Werkstoffe 31. Jul 2015 Rainer B. Langen

Hanf ersetzt Kunststoff im Spritzguss

Blenden aus Hanf-Polypropylen-Spritzguss in eingefärbter Naturfaser-Optik.
Foto: U. Schnabel/Hib Trim Part Solutions

Auf den Spritzguss mit Hanf sei er gekommen, als er nach einem leichten, kostengünstigen Material suchte, mit dem er Blenden aus Holz, Aluminium oder Kunststoff für die Innenverkleidung von Automobilen unterfüllen könnte, sagt Uwe Schnabel aus der Vorentwicklungsabteilung des Bruchsaler Automobil-Zulieferers Hib Trim Part Solutions GmbH. Zunächst seien ihm Naturfasermatten in den Sinn gekommen. Daraus entstehen Formpressteile wie Hutablagen oder Türverkleidungen. „Sie lassen sich aber nicht ohne weiteres anbinden. Man hätte Retainer, also Befestigungsclips oder Schraubenkanäle, ankleben müssen“, so Schnabel. Das ginge jedoch nur von Hand und sei damit viel zu aufwendig.

Doch es gibt Spritzgussverfahren für Naturfasern. Diese verwenden Komposite, in denen Naturfasern und Kunststoffe gemischt und über einen Kleber miteinander verbunden sind. 2012 wurden europaweit laut einer Studie des Nova-Instituts in Hürth ca. 2000 t Kunststoff-Naturfaser-Komposite im Spritzguss verarbeitet.

Die vorhandenen Komposite aber waren für die Verwendung im Fahrzeuginnenraum nicht schlagfest genug; und wenn sie brechen, können scharfe Kanten entstehen. Das liegt auch daran, dass die Naturfasern in den Kunststoffen verhältnismäßig kurz sind.

Schnabel begann, mit 1,5 cm bis 2 cm langen Hanffasern zu experimentieren. Zusammen mit Spezialisten der Badischen Faserveredelung GmbH in Malsch tüftelte er ein Verfahren aus, mit dem die Fasern für den Spritzguss vorbereitet werden können: Wie auf einer Backstraße wird eine Matte aus losen Hanffasern mit Polypropylen-Granulat und Wachs bestreut. Am Ende der Straße macht die Maschine daraus Pellets.

Im Extruder der Spritzgussanlage werden die Pellets aufgeschmolzen. Dabei zerfließt das Wachs, das als Schmelzhilfe für den Kunststoff dient. Im Polypropylen schwimmen nun die langen Hanffasern und richten sich bis zum Auslauf des Extruders in Längsrichtung aus.

Am besten eignet sich Hanf, der nach der Ernte ein paar Wochen auf dem Feld liegen geblieben ist und schon eine gewisse Verrottung oder eine ‚mittlere Röstung‘ aufweist, wie Experten sagen. In diesem Stadium haben die Fasern die meisten ihrer Inhaltsstoffe verloren. Diese würden ansonsten bei den hohen Temperaturen im Extruder explosionsartig ausgasen und die Verarbeitung stören.

Nach dem Öffnen der Extruderdüse verteilen sich die Naturfasern in Fließrichtung im Spritzgusswerkzeug. In der Spritzgussform kühlt die Masse an den Wänden zuerst ab. „Dort liegen die Fasern dann noch einigermaßen gerichtet“, erläutert Schnabel. Doch im Inneren des Formteils würden sich die Fasern wirr verkrallen. Lange, stabile und verhakte Fasern in der Kunststoffmatrix – das macht eine Schlagfestigkeit möglich, die man bei den bislang bekannten Verfahren mit kurzen Naturfasern im Spritzguss nicht erreichen konnte. „Bei einem Crash können sich die langen Fasern erst einmal aus der Kunststoffmatrix herausziehen. Das erlaubt eine große Dehnung des Materials“, erläutert der Werkstoffexperte. „Und sollte das Material doch brechen, gibt es wegen der langen Fasern keine scharfen Kanten.“

Die Schlagfestigkeit des Hanf-Spritzgussmaterials ist nicht so hoch wie bei reinen oder glasfaserverstärkten Kunststoffen. „Aber für die Anwendung im Fahrzeug-innenraum ist sie auf jeden Fall hoch genug“, meint Schnabel.

Hohe Schlagfestigkeit ist die eine Sache. Das Material ist aber auch 20 % leichter als herkömmlicher Kunststoff. Damit können die Konstrukteure in den Formteilen die Hälfte der Kunststoffe durch einen nachwachsenden Rohstoff ersetzen. Das sind laut dem Geschäftsführer des Nova-Instituts, Michael Carus, rund 50 % mehr als bei herkömmlichen Spritzgussverfahren mit Naturfasern.

Die Produktion von Hanf beansprucht nach Auskunft der Experten am Nova-Institut nur einen Bruchteil der Energiemenge, die für synthetische Kunststoffe aufzuwenden ist. Und auch bei der Verarbeitung der Hanf-Kunststoffmischung lässt sich viel Energie sparen. Beim Spritzguss reiner oder glasfaserverstärkter Kunststoffe müssten Techniker im Extruder eine Temperatur von 240 °C bis 280 °C halten; für den Hanfspritzguss genügen hingegen 140 °C bis 180 °C.

Bislang wird das Material der Hib Trim Part Solutions noch nicht in Autos eingebaut. Laut Produktentwickler Schnabel ist nun ein Test bei einem Automobilhersteller geplant.

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