Papierfügen ohne Fremdstoffe

Das Projekt verfolgt das Ziel, die Herstellung von Papierverpackungen ohne den Einsatz von Klebstoffen oder Kunststoffschichten zu ermöglichen. Dies geschieht durch ein innovatives Verfahren, bei dem Papier mittels CO-Laser so modifiziert wird, dass es sich durch Wärmekontaktverfahren stoffrein verbinden lässt

Papure bietet der Industrie einen bedeutenden Innovationsschub im Bereich nachhaltiger Verpackungstechnologien. Der zentrale Nutzen liegt in der Entwicklung eines laserbasierten Verfahrens, das es ermöglicht, Papierverpackungen ohne den Einsatz von Klebstoffen oder Kunststoffschichten stoffrein zu fügen. Für die Industrie ergeben sich daraus folgende Vorteile:

Verbesserte Recyclingfähigkeit:
Durch den Verzicht auf Fremdstoffe wird die sortenreine Wiederverwertung von Papierverpackungen erleichtert. Das reduziert Entsorgungskosten, Abgaben und erhöht die Effizienz im Recyclingprozess.

Nachhaltige und gesetzeskonforme Verpackungslösungen:
Papure unterstützt Unternehmen dabei, gesetzliche Anforderungen wie das Verpackungsgesetz zu erfüllen und ihre Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Die Technologie ermöglicht vollständig papierbasierte, biologisch abbaubare Verpackungen.

Wettbewerbsvorteil durch Innovation:
Die Integration der Papure-Technologie erlaubt es Unternehmen, sich als Vorreiter im Bereich „Green Packaging“ zu positionieren. Das stärkt das Markenimage und eröffnet neue Marktchancen, insbesondere bei umweltbewussten Konsumenten.

Hohe industrielle Anwendbarkeit:
Ein praxisnaher Demonstrator zeigt, dass das Verfahren in bestehende Produktionsprozesse integrierbar ist. Das macht es besonders attraktiv für Verpackungsmaschinenhersteller, Packmittelproduzenten und Abpacker.

Die Verarbeitung von Cellulose und die Analyse von Fasermaterialien gehören zu den Schwerpunkten der Forschung und Entwicklung am Fraunhofer IAP. Im Projekt »Papure« charakterisieren wir beschichtete und unbeschichtete Papiere für Verpackungsanwendungen, um festzustellen, ob sie für das Fügen ohne weiteren Fremdstoffauftrag geeignet sind. Ein besonderes Augenmerk liegt darauf, die Hemicellulose-, Stärke- und Ligninanteile der Papiere zu identifizieren – denn sie beeinflussen die Klebeeigenschaften der Materialien maßgeblich.

Zu diesem Zweck untersuchen wir die chemische Zusammensetzung und die Morphologie der unterschiedlichen Papiere vor der Laserbehandlung sowie die Reaktionsprodukte danach. Dafür nutzen wir ein breites Spektrum analytischer Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie (REM), High Performance Anionen Exchange Chromatographie HPAE oder Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS).

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Im Rahmen des Projekts bringt das Fraunhofer IWS sowohl seine umfassende Expertise in der Lasersystemtechnik und Lasermaterialbearbeitung als auch seine langjährige Erfahrung in der Modifizierung von Naturwerkstoffen ein. Bereits in den Jahren 2019 bis 2021 entwickelten die Wissenschaftler einen bindemittelfreien Fügeprozess für Papier.

Durch die Bestrahlung von Papier mit einem Kohlenstoffmonoxid-Laser (CO-Laser) konnten schmelzfähige Reaktionsprodukte erzeugt werden. In einem anschließenden Heißsiegelverfahren gelang es dem Forschungsteam, zwei Papierlagen stoffschlüssig miteinander zu verbinden.

Die Hochgeschwindigkeitsaufnahme der CO-Laserbestrahlung eines Papiersubstrats zeigt das Entstehen eines flüssigen Zwischenzustands im Material.

Im Projekt Papure liegen unsere Schwerpunkte auf der weiteren Optimierung des Laserprozesses sowie der technischen Umsetzung unter realen Fertigungsbedingungen in der Demonstratoranlage.

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Das Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung entwickelt neuartige Verpackungsvorgänge und -technologien. Wir besitzen in Deutschland das umfangreichste Portfolio unterschiedlicher etablierter und neuartiger Fügetechnologien. Diese Technologien und Prozesse entwickeln wir stetig weiter und optimieren diese für den Anwendungsfall. Dabei berücksichtigen wir stets die Wechselwirkung zwischen Packstoff, Packgut und Maschine.

Für das Projekt »Papure« entwickeln wir ein Fügesystem zur Verarbeitung des laserbehandeltere Papiere mit schmelzbaren Reaktionsprodukten. Dafür prüfen wir den Einfluss der Materialeigenschaften, Laserparameter sowie der Eigenschaften der schmelzbaren Reaktionsprodukte auf die Haftfestigkeit. Wir entwickeln ein Fügesystem und Testen, inwieweit durch geeignete Fügeparameter und Werkzeuggeometrien die Nahtfestigkeit und Dichtigkeit verbessert werden kann.  Darüber hinaus übertragen wir die Ergebnisse auf eine Verpackungslösung mit dem Ziel marktgerechte Fügenahteigenschaften zu erzielen.

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Am Fraunhofer IWU wird ein Demonstrator entwickelt, der die Forschungsergebnisse in einen industrienahen Prozess überführt und die Praxistauglichkeit für die Verpackungsindustrie verdeutlicht.

Der Demonstrator bildet einen spezifischen Prozess für die Herstellung eines typischen Verpackungsprodukts ab. Im Mittelpunkt steht die Integration des klebstofffreien Fügens von Papier, das ohne zusätzliche Chemikalien auskommt.

Kern des Demonstrators sind ein integrierter Laser und die maschinenbauliche Gestaltung einer papierverarbeitenden Anlage. Zu den Herausforderungen zählen der optische Strahlenschutz sowie die gestalterische Einfachheit und Verzahnung mit dem klassischen Papiermaschinenbau.

Durch gezielten Einsatz industriell erprobter Sensoren, Erfassung und Auswertung relevanter Prozessgrößen sowie der Anwendung trainierter Datenmodelle soll der Fügeprozess geregelt und stabilisiert werden. Daraus resultierende höhere Taktraten sind entscheidend für eine erfolgreiche industrielle Umsetzung.

Um möglichen Vorbehalten gegenüber dieser neuen Technologie in der Verpackungsindustrie zu begegnen, wird exemplarisch ein Vierrandbeutel gefertigt. Dieses Demonstrationsprodukt dient als konkreter Nachweis für die Machbarkeit und den Nutzen der neuen Technologie.

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