Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung verfahrenstechnischer Grundlagen zum Schmelzen von Papierwerkstoffen unter Ausnutzung von Laserstrahlung am Beispiel eines bindemittelfreien Fügeprozesses

Forschungsthema

Entwicklung verfahrenstechnischer Grundlagen zum Schmelzen von Papierwerkstoffen unter Ausnutzung von Laserstrahlung am Beispiel eines bindemittelfreien Fügeprozesses.

Forschungsziel

Cellulose ist nicht thermisch schmelzbar. Jedoch konnte in grundlagenorientierten Arbeiten unter Laserstrahlung, Druck und Scherung eine plastische Verformung, d. h. ein Schmelzen, beobachtet werden. Dieses Prinzip soll zur Entwicklung eines Fügeverfahrens für Papiere genutzt werden. Hierzu wird zielgerichtet die Wechselwirkung von verschiedenen Lasern mit Papierhauptkomponenten untersucht und eine konstruktive Lösung zur Applikation der Strahlung bei gleichzeitiger Druckbeanspruchung erarbeitet.

Aus dem Forschungsvorhaben geht so erstmals eine wirtschaftlich nutzbare Möglichkeit hervor, die papiereigenen Bestandteile - vorzugsweise die Hauptkomponenten Cellulose, Hemicellulosen und Lignin - zu schmelzen. Hierdurch eröffnen sich auch Ansätze zur direkten Herstellung von Folien aus Papieren sowie auch zur Adaption additiver Fertigungsverfahren auf den Werkstoff Papier.

Nutzen für KMU

Die papierverarbeitende Industrie in Deutschland besteht überwiegend aus KMU. Gerade für diese sind innovative und flexible Verarbeitungsverfahren besonders vor dem Hintergrund zunehmender Individualisierung von Verpackungsprodukten von großer Bedeutung. Ein unmittelbarer Nutzen ergibt sich aber auch für Unternehmen der Lasertechnik. Besonders Hersteller von Scannersystemen und Peripherie sind überwiegend KMU, die die erforderliche Flexibilität aufweisen, maßgeschneiderte Lösungen anzubieten.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens dienen KMU der genannten Sektoren als Basisentwicklung zur Markteinführung neuer naturbasierter Produktlösungen und sichern so langfristig deren Wettbewerbsfähigkeit.

Ergebniszusammenfassung:

Das geplante Forschungsvorhaben zielte auf die Möglichkeit ab, erstmalig klassische Papierwerkstoffe im Rahmen eines Verarbeitungsverfahrens aufzuschmelzen. Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojektes konnte die Wechselwirkung von Papierwerkstoffen mit Laserstrahlung untersucht werden. Dabei wurde die Ausbildung eines schmelzeähnlichen Zustandes beobachtet. Dieser konnte als Zersetzung in kurzkettige Zuckermoleküle ohne geordnetes Bindungsnetzwerk interpretiert werden. Das Verbinden zweier Substrate durch eine schmelzförmige Substanz bestehend aus kurzkettigen Molekülen wurde im Anschluss untersucht, und ähnelt aus verfahrenstechnischer Sicht eher dem Kleben als dem Schweißen.

Nichtsdestotrotz konnte auch dieser Aspekt des Projektes umgesetzt werden. So konnte erstmalig die stoffschlüssige Fügung von Papieren ohne den Zusatz von Bindemitteln realisiert werden. Dies war möglich durch den ausschließlichen Einsatz von Laserstrahlung, Druck und Wärme. Die erzielbaren Festigkeiten liegen im Bereich 1-3 N/15mm und damit im Range von soft-peel-Siegelnähten und variieren in Abhängigkeit der eingesetzten Faserstoffe und zugesetzten Additive. So konnte durch Trocken- und Nassfestmittel eine zusätzliche Steigerung der Siegelfestigkeiten beobachtet werden, wohingegen der Einsatz von Füllstoffen eine negative Auswirkung auf die Siegelnahtfestigkeit zeigt. Das untersuchte Versagensverhalten zeigt zwei Ausprägungen. So versagen die Fügestellen entweder im Papiergefüge selbst oder tatsächlich in der Fügestelle. Die Nutzung eines Substrates mit guter interner Gefügefestigkeit ist hierbei vorteilhaft.