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Die Vorteile der NFK liegen auf der Hand: Im Gegensatz
zu den für Kunststoffe traditionell eingesetzten Verstär
kungsfasern, beispielsweise Glasfasern, weisen Natur
fasermaterialien eine um bis zu 50 Prozent niedrigere
Dichte auf, verbessern gleichzeitig den „CO
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-Footprint“
und erlauben neben stofflichem Recycling auch eine hun
dertprozentige thermische Endverwertung des verstärk
ten Kunststoffes. Damit bieten sich insbesondere auch im
Bereich der Elektromobilität völlig neue Chancen für diese
Art von Leichtbauwerkstoffen.
Die Zielvorgaben aus den Forschungs- und Entwicklungs
abteilungen verschiedener Automobilhersteller sind ein
deutig. Naturfaserverstärkte Werkstoffe sind eine hochin
teressante Alternative für Spritzgussanwendungen, wenn
Materialkennwerte im Bereich von PPGF20 erreichbar
sind, insbesondere für Innenraumanwendungen unange
nehme Ausgasungen verhindert werden können, Gewicht
und Herstellungskosten niedriger sind als die des zu
substituierenden Bauteils und darüber hinaus der ge
samte Herstellungsprozess im industriellen Maßstab zu
verlässig reproduzierbar ist.
Aus diesen Zielvorgaben der Automobilindustrie erge
ben sich vielfältige Herausforderungen für die Auswahl
geeigneter Verstärkungsfasern und Matrixwerkstoffe so
wie für die Entwicklung entsprechender Rezepturen. Ein
Problem: Naturfasern sind klimatisch bedingten Qualitäts
schwankungen unterworfen, welche die Einhaltung enger
Toleranzen hinsichtlich Qualität und Eigenschaftsprofil
erschweren. Darüber hinaus sind die erreichbaren Schlag
zähigkeiten üblicherweise relativ niedrig. Vor allem der Na
turfaseraufbereitungsprozess hat einen entscheidenden
Einfluss auf die Materialeigenschaften des naturfaserver
stärkten Thermoplasten und damit auch auf die späteren
Produkteigenschaften des Bauteils.
Herausforderungen bei der
Naturfaserverarbeitung
Die industrielle Verarbeitung von Naturfasern stellt aber
auch die Verfahrens- und Anlagentechnik vor neue He
rausforderungen. Die üblicherweise aus der Kunststoff
verarbeitung bekannten Standardprozesse arbeiten
kontinuierlich und verlangen daher nach kontinuierlich
dosierbaren Rohstoffen. Naturfasern sind aber aufgrund
ihrer niedrigen Dichte und ihrer Oberflächenstruktur übli
cherweise kaum mit gravimetrischen Systemen dosier
bar. Auch Maira Magnani von Ford betont: „Langfristig
haben naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biomateri
alien das Potenzial, an Bedeutung für den Einsatz in der
Fahrzeugherstellung zuzunehmen. Dies hängt jedoch stark
von der Weiterentwicklung bei den Verfahrenstechniken für
die Großserienanwendung ab.“
Um die Problematik zu lösen, wurde in den vergangenen
Jahren viel Forschungsaufwand in entsprechende Vor
behandlungsschritte investiert. Bekannte Verfahren sind
vor allem das Kurzschneiden, Mahlen oder Pelletieren
von Fasern zur Erhöhung von Schüttdichte und Rieselfä
higkeit. Technisch und wirtschaftlich gesehen, ist das
jedoch kontraproduktiv, da damit nicht nur Verarbei
tungsaufwand und Herstellungskosten des Compounds
steigen, sondern insbesondere beim Kurzschneiden und
Mahlen der Naturfasern deren Verstärkungspotenzial
stark reduziert wird. Weitere Herausforderungen bei der
Aufbereitung von Naturfasern sind deren Temperatur
sensitivität und ihr hoher Feuchtigkeitsgehalt. „Eine große
Herausforderung bei Fasercompounds besteht darin, die
Naturfasern für die weitere Verarbeitung aufzubereiten
und genau zu dosieren“, bestätigt Magnani.
Innenmischertechnologie flexibilisiert
die Prozessführung
Diese Herausforderungen rufen nach einer neuartigen
Compoundiertechnologie für die wirtschaftliche Herstel
lung dieser Art von Leichtbauwerkstoffen im industriellen
Maßstab. Die auf der Innenmischertechnologie basie
renden Mischsaalsysteme erfüllen dieses Anforderungs
profil vollständig, da insbesondere keine Vorbehand
lungsschritte notwendig sind. Die Zugabeform von
Materialien in den Innenmischer ist nahezu beliebig.
Der Innenmischer wird über eine vorgeschaltete Verwie
ge- und Dosiereinrichtung mit den zu verarbeitenden
Rohstoffen versorgt und entleert nach Abschluss des
Mischzyklus die fertige Mischung in einen Austragsex
truder. Der Austragsextruder überführt den diskontinu
ierlichen Mischprozess in einen kontinuierlichen Prozess
und baut den notwendigen Druck auf, um die Mischung
durch die Lochplatte einer Unterwassergranulierung zu
fördern. Nach der Unterwassergranulierung wird das
Granulat getrocknet und gekühlt, anschließend in Lager
silos gefördert und letztlich an Absack-, Big-Bag- oder
Octabinabfüllstationen für den Versand an den Endver
arbeiter abgepackt.
Ein weiterer entscheidender Vorteil der Innenmischer
technologie ist die diskontinuierliche Arbeitsweise des
Innenmischers und die damit verbundene hohe Prozess
flexibilität. Diese zeigt sich in den unabhängig voneinan
der variierbaren Prozessparametern wie Mischzeit, Ro
tordrehzahl, Zugabezeitpunkte und Zugabereihenfolge
der zu mischenden Rohstoffe, Füllgrad und Anlagentem
perierung. Auch die Rohstoffdosierung und -zuführung
ist diskontinuierlich, d. h., alle eingesetzten Komponen
ten werden automatisch portionsweise vorverwogen
und ebenfalls vollautomatisch zum richtigen Zeitpunkt
über eine große Beschickungsklappe oder weitere Öff
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