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Naturfasern drängen aufs Carbon- und Glasfaser-Feld

| Autor / Redakteur: Thomas Isenburg / Peter Königsreuther

Henry Ford zeigte 1941 eine naturfaserverstärkte Autokarosserie. Der Trabant aus der ehemaligen DDR nahm die Idee auf. Heute rücken Jute, Hanf, Flachs oder Sisal auch wieder in den Fokus der Automobilteileentwicklung. Hier ein Beispiel von Faurecia für eine Pkw-Tür.
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Henry Ford zeigte 1941 eine naturfaserverstärkte Autokarosserie. Der Trabant aus der ehemaligen DDR nahm die Idee auf. Heute rücken Jute, Hanf, Flachs oder Sisal auch wieder in den Fokus der Automobilteileentwicklung. Hier ein Beispiel von Faurecia für eine Pkw-Tür. (Bild: Faurecia)

Composites sind in Zeiten des Leichtbaus eine von vielen Industriesektoren genutzte, wenn auch aufwendiger zu verarbeitende Werkstoffalternative. Übliche Verstärkungsfasern aus Glas oder Carbon bekommen nun nachhaltige Konkurrenz aus der Natur.

Wenn Komponenten gewichtsoptimiert werden und gleichzeitig eine hohe Steifigkeit besitzen sollen, rücken in den Fokus der Werkstoffentwickler oft glas- oder carbonfaserverstärkte Kunststoffe Diese Trendmaterialien erreichen das anvisierte Ziel der Fahrzeugmassenreduzierung, um etwa den Kraftstoffverbrauch zu senken, ziemlich sicher. Darum sind faserverstärkte Kunststoffe (FVK) fast schon ein Leichtbau-Dauerbrenner. Klassiker sind glasfaserverstärkte Werkstoffe im Vergleich zu den recht teuren Carbonfasern. Eine Materialart, die schon lange bekannt ist und langsam in den Vordergrund rückt, ist aber auch NFK - naturfaserverstärkter Kunststoff, bei denen Pflanzenfasern in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden. Die wichtigsten Vertreter sind Flachs, Hanf, Jute, Kenaf, Sisal, Abaca und Baumwolle. Henry Ford präsentierte bereits 1941 eine Karosserie, die zum Großteil aus harzgetränkten Naturfasern bestand. Und in Ostdeutschland wurde die Karosserie des Trabant so gefertigt.

Aktuelle Untersuchungen widmen sich den Anbauflächen und Preisen für diese Faseralternative. Ein anderer Blickwinkel der Entwickler zielt auch auf neue Verarbeitungsverfahren, Technologien und Anwendungen. Immerhin werden in der europäischen Automobilbau diese Kunststoffe in der Größenordnung von 100 kt verbaut. Demgegenüber steht ein Verbrauch von etwa 1 Mio. Tonnen glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Die teureren Carbonfasern haben im Vergleich dazu einen Verbrauch von etwa 50.000 t, wie sich dem Marktbericht des Branchenverbands AVK entnehmen lässt.

Nachwachsende Alternative kann Rohölschwund entgegensteuern

Der Trend zu naturfaserverstärkten Kunststoffen wurde durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft über das Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe der Hochschule Hannover (IFBB) angesprochen, indem ein Biokonzept-Car für Autorennen geschaffen wurde. Im Zuge des Projekts wurden Bioverbundbauteile mit einem biogenen Anteil von 30 bis 70 % sowie Biokunststoffteile hergestellt und im Rennalltag vor und nach dem Einsatz im Rennwagen von Ingenieuren des Hochschulinstituts getestet. Dabei wird untersucht, wie das Material auf Belastungen reagiert. Am Ende des Vorhabens soll ein allen Interessierten zugänglicher Bauteilkatalog stehen, in welchem die eingesetzten Bauteile und deren Verarbeitung ausführlich beschrieben werden.

Entwickler beabsichtigen durch ihre Untersuchungen GFK-Werkstoffe sowie den Thermoplast ABS erfolgreich zu substituieren, wenn die Verfügbarkeit des Rohöls einst schwinden sollte. Viele der Verfahren können dabei an den bekannten GFK-Verarbeitungsprozess angelehnt werden. Wichtig dabei ist vor allem eine Herabsetzung der Verarbeitungstemperatur, da die Naturfasern wesentlich temperaturempfindlicher sind als Glasfasern.

Vor der Verarbeitung müssen die Fasern getrocknet werden, da sie hygroskopisch sind. Auch sind Haftvermittler notwendig. Die entsprechende Verfahrenstechnik kann beim Maschinenhersteller Krauss-Maffei aus München erworben werden. Gewebe aus Endlosfasern werden zunächst aufgeheizt und in ein Spritzgießwerkzeug abgelegt. Mit Kunststoffschmelze wird die Faserlage anschließend hinterspritzt. Das Spritzgießen erlaubt die Anformung zusätzlicher Versteifungen durch in Form von Rippen sowie weitere Funktionalitäten, wie etwa Montagelöcher. So können Sitzschalen und -lehnen, Instrumententafelträger, Verdeckkästen, Seitenaufprallschutz-Komponenten, Unterbodengruppen, Teile im Motorraum und Semi-Strukturbauteile entstehen. Bei einer Gesamtmasse von 1300 kg, bestehen heute etwa 5 kg eines Mittelklassewagens aus nachwachsenden Rohstoffen, wie auch die Ergebnisse von Klaus Mayr-Rauch von der VW-Konzernforschung Umweltsteuerung bestätigen.

Der Automobilzulieferer Faurecia experimentiert schon länger mit hanffaserverstärktem Polypropylen (PP). Ein großer Vorteil davon ist, dass üblich Spritzgussanlagen das Granulat leicht verarbeiten können.

So neu ist das alles aber nicht, weiß Dr. Renate Lützkendorf, Expertin für das Thema vom Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V.: „Am Einsatz von Naturfasern wird schon seit Beginn der 1990er Jahre intensiv gearbeitet. Besonders im Fahrzeugbereich finden sie heute ihren Nutzen.“ Als thermoplastische Matrix hat sich PP durchgesetzt – ein relativ günstiger Kunststoff. Ein Nachteil ist, dass die aus Cellulose bestehenden Fasern relativ temperaturempfindlich sind.

In großem Stil im Einsazt sind auch mit duromeren Harzsystemen durchtränkte Naturfasern, die im Pressverfahren verarbeitet werden und danach nicht wieder schmelzbar sind. Faservliese und -matten dazu werden etwa von Isowood aus Rudolstadt und Polyvlies aus Hörstel-Bevergern aufbereitet.

Klassische Verarbeitungsmethoden sind durchaus anwendbar

Naturfasern können auch spritzgegossen werden. Im Vorfeld muss jedoch dafür gesorgt werden, dass sich die Fasern im Polymergranulat (meist PP) eingebettet sind. Verfahrensunterschiede kann man anhand des Fasergehalts treffen: Den höchsten Fasergehalt weisen duroplastische Werkstoffe mit einem Anteil natürlicher Produkte von 50 bis 60 % auf. Bei den thermoplastischen Pressverfahren liegt der Wert bei 40 und 50 %. Beim Spritzgießen darf der Fasergehalt nicht über 30 % betragen.

Eine Herausforderung bei den Naturfasern besteht der geforderten gleichmäßigen Qualität. Auch hier spielt die Natur eine große Rolle. Zunächst einmal steuert das Wetter den Wachstumsprozess mit. Weitere Parameter sind die Feuchte und die Erntezeit. Dies gilt es, aufeinander abzustimmen. Die umfangreichen Aktivitäten unterschiedlicher Player deuten auf ein größeres Interesse gerade im automotiven Umfeld an den naturfaserverstärkten Werkstoffen hin. Bei vielen Fachkongressen können interessierte Besucher die Experten treffen und sich über den aktuellen Stand der Technik informieren lassen. MM

* Dr. Thomas Isenburg ist freier Wissenschaftsjournalist in 44629 Herne.

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