Gli imballaggi in carta offrono una serie di vantaggi rispetto a quelli in plastica: hanno un alto tasso di riciclaggio, emissioni di CO₂ inferiori e costi di smaltimento più bassi. Tuttavia, non possono ancora essere sigillati senza adesivi o strati di plastica, il che rappresenta un limite per i processi di produzione e riciclaggio.
Proprio questo limite è al centro del progetto Papure, che vede impegnati quattro istituti Fraunhofer nello sviluppo di un processo basato sul laser che consente di realizzare imballaggi in carta completamente privi di adesivi.
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Eliminare la plastica dagli imballaggi in carta grazie al laser: il progetto Papure
La mole di rifiuti prodotta dal packaging sta trainando la domanda di soluzioni ecocompatibili. Attualmente, la carta rappresenta l’alternativa alla plastica più popolare sul mercato.
Tuttavia, la necessità di utilizzare colle o strati plastici per sigillare le confezioni rappresenta un ostacolo tecnico significativo. Gli additivi, infatti, contaminano le fibre, rendendo il riciclo più complesso e compromettendo la qualità della materia prima recuperata.
L’iniziativa di ricerca Papure nasce per risolvere l’impasse tecnologica attraverso un sistema di sigillatura privo di sostanze esterne. Gli istituti Fraunhofer IAP, IWS, IVV e IWU hanno integrato le loro specializzazioni per modificare la superficie della carta tramite trattamenti laser. L’intervento agisce sulla struttura del materiale permettendo la chiusura dei pacchetti con la sola termosaldatura diretta.
La collaborazione scientifica si articola su diverse fasi operative. Il Fraunhofer IAP (che si occupa di ricerca applicata nel campo dei polimeri) si occupa della caratterizzazione dei vari tipi di carta, mentre il Fraunhofer IWS (Istituto per la tecnologia dei materiali e delle travi) gestisce la tecnologia laser per la modifica delle superfici.
Al Fraunhofer IVV (Istituto per l’ingegneria dei processi e il confezionamento) spetta la progettazione del sistema di sigillatura innovativo e all’Istituto per le macchine utensili e la tecnologia di formatura (Fraunhofer IWU) è affidato il coordinamento della realizzazione di un prototipo industriale.
Presso i laboratori di Dresda è già in costruzione un’unità produttiva sperimentale che riproduce fedelmente i processi di confezionamento su scala reale.
Il ruolo dei componenti chimici nella sigillatura laser
L’analisi dei materiali costituisce il punto di partenza del progetto Papure per individuare le tipologie di carta idonee alla sigillatura diretta. I ricercatori del Fraunhofer IAP stanno esaminando circa tre dozzine di varianti tra carte patinate, non patinate, supporti per stampa e cartone. L’obiettivo è verificare la capacità di questi materiali di aderire senza l’ausilio di additivi chimici.
Lo studio si focalizza sulla concentrazione di emicellulosa, cellulosa e lignina, componenti che influenzano le proprietà adesive e la formazione di sottoprodotti durante il trattamento laser.
Attraverso tecnologie avanzate come la microscopia elettronica a scansione, la cromatografia a scambio anionico e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X, il team monitora la composizione chimica e la morfologia delle fibre prima e dopo l’intervento termico.
“Una percentuale eccessiva di composti inorganici, come il talco e il carbonato di calcio, ha un effetto negativo sulle proprietà adesive e sulla forza di adesione delle giunture. Si può anche affermare che le carte più spesse sono più adatte alla sigillatura senza leganti”, spiega Robert Protz, ricercatore del Fraunhofer IAP.
Le prime evidenze sperimentali confermano che le carte standard ad alto spessore, abitualmente impiegate per la produzione di bicchieri monouso e packaging alimentare, risultano compatibili con questa innovativa tecnica di saldatura.
La prossima fase prevede l’irradiamento della superficie del materiale con un laser a monossido di carbonio (laser CO). Il calore generato dal raggio converte i componenti primari della carta, come lignina, emicellulosa e cellulosa, in composti a catena corta attraverso un processo controllato. È questa innovativa fase del processo che consente la sigillatura della carta senza adesivi.
I prodotti di scissione fusibili generati dall’irradiazione rimangono sulla superficie e garantiscono la tenuta della confezione sotto l’azione combinata di calore e pressione. Il sistema sfrutta le proprietà intrinseche della materia prima per creare un legame strutturale stabile e duraturo.
“Irradiando la carta con un laser CO, creiamo prodotti di reazione fusibili simili allo zucchero che utilizziamo al posto dei materiali sintetici o degli adesivi che altrimenti sarebbero necessari per sigillare la carta con il processo di termosaldatura. In questo modo, produciamo essenzialmente il nostro adesivo sotto forma di prodotti di scissione”, spiega Volker Franke, Group Manager Laser Micro Processing presso il Fraunhofer IWS di Dresda.
“Dopo il trattamento laser, siamo riusciti a utilizzare la termosaldatura, un processo di contatto termico consolidato, per unire due strati di carta con calore e pressione”, prosegue Franke.
Parametri di sigillatura e resistenza delle giunture
I partner del Fraunhofer IVV stanno mettendo a punto il sistema di sigillatura necessario per lavorare le carte trattate al laser. I ricercatori analizzano l’impatto delle proprietà dei materiali e dei parametri laser sulla tenuta dei giunti, incrociando i dati raccolti dai team del Fraunhofer IAP e del Fraunhofer IWS.
L’obiettivo è ottimizzare la resistenza e l’impermeabilità attraverso la scelta di geometrie degli utensili e parametri di saldatura che rendano il prodotto adatto agli standard di mercato.
“La forza di adesione determina la facilità con cui una confezione può essere aperta o strappata. Attraverso la misurazione della stabilità meccanica sotto diversi tipi di carico, come i test di taglio e di pelatura a T, dimostriamo gli effetti dei parametri laser e di sigillatura sulla tenuta delle giunture. I fattori cruciali sono il tempo, la temperatura e la pressione di saldatura, oltre alla geometria dell’utensile. Anche l’orientamento delle fibre rispetto allo strumento di sigillatura gioca un ruolo fondamentale”, spiega Fabian Kayatz, ricercatore e coordinatore del progetto presso il Fraunhofer IVV di Dresda.
“Puntiamo a una forza di adesione superiore alla coesione interna tra gli strati della carta. Nei test di taglio stiamo già ottenendo risultati eccellenti: con una sigillatura lunga solo due centimetri e larga tre millimetri riusciamo a sollevare senza problemi 20 chilogrammi”, aggiunge Marek Hauptmann, responsabile del progetto congiunto.
Integrazione della sigillatura della carta senza adesivi nella produzione industriale
Presso il Fraunhofer IWU di Dresda è in fase di sviluppo un’unità modulare di lavorazione della carta su scala di laboratorio che riproduce il processo di produzione di una busta piatta a quattro saldature, tipica del settore packaging, attraverso un sistema roll-to-roll.
Il fulcro dell’attività riguarda l’integrazione di un modulo laser e di uno di sigillatura all’interno di un dimostratore di tipo industriale lungo sei metri e alto due. Il processo viene gestito tramite sensori già collaudati nel settore, come quelli ottici e di umidità, supportati da un gemello digitale con un modello di dati addestrato.
Il funzionamento dell’impianto prevede che la bobina di carta in scorrimento continuo venga inizialmente irradiata dal laser CO per generare i prodotti di scissione necessari all’adesione.
Successivamente, viene alimentato un secondo nastro di carta che viene unito al primo tramite un utensile combinato di saldatura e punzonatura. Il calore generato durante la termosaldatura attiva i composti superficiali, permettendo ai due strati di legarsi stabilmente. In futuro, un sistema di misurazione installato nell’impianto pilota permetterà il controllo qualità in tempo reale, consentendo di regolare istantaneamente i parametri del laser e della sigillatura.
“Il nostro obiettivo è produrre dieci confezioni al minuto sul sistema pilota entro la fine del progetto, prevista per settembre 2026”, afferma Christer-Clifford Schenke, ricercatore presso il Fraunhofer IWU.
Una tecnologia che si integra alle linee già esistenti per la sigillatura della carta senza adesivi
Il dimostratore modulare conferma la possibilità di integrare questa tecnologia all’interno delle linee produttive già operative. Sia il modulo laser sia l’unità di sigillatura possono essere inseriti separatamente nei flussi di lavoro, offrendo una flessibilità che rende il sistema una soluzione di rilievo per i costruttori di macchine da imballaggio, i produttori di materiali e le aziende di confezionamento.
L’integrazione della tecnologia Papure consente alle aziende di questo settore di posizionarsi come pionieri nel campo del “packaging verde”. Insieme alle aziende interessate dell’industria dell’imballaggio e alimentare, nonché ai produttori di carta e alle aziende di ingegneria meccanica, i partner del progetto intendono sviluppare ulteriormente l’impianto per la produzione su larga scala.
I ricercatori Fraunhofer presenteranno le potenziali applicazioni di questa tecnologia e mostreranno come funziona il sistema alla fiera Interpack 2026, in programma dal 7 al 13 maggio nella Technology Lounge dell’Associazione tedesca dei costruttori di macchine e attrezzature (VDMA) a Düsseldorf (padiglione 4, stand C54).
