GeHaBast - Entwicklung des industriellen Gewinnungsprozesses von Hochleistungs-Hanfbaststreifen für nachhaltige Leichtbauprodukte

Wichtige Daten im Überblick

© Hanffaser Uckermark eG

Zielstellung

Motivation

Faserverbundwerkstoffe zählen heute zu den wichtigsten Konstruktionswerkstoffen im Leichtbau. Unter anderem, um die Emission von Treibhausgasen zu reduzieren, wird bei deren Herstellung zunehmend versucht, fossile und andere endliche Rohstoffe durch bio-basierte Materialien zu ersetzen. Während für die Erzeugung von Biopolymeren als Matrixwerkstoff schon industrietaugliche Verfahren existieren, besteht bei der Herstellung von Naturfasern noch erheblicher Forschungsbedarf. Traditionelle Verfahren zur Gewinnung solcher Rohstoffe aus Bastfaserpflanzen führen in der Regel zu Beschädigungen der Faserstruktur. Die Nutzung dieser Verfahren zur Herstellung der Halbzeuge von Hochleistungs-Verbundwerkstoffen ist dadurch bisher nicht möglich.

© Sächsisches Textilforschungsinstitut

Lösungsansatz

Für den Faserrohstoff Hanfbaststreifen (HBS) ergeben sich auf Grund sehr guter mechanischer Eigenschaften aussichtsreiche Nutzungsoptionen. Für die Gewinnung von HBS ist deren Trennung vom Holzkörper des Hanfstängels (Xylem) notwendig. Basierend auf einem Patent der Bast & Faser GmbH ist unter Beteiligung der Hanffaser Uckermark eG ein Funktionsmuster einer Maschine entwickelt worden, mit dem Hanfbastrinde schädigungsarm vom Hanfholzkörper isoliert werden kann [1]. Der aktuelle Entwicklungsstand ist jedoch noch nicht ausreichend prozessstabil und berücksichtigt wesentliche vor- und nachgelagerte Teilschritte der Prozesskette zur Verarbeitung der Hanfstängel zum Naturfaserprodukt noch nicht.
Das Vorhaben hat daher zum Ziel, alle relevanten Teilschritte der Prozesskette der Verarbeitung von Hanfstängeln zu hochwertigen HBS-Rohstoffen zu automatisieren. Hierfür soll eine Anlage realisiert werden, mit welcher die Automatisierbarkeit des Gewinnungsprozesses in Einsatzumgebung erprobt und nachgewiesen werden kann. Parallel dazu sollen die landwirtschaftlichen Anbau- und Erntetechniken sowie die Logistik und Aufbereitung der Hanfpflanzen zur Optimierung der Rohstoffverarbeitungseigenschaften und der Erzeugnisqualitäten weiterentwickelt werden.

Herausforderungen

Der Rohstoff Hanf weist natürlicherweise eine hohe Streuung seiner Eigenschaften auf. Das daraus gewonnene Zwischenprodukt Hanfbaststreifen soll für eine gute Weiterverarbeitbarkeit eine geringere Schwankungsbreite seiner Eigenschaften aufweisen. Die hierfür zu entwickelnde Maschinentechnik soll dies mit einem möglichst geringen technischen Aufwand beherrschen.

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Lösungsweg

Zunächst soll die Schälmechanik des vorhandenen Labormusters zur Erhöhung der Ausbeute an gewonnenen Hanfbaststreifen sowie zur Reduzierung der Fehlerrate überarbeitet werden. Hierfür ist zunächst eine umfangreiche Untersuchung vorgesehen. Im Zuge dessen ist die Installation und Verwendung mehrerer Sensoren zur Untersuchung der Einflüsse verschiedener Rohstoffeigenschaften und Prozessparameter auf den Schälprozess vorgesehen. Mittels Datenanalyse werden die prozessrelevanten Größen identifiziert. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird eine neue Schälkinematik
konzipiert, konstruiert und aufgebaut sowie mit der technischen Ausrüstung zur Einstellung der relevanten Größen ausgestattet. Die Schälkinematik wird anschließend um eine automatisierte Hanfstängelzuführung erweitert. Die entwickelten Stationen sind in ein Gesamtsystem zu integrieren. Weitere Anforderungen an das Gesamtsystem ist ein platzsparender Aufbau sowie eine Resistenz gegenüber der beim Schälprozess auftretenden starken Staubentwicklung in Folge sich lösender Harzpartikel. Anschließend ist die Steuerung zu erstellen. Dabei werden adaptive Regler eingesetzt, um den Einfluss schwankender Hanfstängeleigenschaften auf die Prozessstabilität und die Erzeugnisqualität zu begrenzen. Der aufgebaute Anlagenprototyp ist abschließend zu erproben. Parallel zur Anlagenentwicklung werden mögliche Ansätze aus den Bereichen der Sortenwahl, der Anbau- und Erntemethoden ausgewählt und ausgeführt. Mittels Datenanalyse werden ihre Einflüsse auf die Eigenschaften der Hanfstängel, der daraus gewonnenen Hanfbaststreifen sowie des Schälprozesses untersucht. Ziel ist die Identifizierung optimaler landwirtschaftlicher Methoden, die eine günstige Kombination aus hoher Erntemenge guter Schälbarkeit der Hanfstängel und guten Eigenschaften der daraus gewonnenen Hanfbaststreifen ergibt.

Ergebnisse

Die erzielten Projektergebnisse sowie die während der Durchführung gesammelten Erfahrungen sollen auf vielfältige Weise genutzt und verwertet werden. Für die wirtschaftliche Verwertung soll der im Zuge des Projektes aufgebaute Prototyp im Anschluss durch den Projektpartner Hanffaser Uckermark eG bis zur industriellen Reife weiterentwickelt und in die Produktionsanlage integriert werden, um die vorhandene und weiter steigende Nachfrage nach hochwertigen biobasierten Ausgangsrohstoffen zur Herstellung von naturfaserbasierten, hoch belastbaren Leichtbauprodukten bedienen zu können.

Für das LWM kommt es durch das Vorhaben zu einer Steigerung der Kompetenzen im Bereich der Verarbeitung von Naturstoffen. Außerdem werden die Stärken im Bereich der Prozessanalyse und der darauf aufbauenden datengetriebenen Optimierung von Prozesssteuerungen ausgebaut.

Kontakt

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Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Name

Herr Dipl.-Ing. Ludwig Rogall

Antriebs- und Steuerungstechnik

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Kontaktinformationen

Organisationsname

Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen

Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen

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Quellen

[1] M. Wonneberger, „Abschlussdokumentation Umsetzungsvorhaben biogene Heavy Tows,“ INVENT Innovative Verbundwerkstoffe Realisation und Vermarktung neuer Technologien GmbH, Braunschweig, 2018.