Papier mit CO-Laser funktionalisieren
Im nächsten Schritt bestrahlen Forschende des Fraunhofer IWS die Oberfläche des Papiers mit einem Kohlenstoffmonoxid-Laser (CO-Laser), wobei das Papier schlagartig erwärmt und die Papierhauptbestandteile Lignin, Hemicellulose und Cellulose kontrolliert in kurzkettige Verbindungen umgewandelt werden. Erst dieser neuartige Prozessschritt ermöglicht das klebstofffreie Fügen des Papiers. Nach der Bestrahlung verbleiben aufschmelzbare Spaltprodukte auf der Papieroberfläche, die sich anschließend mittels Druck und Wärme im Heißsiegelverfahren stoffrein fügen lassen. »Durch die Bestrahlung des Papiers mit einem CO-Laser erzeugen wir wieder aufschmelzbare, zuckerartige Reaktionsprodukte, die wir anstelle der sonst benötigten Kunst- oder Klebstoffe zum Fügen des Papiers mit dem Heißsiegelverfahren nutzen. Wir erzeugen also quasi unseren eigenen Klebstoff in Form der Spaltprodukte«, sagt Volker Franke, Gruppenleiter Laser-Mikrobearbeitung am Fraunhofer IWS in Dresden. »Mit dem Heißsiegelverfahren, einem etablierten Wärmekontaktverfahren, ist es nach der Laservorbehandlung gelungen, zwei Papierlagen durch Hitze und Druck zu verpressen und stoffschlüssig miteinander zu verbinden.«
Qualität der Fügestelle wird durch die Nahtfestigkeit definiert
Das erforderliche Fügesystem zur Verarbeitung der laserbehandelten Papiere mit auf-schmelzbaren Spaltprodukten entwickeln die Projektpartner am Fraunhofer IVV. Dafür beziehen die Forschenden den Einfluss der Materialeigenschaften, Laserparameter sowie der Eigenschaften der aufschmelzbaren Reaktionsprodukte auf die Haftfestigkeit ein, die bereits von den Teams am Fraunhofer IAP und am Fraunhofer IWS erhoben wurden. Sie testen darüber hinaus, inwieweit sich die Nahtfestigkeit und Dichtigkeit durch geeignete Fügeparameter und Werkzeuggeometrien verbessern lässt und über-tragen die Ergebnisse auf eine Verpackungslösung mit dem Ziel, marktgerechte Fügenahteigenschaften zu erzielen. »Die Nahtfestigkeit bestimmt, wie schwierig es ist, eine Verpackung aufzureißen bzw. zu öffnen«, erläutert Fabian Kayatz, Wissenschaftler und Projektkoordinator am Fraunhofer IVV in Dresden. »Durch Messungen der mechanischen Festigkeit in unterschiedlichen Belastungsarten (Schertest, T-Peel-Test) können wir den Einfluss von Laser- und Fügeparametern auf die Haftfestigkeit der Nähte zeigen. Entscheidende Fügeparameter sind die Siegeldauer, die Siegeltemperatur, der Siegeldruck und die Werkzeuggeometrie. Auch die Faserrichtung spielt eine Rolle, also die Position des Materials zum Siegelwerkzeug.« »Grundsätzlich streben wir eine Nahtfestigkeit an, die höher ist als die Spaltfestigkeit der Papierlagen. Bei den Schertests erzielen wir bereits gute Fügeverbindungen«, ergänzt Prof. Marek Hauptmann, Leiter des Verbundprojekts. »Mit einer nur zwei Zentimeter langen und drei Zentimeter breiten Verbindung kann man problemlos 20 Kilogramm anheben.«
Klebstofffreies Fügeverfahren in bestehende Produktionsprozesse integrierbar
Am Fraunhofer IWU in Dresden entsteht derzeit eine modulare papierverarbeitende Fertigungsanlage im Labormaßstab, die den Prozess für die Herstellung eines flachen Vierrandbeutels – als typisches Verpackungsmittel – in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren abbildet. Kern der Arbeiten ist die Entwicklung und Integration eines Laser- und eines Siegelmoduls in den etwa sechs Meter langen, ein Meter tiefen und zwei Meter hohen industrienahen Demonstrator. Auf der Grundlage industriell erprobter Sensoren (u.a. Bild- und Feuchtesensoren) und eines digitalen Zwillings mit trainiertem Datenmodell wird der klebstofffreie Fügeprozess angepasst. Die Oberfläche der kontinuierlich durch die Anlage laufenden Papierbahn wird zunächst mit dem CO-Laser bestrahlt, wobei die bereits erwähnten Spaltprodukte entstehen. Im Anschluss wird eine zweite Papierbahn zugeführt, mit einem kombinierten Siegel- und Stanzwerkzeug im Heißsiegelverfahren mit vier Nähten gefügt und zu einer Beutelgeometrie ausgestanzt. Durch die Erwärmung im Fügeprozess werden die erzeugten Spaltprodukte wirksam und führen zu einer Verbindung der beiden Papierbahnen. Eine in der Anlage als Qualitätskontrolle verbaute Siegelnahtmessung soll künftig in Echtzeit Änderungen der Siegelnahtqualität erfassen, um so Laser- und Fügeparameter schnell nachjustieren zu können. Dr. Christer-Clifford Schenke, Wissenschaftler am Fraunhofer IWU: »Unser Ziel ist es, zum Projektende im September 2026 auf der Laboranlage zehn Verpackungen pro Minute zu produzieren.«
Präsentation auf der Interpack 2026
Der praxisnahe, modulare Demonstrator zeigt, dass sich das Verfahren künftig in bestehende Produktionsprozesse integrieren lässt. Sowohl das Lasermodul als auch das Fügewerkzeug lassen sich separat in der Fertigung nutzen. Das macht das Verfahren besonders attraktiv für Verpackungsmaschinenhersteller, Packmittelproduzenten und Abpacker. Die Integration der PAPURE-Technologie erlaubt es Unternehmen dieser Branche, sich als Vorreiter im Bereich »Green Packaging« zu positionieren. Gemeinsam mit interessierten Unternehmen aus der Verpackungs- und Lebensmittelindustrie sowie mit Papierherstellern und Maschinenbauern streben die Projektpartner an, die Anlage für die Großserienproduktion weiterzuentwickeln. Das Anwendungspotenzial der Technologie und die Funktionsweise der Anlage werden die Fraunhofer-Forschenden vom 7. bis 13. Mai auf der Messe Interpack 2026 im Rahmen der Technologie-Lounge des Verbandes Deutscher Maschinen und Anlagenbauer (VDMA) in Düsseldorf (Halle 4, Stand C54) präsentieren.
Fraunhofer-Gesellschaft
