Extrem leichte Spannwelle aus CFK: Sonderanfertigung für häufige Rollenwechsel in der Verpackungsindustrie

Wie ein Tragrohr aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) das Wellengewicht so weit senkt, dass häufige manuelle Rollenwechsel innerhalb der ergonomischen Vorgaben des Arbeitsschutzes bleiben, ohne Kompromisse bei Steifigkeit und Rundlauf.

An einer Abwickelstation in der Verpackungsindustrie wird die Welle nicht einmal pro Schicht bewegt, sondern viele Male: leere Hülse ab, volle Rolle auf, Welle aus dem Lager heben, einsetzen, ausrichten. Bei einer Stahlwelle ist das je nach Durchmesser und Spannlänge bei jedem Durchgang eine erhebliche Last, und mit jeder Wiederholung summiert sich die Belastung der Lendenwirbelsäule. Genau hier wird aus einer Konstruktionsentscheidung eine Frage des Arbeitsschutzes.

Ein Kunde aus der Verpackungsindustrie kam mit dieser Aufgabe auf IBD Wickeltechnik zu: Die Spannwelle sollte so leicht werden, dass sie auch bei hoher Wechselfrequenz von einer Person gehandhabt werden kann, ohne die zulässigen Gewichtsauflagen zu überschreiten. Eine Standardwelle aus Aluminium war dafür bereits am oberen Rand des Vertretbaren. Gefragt war kein Feintuning, sondern ein Materialwechsel.

Die rechtliche Ausgangslage: Was „zu schwer“ konkret bedeutet

Die manuelle Handhabung von Lasten ist in Deutschland über die Lastenhandhabungsverordnung (LasthandhabV) geregelt, die die EU-Richtlinie 90/269/EWG umsetzt. Entscheidend für die Praxis: Die Verordnung nennt keinen festen Höchstwert in Kilogramm, sondern verpflichtet zu einer Gefährdungsbeurteilung, die Gewicht, Körperhaltung, Greifbedingungen und vor allem die Häufigkeit gemeinsam bewertet. Gerade die Häufigkeit ist der Hebel: Eine einmalig unkritische Last wird bei dutzenden Wiederholungen pro Schicht zum Risiko.

Das anerkannte Bewertungsinstrument der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) ist die Leitmerkmalmethode Heben, Halten und Tragen (LMM-HHT). In ihr wirken zwei Werte als faktische Orientierungsgrenzen: Werden bei Männern mehr als 25 kg oder bei Frauen mehr als 15 kg gehandhabt, gilt die Tätigkeit als so kritisch, dass sie gesondert zu beurteilen ist. Praktisch markieren diese Werte die Schwelle, ab der eine Welle für den wiederholten Handbetrieb ungeeignet wird (vertiefend: DGUV-Sachgebiet Physische Belastungen).

Für besonders schutzbedürftige Gruppen gelten zusätzlich verbindliche Höchstgewichte: Nach § 11 Mutterschutzgesetz (MuSchG) dürfen schwangere Frauen ohne Hilfsmittel regelmäßig keine Lasten über 5 kg und gelegentlich keine über 10 kg bewegen, das Jugendarbeitsschutzgesetz (§ 22 JArbSchG) begrenzt Tätigkeiten oberhalb der körperlichen Leistungsfähigkeit. Betriebswirtschaftlich heißt das: Je leichter die Welle, desto größer der Kreis der Beschäftigten, der eine Station besetzen darf, und desto seltener muss die Gewichtsfrage über Hebehilfen oder Personalauswahl gelöst werden.

Warum nicht einfach Aluminium

Aluminium ist der naheliegende Schritt zur Gewichtsreduktion und im Standardprogramm der Hochleistungs-Spannwellen PSW-Z verfügbar. Bei großer Spannlänge und tragender Belastung stößt ein Alu-Tragrohr aber an eine physikalische Grenze: Für die nötige Biegesteifigkeit und eine geringe Durchbiegung unter der vollen Rolle braucht es Wandstärke, also genau die Masse, die man loswerden will.

CFK durchbricht diesen Zielkonflikt über die spezifische Steifigkeit, das Verhältnis von Elastizitätsmodul zu Dichte (E/ρ), bei dem Kohlenstofffaser deutlich über Aluminium und Stahl liegt. Ein CFK-Tragrohr erreicht dieselbe Biegesteifigkeit bei einem Bruchteil des Gewichts.

Dabei wurde ausschließlich das Tragrohr aus CFK gefertigt. Die Aufnahme- und Lagerzapfen bleiben aus Stahl, ebenso Klemmzapfen, Spannelemente und Füllventil aus dem bewährten Baukasten der Serie PSW-Z. Das ist Absicht: Die Masse einer Spannwelle sitzt über die Spannlänge im Rohr, während die hoch belasteten Bauteile an den Enden kaum zum Gewicht beitragen, aber Lager-, Klemm- und Antriebskräfte übertragen müssen, wofür Stahl die richtige Wahl bleibt. So behält die Welle Spannprinzip und Servicefähigkeit der Standardbaureihe und verschiebt nur das Handhabungsgewicht nach unten.

Wie groß der Effekt ausfällt, zeigt der direkte Vergleich: Bei einer 3-Zoll-Spannwelle (76 mm) mit 2 m Spannlänge senkt das CFK-Tragrohr das Gewicht um rund 20 % gegenüber Aluminium und rund 60 % gegenüber Stahl. Bemerkenswert ist dabei weniger der erwartbare Abstand zu Stahl als die zusätzlichen 20 % gegenüber der ohnehin leichten Alu-Variante. Genau dieses Fünftel ist in der Praxis oft die Differenz zwischen einer Welle, die an der ergonomischen Schwelle kratzt, und einer, die mit Reserve darunter bleibt.

Warum sich CFK über das Gewicht hinaus rechnet

Der Materialaufpreis von CFK ist real und lohnt nicht jede Anwendung. Wo er sich rechnet, liegt das selten am Gewicht allein, sondern an Eigenschaften, die Metall konstruktiv nicht gleichzeitig liefert:

Geringere Durchbiegung, bessere Bahngeometrie. Eine steife, leichte Welle hängt unter der vollen Rolle weniger durch. Das vergleichmäßigt die Bahnspannung über die Arbeitsbreite und reduziert Wickelfehler, besonders bei großen Spannlängen.

Höhere kritische Drehzahl. Die Resonanzdrehzahl hängt von Durchbiegung, Masse und Steifigkeit ab. Die hohe spezifische Steifigkeit von CFK hebt sie an und schafft Reserve für höhere Bahngeschwindigkeiten ohne Laufunruhe.

Bessere Dämpfung, ruhigerer Lauf. CFK hat eine höhere innere Werkstoffdämpfung als Metall. Schwingungen klingen schneller ab, der Lauf bleibt auch bei hoher Geschwindigkeit ruhig. Das schont Lager und verbessert die Oberflächenqualität der Bahn.

Geringeres Massenträgheitsmoment. Weniger rotierende Masse heißt: schnelleres Beschleunigen und Bremsen, geringerer Antriebsmomentbedarf und weniger Kraft beim manuellen Andrehen, spürbar bei häufigen Start-Stopp-Zyklen.

Geringe Wärmeausdehnung. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient hält die Wellengeometrie über Temperaturschwankungen stabil, ein Vorteil überall dort, wo eng tolerierte Bahnpositionen gefordert sind.

Diese Effekte greifen ineinander. Eine leichtere, steifere und besser gedämpfte Welle ist nicht die Summe von Einzelvorteilen, sondern erlaubt einen anderen Betriebspunkt der Anlage: schneller, ruhiger, mit weniger Ausschuss und einem dauerhaft besetzbaren Arbeitsplatz.

Dipl. Ing. Holger Brink, Geschäftsführer und Technischer Leiter bei IBD Wickeltechnik:

„CFK ist kein Selbstzweck und nicht in jeder Welle die richtige Antwort. Hier war die Aufgabe klar umrissen: häufige Rollenwechsel, eine Person, ein hartes Gewichtsziel. Aluminium war an seiner Grenze, 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.“

Kundenspezifische Wellenauslegung als Kernkompetenz

Der eigentliche Wert dieser Lösung liegt nicht im Werkstoff, sondern in der Auslegung. Eine Spannwelle ist kein Katalogteil: Hülsendurchmesser, Spannlänge, tragende Last, Drehzahl, Antriebsanbindung, Umgebung und das geforderte Handhabungsgewicht bilden ein Anforderungsprofil, das von Anwendung zu Anwendung anders aussieht.

Die modulare Architektur der IBD-Baureihen ist darauf ausgelegt. Tragrohrmaterial, Spannelemente und Zapfen lassen sich anpassen, ohne Spannprinzip oder Servicefähigkeit aufzugeben. Hier war der Materialwechsel auf CFK der Hebel, in anderen Projekten eine verschiebbare Wellenmechanik, eine angepasste Spannelementbestückung oder eine Sonderlagerung. Eine Wickelwelle vom Anforderungsprofil her zu denken statt vom Katalog, statt eine Standardwelle bis zur Passung zu überdimensionieren, ist der Kern dessen, was IBD Wickeltechnik als kundenspezifische Entwicklung versteht.

Übertragbar auf jede gewichtskritische Wechselstation

Das Prinzip lässt sich auf praktisch jede Abwickel- oder Aufwickelstation übertragen, an der häufig manuell gewechselt wird und das Wellengewicht zum Engpass wird. Überall dort, wo eine Standardwelle aus Stahl oder Aluminium die ergonomischen Grenzen reißt, senkt das CFK-Tragrohr das Gewicht, ohne Steifigkeit, Rundlauf oder Servicefähigkeit zu opfern. Voraussetzung ist eine ehrliche Bewertung des Anforderungsprofils, und genau dort beginnt die Auslegung.