08 Apr. Laser macht Papier selbstklebend
Ein bislang ungelöstes Problem bei Papierverpackungen ist der notwendige Einsatz von Klebstoffen oder Kunststoffschichten für das Verschließen. Diese Fremdstoffe erschweren das Recycling und mindern die Qualität des zurückgewonnenen Materials. Im Verbundprojekt ‚Papure‘ entwickeln vier Fraunhofer-Institute nach eigenen Angaben ein Verfahren, mit dem sich Papierverpackungen vollständig ohne zusätzliche Bindemittel verschließen lassen. Ziel ist ein industrietauglicher Fügeprozess, der auf einer laserinduzierten Oberflächenmodifikation von Papier basiert und anschließend ein stoffschlüssiges Verbinden der Materiallagen mittels Heißsiegelverfahren ermöglicht.
Gesiegelte Beutelverpackung aus Papier. Bild: Fraunhofer IVV
Im ersten Projektschritt untersuchten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP verschiedene Papiere. Die Forschenden konnten bereits zeigen, dass für den Fügeprozess am Markt verfügbare Standardpapiere verwendet werden können, die verhältnismäßig dick sind und beispielsweise für die Produktion von Einwegpappbechern und anderen Lebensmittelverpackungen genutzt werden.
Laserfunktionalisierung erzeugt Klebstoff
Papierhaspel nach dem Siegelmodul. Zu sehen sind die Ausschnitte der Vierrandbeutel. Bild: Fraunhofer IVV
Der zentrale Prozessschritt erfolgt am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS: Hier wird die Papieroberfläche mit einem Kohlenstoffmonoxidlaser (CO-Laser) bestrahlt. Die kurzzeitige, lokale Erwärmung führt dazu, dass Lignin, Hemicellulose und Cellulose kontrolliert in kurzkettige, aufschmelzbare Verbindungen zerlegt werden. Diese Reaktionsprodukte verbleiben auf der Papieroberfläche und dienen im anschließenden Heißsiegelprozess als Bindemittel.
Das erforderliche Fügesystem entwickeln Forschende am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV. Dabei untersuchen sie unter anderem den Einfluss von Laserparametern, Materialeigenschaften sowie Siegelparametern auf die Qualität der Verbindung.
Die Qualität der Fügestellen wird anhand mechanischer Tests bewertet, etwa mittels Scher- und T-Peel-Tests. Ziel ist eine Nahtfestigkeit, die über der Spaltfestigkeit des Papiers liegt. Erste Versuche zeigen bereits hohe mechanische Stabilität: Eine Verbindung von lediglich 2 cm Länge und 3 mm Breite kann nach Angaben der Forschenden Lasten von rund 20 kg tragen.
Demonstrator im Rolle-zu-Rolle-Prozess
Am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU entsteht derzeit ein industrienaher Demonstrator im Labormaßstab, der das Verfahren in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess abbildet. Die rund sechs Meter lange Anlage kombiniert ein Lasermodul zur Oberflächenfunktionalisierung mit einem Siegel- und Stanzmodul zur Herstellung eines Vierrandbeutels als typischem Verpackungsformat.
Fügen einer Papierbahn mittels Wärmekontaktsiegelverfahren. Bild: Fraunhofer IVV
Integrierte Sensorik – etwa Bild- und Feuchtesensoren – sowie ein digitaler Zwilling ermöglichen die Überwachung und Anpassung des Prozesses. Eine Inline-Nahtmessung soll künftig Veränderungen der Siegelnahtqualität in Echtzeit erfassen, sodass Laser- und Fügeparameter automatisch nachgeregelt werden können. Ziel ist eine Produktionsleistung von bis zu zehn Verpackungen pro Minute auf der Laboranlage.
Perspektive für industrielle Verpackungsprozesse
Der modulare Aufbau des Demonstrators zeigt, dass sich das Verfahren grundsätzlich in bestehende Verpackungslinien integrieren lässt. Laser- und Siegelmodule könnten sowohl gemeinsam als auch separat in industrielle Prozesse eingebunden werden – ein Ansatz, der insbesondere für Maschinenbauer, Packmittelhersteller und Abpacker interessant sein dürfte.
Demonstratoranlage mit integriertem Lasermodul. Fraunhofer IVV
Die Fraunhofer-Forscher wollen die Technologie gemeinsam mit Industriepartnern weiterentwickeln und perspektivisch in Richtung Großserienproduktion überführen. Ein erster Einblick in das Verfahren wird auf der Interpack 2026 in Düsseldorf gegeben, wo der Demonstrator im Rahmen der Technologie-Lounge des VDMA präsentiert werden soll.
Quelle: www.iws.fraunhofer.de
Bild: www.ivv.fraunhofer.de