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Guilleaume hatte sich in England und Belgien über den neuesten Stand der Eisen- und Drahttechnik informiert. Mit 25 Jahren wurde er Teilhaber, 1865 Alleinbesitzer der 1826 gegründeten Hanfseilfabrik Felten & Guilleaume. Mit Blick auf die elektrische Nachrichtentechnik, über die er 1859 eine erste Studie verfasst hatte, stellte er das Unternehmen neu auf. Er erweiterte das Drahtwalzwerk und die Drahtzieherei, mechanisierte die Drahtseilproduktion und konzentrierte 1873 in weiser Voraussicht die Draht- und Kabelherstellung im neugegründeten Carlswerk in Mülheim/Rhein, da er – neben Werner von Siemens – ab 1875 Aufträge für die Verlegung der Kabel des Reichstelegrafenamts erhielt. Zudem lieferte der Fabrikant Gussstahldrahtseile an die Schifffahrt sowie den Eisenbahn- und Bergbau und entwickelte den Stacheldraht weiter. In der Hanfverarbeitungssparte seines Unternehmens mechanisierte er 1863 die Bindfadenfabrikation und baute 1876 eine mechanische Hanf- und Wergspinnerei.