.
Diese Aufgabenteilung folgt einer klaren konstruktiven Logik. Während der überwiegende Anteil der Masse über die gesamte Spannlänge im Tragrohr sitzt, müssen die Endbauteile hohe Lager-, Spann- und Antriebskräfte übertragen. Hier bleibt Stahl aufgrund seiner Festigkeit und Dauerbelastbarkeit weiterhin das geeignete Material. Gleichzeitig bleiben Ersatzteilversorgung, Wartung und Servicekonzept vollständig kompatibel mit der Serienbaureihe.
Rund 20 Prozent leichter als Aluminium
Der Gewichtsvorteil fällt deutlicher aus, als viele Anwender erwarten würden.
Bei einer 3-Zoll-Spannwelle (76 mm) mit zwei Metern Spannlänge reduziert das CFK-Tragrohr das Gesamtgewicht gegenüber einer Aluminium-Ausführung um rund 20 Prozent und gegenüber einer Stahlwelle sogar um etwa 60 Prozent.
Bemerkenswert ist dabei weniger der erwartbare Abstand zum Stahl als die zusätzliche Gewichtsersparnis gegenüber einer bereits optimierten Aluminiumlösung. Genau diese rund 20 Prozent entscheiden in vielen Anwendungen darüber, ob eine Spannwelle dauerhaft innerhalb der ergonomischen Zielvorgaben liegt oder zusätzliche organisatorische Maßnahmen erforderlich werden.
Werkstoffvorteile weit über die Gewichtsreduzierung hinaus
Der vergleichsweise hohe Materialpreis von CFK macht den Werkstoff nicht automatisch zur universellen Lösung. Wirtschaftlich interessant wird er überall dort, wo seine mechanischen Eigenschaften den Anlagenbetrieb unmittelbar verbessern.
Durch die höhere Biegesteifigkeit reduziert sich die Durchbiegung unter Last. Die Bahnspannung bleibt über die gesamte Arbeitsbreite gleichmäßiger, wodurch sich insbesondere bei großen Rollen Wickelqualität und Bahnführung verbessern.
Ebenso steigt die kritische Drehzahl der Spannwelle. Da Resonanzverhalten, Steifigkeit und Masse unmittelbar zusammenhängen, ermöglicht das leichtere Tragrohr höhere Bahngeschwindigkeiten bei gleichzeitig ruhigerem Lauf.
Hinzu kommt die werkstoffbedingt höhere innere Dämpfung von CFK. Schwingungen werden deutlich schneller abgebaut als bei metallischen Konstruktionen, was das Lager entlastet und sich positiv auf die Oberflächenqualität empfindlicher Bahnen auswirkt.
Ein weiterer Vorteil liegt im geringeren Massenträgheitsmoment. Die reduzierte rotierende Masse verkürzt Beschleunigungs- und Bremsvorgänge, verringert den erforderlichen Antriebsmomentbedarf und erleichtert gleichzeitig das manuelle Drehen der Welle beim Einrichten.
Auch thermisch bietet CFK Vorteile. Aufgrund seines geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten bleiben Rundlauf und Geometrie selbst bei Temperaturschwankungen stabil – ein wichtiger Aspekt überall dort, wo enge Bahnführungstoleranzen eingehalten werden müssen.
Erst das Zusammenwirken dieser Eigenschaften macht den eigentlichen Mehrwert aus. Die Spannwelle wird nicht nur leichter, sondern zugleich steifer, schwingungsärmer und dynamisch günstiger. Dadurch erweitert sich das prozesstechnische Einsatzfenster der gesamten Wickelstation.
„CFK ist kein Selbstzweck und nicht für jede Welle die richtige Antwort. Hier war die Aufgabe klar umrissen: häufige Rollenwechsel, eine Person, ein hartes Gewichtsziel. Aluminium war an seiner Grenze gestoßen, und genau dann spielt das Tragrohr aus Kohlenstofffaser seine Stärke aus. Wir behalten unseren bewährten Spann- und Lagerbaukasten bei und tauschen nur dort Material, wo es den entscheidenden Unterschied macht“, erklärt Dipl.-Ing. Holger Brink, Geschäftsführer und Technischer Leiter der IBD Wickeltechnik.
Kundenspezifische Wellenauslegung statt Standardlösung
Der eigentliche Entwicklungsaufwand lag jedoch weniger in der Materialwahl als in der Auslegung der Spannwelle. Denn Wickelwellen sind keine universellen Katalogprodukte. Spannlänge, Hülsendurchmesser, Traglast, Drehzahl, Antriebseinbindung, Umgebungsbedingungen und gewünschtes Handhabungsgewicht ergeben jeweils ein individuelles Lastenheft.
Die modulare Konstruktion der IBD-Baureihen ermöglicht es, Tragrohrmaterial, Spannelemente, Lagerzapfen und weitere Komponenten an die jeweilige Anwendung anzupassen, ohne das bewährte Spannprinzip oder die Wartungsfreundlichkeit aufzugeben. Während in diesem Projekt der Materialwechsel auf CFK den entscheidenden Hebel darstellte, stehen in anderen Anwendungen verschiebbare Spannmechaniken, angepasste Spannelemente oder spezielle Lagerkonzepte im Vordergrund.
Die Konstruktion orientiert sich damit konsequent am tatsächlichen Anforderungsprofil der Anlage und nicht an der möglichst weitgehenden Anpassung eines Standardprodukts.
Übertragbares Konzept für gewichtskritische Wechselstationen
Die entwickelte Lösung beschränkt sich nicht auf die konkrete Verpackungsanwendung. Überall dort, wo Spannwellen regelmäßig manuell gewechselt werden und ihr Eigengewicht zum ergonomischen Engpass wird, eröffnet ein CFK-Tragrohr erhebliche Potenziale.
Ob an Abwicklern, Aufwicklern, Beschichtungsanlagen oder Druckmaschinen – überall dort, wo hohe Steifigkeit, präziser Rundlauf und geringes Gewicht gleichzeitig gefordert sind, kann der gezielte Einsatz von CFK die ergonomischen Anforderungen erfüllen, ohne Kompromisse bei Funktion, Dynamik oder Servicefähigkeit einzugehen. Voraussetzung bleibt jedoch stets eine anwendungsspezifische Auslegung. Denn nicht der Werkstoff allein entscheidet über die Leistungsfähigkeit einer Spannwelle, sondern die konstruktive Abstimmung aller Komponenten auf den jeweiligen Prozess.
