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Von den ersten Forschungsprojekten Anfang der 1980er Jahre zu neuen Anwendungen für Naturfasern und neuen Werkstoffen auf natürlicher Basis war es ein langer Weg bis zu den ersten Erfolgen: Erst seit 1995 etablierte sich mit dem Formpressen von Naturfaservliesen und -filzen ein Verfahren mit hohen Zuwachs-raten in der automobilen Mittel- und Oberklasse der deutschen PKW-Industrie.

Von der Vielzahl spezieller Verfahren des Formpressens sollen hier beispielhaft einige typische Prozessketten aufgezeigt werden. Vorprodukt, in der Fachsprache auch Halbzeug genannt, ist ein Naturfaservlies oder -filz. Zusammen mit dem gewünschten Kunststoff wird das textile Halbzeug in eine offene Form geführt, erhitzt und unter Druck gepresst. Das so entstandene "Formpressteil" wird aus der Form gelöst und die Ränder beschnitten. Man spricht von Formpressen im Gegensatz zum Fließpressen (s.u.), wenn es zu keinem Fließen von Fasern und Kunststoff im Werkzeug kommt. Prozessbedingt können durch Pressvorgänge nur "einfache" dreidimensionale Teile gefertigt werden. Komplexe, nahezu beliebige dreidimensionale Teile, wie beim Spritzgießen, sind beim Form- und auch beim Fließpressen nicht herstellbar.

Etwa 35 Prozent der für die deutsche Automobilindustrie produzierten Naturfaserformpressteile besitzen eine duroplastische Matrix. Thermoplastische Kunststoffe verleihen 65 Prozent dieser Bauteile ihre Stabilität.

Grafik: Fertigungsprinzip Nafpur-Tec-Verfahren

Bei einem exemplarischen Formpressverfahren mit duroplastischer Matrix werden die zugeschnittenen Naturfaserhalbzeuge in der Beschichtungskabine von zwei Hochdruckmischköpfen innerhalb von 10 bis 25 Sekunden auf Vorder- und Rückseite mit Polyurethan beschichtet und anschließend in einer Metallform aus Aluminium oder Stahl bei einem Schließdruck von 20 bar und einer Werkzeugtemperatur von über 120 °C verpresst. Die Wanddicken liegen zwischen 1,5 und 2,0 mm, der Naturfaseranteil kann zwischen 45 und 65 Prozent gewählt werden.

Auch für das Formpressen mit thermoplastischer Matrix stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Im One-step-Verfahren werden so genannte Sandwichvliese, hochwertige Nadelfilze aus Natur- und PP-Fasern, auf 170 bis 180 °C erhitzt und kommen in die Formpresse. Die schmelzende Polypropylenkomponente formt die gewünschte Struktur und verklebt das Werkstück mit dem Dekorteil. Das Fertigteil muss nun nur noch beschnitten werden. Der große Vorteil diese Verfahrens: In einem Pressvorgang können komplette Innenverkleidungsteile inklusive Dekor und Schaumstoff sowie Soft-Touch-Oberfläche ohne Einsatz von Klebstoffen hergestellt und sogar mit Halterungs- und Befestigungselementen versehen werden. Die Kaschierung gelingt besonders leicht, da die Naturfaserteile luftdurchlässig sind.

Bild: Thermoplastisches Formpressen: Sandwichvliese (braun) werden auf einer Palette angeliefert, zur rot gekennzeichneten Kontaktheizung transportiert und erwärmt. Zusammen mit dem von der Rolle rechts zugeführten Dekor wird das Vlies dann in der Formpresse auf das grün gekennzeichnete Werkzeug aufgebracht, geformt, gepresst und mit dem Dekor verklebt. Das Endprodukt ist grau dargestellt. (Quelle: R+S Technik GmbH)

Beim Formpressverfahren werden Natur- und Polypropylenfasern zunächst zu einem Nadelfilz verarbeitet, der dann erhitzt und in eine Form gepresst wird. Während die Fasern bei Filzen ineinander verschlungen sind, werden sie für Vliese nur geschichtet und durch ein Bindemittel, insbesondere duroplastische Harze oder Thermoplaste, verfestigt. Vorprodukte für Formpressteile sind sowohl reine Naturfaservliesstoffe als auch Mischfilze aus Natur- und z. B. Polypropylenfasern. In der Praxis haben sich besonders Mischungen von Naturfasern bewährt. Werden eher feine Fasern wie Flachs oder Jute mit gröberen Fasern wie Hanf oder Sisal gemischt, so ergeben sich die besten mechanischen Werte für die Verbundwerkstoffe. Die feinen Fasern schaffen mehr Bindung zwischen Faser und Kunststoff, die gröberen gewährleisten das Eindringen des Binders in das textile Produkt. Wenngleich Naturfaserformpressteile bislang fast ausschließlich im Automobilbau zum Einsatz kommen, interessieren sich mittlerweile auch andere Branchen dafür. So lassen sich inzwischen auch Bürostühle, Aktenkoffer und Brillenetuis aus Naturfaserformpressteilen herstellen.

Bild (v.l.n.r.): Produktbeispiele für NFK-Produkte: Koffer, Tabletts und Geigenkoffer aus Naturfasern

Dichte und damit das Gewicht von Naturfaserformpressteilen sind niedrig. Biege- und Zugfestigkeiten liegen im Bereich der Werte vieler Konkurrenzmaterialien, die Schlagzähigkeit ebenso. Allerdings nicht im Vergleich zu glasfaserverstärkten Kunststoffen: Werden höchste Schlagzähigkeiten von über 40 mJ/mm² benötigt, können Naturfaser- Formpressteile Glasfaserverstärke Kunststoffe (GFK) (noch) nicht ersetzen. 2003 wurden bereits 45.000 t Naturfaserformpressteile in der deutschen Automobilindustrie eingesetzt. Dies sind pro PKW durchschnittlich etwa 9 kg und entspricht ca. 3,5 kg Naturfasern. Die neuen Naturfaserwerkstoffe ersetzten dabei vor allem phenolharzgebundene Holz- und Baumwollfaserwerkstoffe (wegen besserer mechanischer und besserer Fogging-Werte) sowie Kunststoffbauteile aus ABS und PC/ABS. Glasfaserbauteile wurden hingegen bislang nur in unbedeutender Menge substituiert.

Grundsätzlich setzt die Automobilindustrie naturfaserverstärkte Kunststoffe nur dann ein, wenn Kosten und Funktion den jeweiligen Bauteilanforderungen entsprechen. Dies ist in vielen Fällen gegeben. Als spezifische Vorteile von Naturfaserverbundwerkstoffen gelten:

• Gewichtsreduktion bei Leichtbau
• Gutes Crashverhalten, gute Energieabsorption
• Einfache und kosteneffiziente Prozesse mit robusten Rezepturen
• Grüne Aspekte: Ressourcenschonung, CO₂-Speicher

Interessant ist die Kostenseite: Der Naturfaserwerkstoff ist für sich genommen teurer als andere Materialien. Da ausgereifte Verfahren jedoch mehrere Arbeitsschritte in einem vereinen, sind die Systemkosten für das gesamte Bauteil konkurrenzfähig.