Papierverpackungen sollen im Rahmen des Fraunhofer-Projekts PAPURE künftig ohne zusätzliche Klebstoffe oder Kunststoffschichten verschlossen werden können. Vier Fraunhofer-Institute entwickeln dafür ein laserbasiertes Verfahren, bei dem ein CO-Laser die Papieroberfläche so modifiziert, dass ein stoffschlüssiges Fügen im Heißsiegelprozess möglich wird. Ziel ist es, die Recyclingfähigkeit von Papierverpackungen zu verbessern und den Einsatz von Fremdstoffen konsequent zu vermeiden.
Angesichts des hohen Anteils von Kunststoffverpackungen am Plastikmüllaufkommen wächst der Bedarf an nachhaltigen Alternativen. Papierverpackungen bieten bereits Vorteile wie hohe Recyclingquoten, geringere CO₂-Emissionen und niedrigere Entsorgungskosten. Ihr bislang erforderlicher Verschluss mit Klebstoffen oder Kunststoffschichten beeinträchtigt jedoch etablierte Recyclingprozesse und mindert die Qualität des Recyclingmaterials. Das Projekt PAPURE setzt hier mit einer Kombination aus Materialanalyse, CO-Laserbehandlung und angepasstem Fügesystem an.
Projekt PAPURE bündelt Fraunhofer-Expertise für Papierverpackungen
Am Projekt PAPURE sind das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV sowie das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU beteiligt. Gemeinsam verfolgen sie das Ziel, Papierverpackungen ohne jegliche Fremdstoffe zu fügen und damit bestehende Recyclingkreisläufe zu entlasten.
Die Institute übernehmen dabei klar definierte Aufgaben entlang der Prozesskette. Das Fraunhofer IAP analysiert und charakterisiert unterschiedliche Papiersorten, das Fraunhofer IWS entwickelt die laserbasierte Oberflächenmodifikation mittels CO-Laser, das Fraunhofer IVV konzipiert ein innovatives Fügesystem, und am Fraunhofer IWU entsteht eine industrienahe Demonstrationsanlage im Labormaßstab. Dort wird der Herstellungsprozess eines typischen Verpackungsmittels vollständig abgebildet.
Materialcharakterisierung als Basis für stabile Fügenähte
Zu Beginn untersuchten Forschende des Fraunhofer IAP rund drei Dutzend beschichtete und unbeschichtete Papiere für Verpackungsanwendungen sowie Druckerpapiere und Pappe. Im Fokus standen die Anteile von Hemicellulose, Cellulose und Lignin, da diese die Klebeeigenschaften und die Bildung der bei der Laservorbehandlung entstehenden Spaltprodukte maßgeblich beeinflussen.
Mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie, High Performance Anionen Exchange Chromatographie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie analysierten die Forschenden die chemische Zusammensetzung und Morphologie der Papiere vor und nach der Laserbehandlung. Dr. Robert Protz vom Fraunhofer IAP erklärt, dass ein hoher Anteil an anorganischen Verbindungen wie Talkum oder Calciumcarbonat die Haftfestigkeit der Fügenähte negativ beeinflusst. Zudem zeigte sich, dass sich dickere, marktverfügbare Standardpapiere – etwa für Einweg-Pappbecher oder Lebensmittelverpackungen – besonders für das bindemittelfreie Fügeverfahren eignen.
CO-Laser erzeugt aufschmelzbare Reaktionsprodukte
Im nächsten Schritt erfolgt die Funktionalisierung der Papieroberfläche am Fraunhofer IWS mithilfe eines Kohlenstoffmonoxid-Lasers (CO-Lasers). Durch die Bestrahlung wird das Papier schlagartig erwärmt, wodurch Lignin, Hemicellulose und Cellulose kontrolliert in kurzkettige Verbindungen umgewandelt werden. Diese aufschmelzbaren Spaltprodukte verbleiben auf der Oberfläche und ermöglichen erst das klebstofffreie Fügen der Papierverpackungen.
„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.“
Nahtfestigkeit definiert die Qualität der Papierverpackungen
Für die Verarbeitung der laserbehandelten Materialien entwickeln die Projektpartner am Fraunhofer IVV das erforderliche Fügesystem. Dabei berücksichtigen sie die zuvor ermittelten Materialeigenschaften, Laserparameter und Eigenschaften der Reaktionsprodukte, um die Haftfestigkeit gezielt zu optimieren.
„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.“
Prof. Marek Hauptmann ergänzt, dass eine Nahtfestigkeit angestrebt wird, die höher ist als die Spaltfestigkeit der Papierlagen. Bereits jetzt lassen sich mit einer zwei Zentimeter langen und drei Zentimeter breiten Verbindung Lasten von 20 Kilogramm anheben.
Demonstrator zeigt industrielle Integration der Papierverpackungen
Am Fraunhofer IWU entsteht eine modulare, papierverarbeitende Fertigungsanlage im Labormaßstab, die die Herstellung eines flachen Vierrandbeutels im Rolle-zu-Rolle-Verfahren abbildet. In die rund sechs Meter lange Anlage sind ein Lasermodul und ein kombiniertes Siegel- und Stanzwerkzeug integriert. Die kontinuierlich zugeführte Papierbahn wird zunächst mit dem CO-Laser behandelt, anschließend mit einer zweiten Bahn zusammengeführt, im Heißsiegelverfahren mit vier Nähten gefügt und zur Beutelgeometrie ausgestanzt.
Industriell erprobte Bild- und Feuchtesensoren sowie ein digitaler Zwilling mit trainiertem Datenmodell ermöglichen die Anpassung des Fügeprozesses. Eine integrierte Siegelnahtmessung soll künftig Qualitätsänderungen in Echtzeit erfassen, sodass Laser- und Fügeparameter schnell nachjustiert werden können. Ziel ist es, bis September 2026 auf der Laboranlage zehn Verpackungen pro Minute zu produzieren.
Die Projektpartner sehen in dem modularen Demonstrator den Nachweis, dass sich das Verfahren in bestehende Produktionsprozesse integrieren lässt. Sowohl das Lasermodul als auch das Fügewerkzeug können separat eingesetzt werden. Die Technologie richtet sich an Verpackungsmaschinenhersteller, Packmittelproduzenten und Abpacker, die sich im Bereich „Green Packaging“ positionieren möchten. Präsentiert wird das Verfahren vom 7. bis 13. Mai 2026 auf der Interpack in Düsseldorf in der Technologie-Lounge des VDMA in Halle 4, Stand C54.
