Nachhaltige Packstoffe wie Monomaterialien, papierbasierte Verpackungen und Kartonagen sicher und optisch einwandfrei zu versiegeln, stellt konventionelle Fügeverfahren vor eine Herausforderung. Mit dem Ultraschall bietet sich eine effiziente und präzise Siegeltechnologie für diese Anforderungen.
Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Verpackungsbranche ist der Einsatz von Monomaterialien ein wichtiges Instrument. Da die sortenreinen Verpackungen recycelt werden können, tragen sie dazu bei, dem Ziel einer wirklichen Kreislaufwirtschaft näher zu kommen. Dabei gilt: Je sortenreiner das Verpackungsmaterial, desto besser kann es wiederverwendet werden.
Um die gesetzlichen Vorlagen zu erfüllen und auch selbstgesteckte Nachhaltigkeitsziele zu erreichen, hat sich der Einsatz von Monomaterialien in der Branche in den vergangenen Jahren enorm gesteigert. Dieser Trend lässt sich bereits vor allem bei Nasstierfutter, aber auch bei Folienverpackungen wie beispielsweise für geschnittenen Salat beobachten.
Verpackungen, wie etwa für frisch geschnittenen Salat, werden schon heute häufig aus Monomaterialien hergestellt. (Foto: Herrmann Ultraschalltechnik)
Enge Prozessfenster stellen Heißsiegeln vor Probleme
Die Verbreitung von Monomaterialien wird noch immer aufgrund der komplexen Anforderungen in der weiteren Verarbeitung behindert. Einschichtfolien beziehungsweise recycelbare Verbunde wie etwa OPP/PP sind aufgrund ihrer empfindlichen Materialeigenschaften anfällig für thermische Schädigungen.
Konventionelle Fügeverfahren, wie etwa das Heißsiegeln, stoßen deshalb an ihre Grenzen. Da sie mit externer Hitze arbeiten, kann es bei ihnen schnell zu Folienschrumpf und daraus resultierender Faltenbildung kommen. Das beeinträchtigt sowohl die Optik der Verpackung als auch ihre Dichtigkeit. Ausschuss in der Produktion ist die Folge, wodurch nicht nur Lebensmittel entsorgt werden, sondern auch vermeidbarer Verpackungsabfall anfällt.
Ultraschall ermöglicht schonenden Siegelprozess
Als effizienteres Siegelverfahren für Monomaterialien hat sich nach Ansicht von Herrmann Ultraschalltechnik, Karlsbad, das Ultraschallsiegeln erwiesen. Dabei entsteht thermische Energie durch Reibung der Materialien nur im Inneren des Nahtbereichs. Die Schweißwerkzeuge bleiben während des gesamten Siegelprozesses kalt. Dadurch bleibt die Trägerschicht vollkommen intakt, während sich die Schicht im Inneren auf molekularer Basis stoffschlüssig und absolut dicht miteinander verbinden.
In der schematischen Darstellung des Siegelprozesses erkennt man, dass sich die Folien des Monomaterials (in blau dargestellt) durch Eintrag der Ultraschallvibration nur von innen heraus erhitzen. (Abb.: Herrmann Ultraschalltechnik)
Die eingetragene Energie während eines Ultraschall-Siegelvorgangs beträgt nur ein Bruchteil des Energiebedarfs für Siegelverfahren, die mit externem Wärmeeintrag arbeiten. Zudem kann sie präzise gesteuert und individuell an die Eigenschaften des Monomaterials angepasst werden. Das garantiert ein reproduzierbares Siegelergebnis mit einer tadellosen Optik, auch bei engen Prozessfenstern.
Durch die geringere Widerstandsfähigkeit der recycelbaren Materialien im Vergleich zu herkömmlichen Packstoffen kann es jedoch vorkommen, dass mit einem sanfteren Siegelprozess gearbeitet werden muss. Dieser resultiert unter Umständen in einer längeren Schweißzeit und nimmt damit Einfluss auf die Taktraten.
Papier als nachhaltige Alternative?
Neben Monomaterialien nimmt auch die Nutzung von Papier-basierten Verpackungen in der Branche zu. Sie bestehen nicht aus reinem Papier, sondern zu einem geringen Anteil auch aus Kunststoff, der als Barriere dem Schutz der Lebensmittel dient. Wie hoch dieser Anteil maximal sein darf, ist von Land zu Land unterschiedlich.
Während in Deutschland lediglich 5 % Kunststoff vorhanden sein darf, liegt dieser Wert in anderen Ländern bei über 20 %. Mit einem hohen Kunststoffanteil wird die Verarbeitung des Packstoffs zwar erleichtert, allerdings kann er schlechter oder überhaupt nicht mehr recycelt werden. Wirklich nachhaltig sind deshalb lediglich Papierverpackungen, die nur wenig Kunststoff verwenden und so dem Papier-Recyclingkreislauf ohne große Verluste wieder zugeführt werden können.
Auch hier dient der Ultraschall als sichere Fügetechnologie, die Verpackungen mit einem Kunststoffanteil im niedrigen einstelligen Prozentbereich verbinden kann. Verbrennungen am Papier sowie andere optische Beeinträchtigungen, die bei der Nutzung von Heißsiegelverfahren auftreten können, werden dank der kalten Ultraschall-Schweißwerkzeuge vermieden. Das gilt sowohl für dünnere Papierschichten als auch für dickere Kartonpackstoffe, wie sie etwa bei Getränkekartons zum Einsatz kommen.
Bei dieser Anwendung wird aktuell häufig mit einer dünnen Aluminiumschicht im Inneren gearbeitet, die es ermöglicht, die Verpackungen mittels Induktionsschweißen zu versiegeln. Aus ökologischen Gründen planen allerdings immer mehr Unternehmen, diese Schicht aus den Verpackungen zu entfernen. Dadurch werden auch für diese Anwendungen alternative Fügeverfahren wie das Ultraschallsiegeln benötigt.
Schweißversuche geben Sicherheit
Der Umstieg auf Monomaterialien oder andere recycelbare Packstoffe kann dabei helfen, Kunststoff einzusparen, die Kreislaufwirtschaft zu verbessern und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Welche Stoffe und Zusammensetzungen mit Ultraschall versiegelt werden können, kann in Machbarkeitsversuchen in Ultraschall-Laboren evaluiert werden.
Im Ultraschall-Labor kann die Schweißbarkeit von nachhaltigen Verpackungsmaterialien in elaborierten Versuchen untersucht werden. (Foto: Herrmann Ultraschalltechnik)
In diesen Versuchen werden die Materialien zuerst auf ihre Aktivierbarkeit durch Ultraschall getestet. Dazu werden Laborwerkzeuge und Einstellungen gewählt, die möglichst nahe an den späteren Produktionsbedingungen liegen. Die Qualität der Schweißung wird anhand verschiedener Analysemethoden beurteilt, dazu gehören etwa eine optische Auswertung, Zugprüfungen sowie eine Dichtigkeitsprüfung. Abschließend geben Anwendungsingenieure Empfehlungen bezüglich weiterer Schritte oder schätzen den benötigten Aufwand zur Lösung der Anwendung ab.
Beim Umstieg auf Monomaterialien oder Papier-basierte Packstoffe kann bereits eine Anpassung der Schweißparameter ausreichend sein. Doch gerade beim Einsatz von neuartigen Folien kann es notwendig sein, einen komplett neuen Schweißprozess zu entwickeln. Dabei werden gemeinsam mit dem Kunden ein anwendungsspezifisches Schweißkonzept erstellt und, falls notwendig, neue Ultraschall-Schweißwerkzeuge entworfen und gefertigt. Nur so kann ein zuverlässiger Prozess mit dichten Nähten und einwandfreier Optik gewährleistet werden.
