Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV
Materialcharakterisierung und Materialverhalten
Ihr Ansprechpartner für nachhaltige Verpackungslösungen
Die in den vergangenen Jahren überwiegend optimierten Kunststoff-Verbunde werden zunehmend durch recyclingfähige Monomaterialien oder auch biobasierte, rezyklathaltige, rezyklierte sowie faserbasierte Materialien ersetzt – immer mit dem Ziel, Materialdicken im Sinne der Ressourcenschonung zu minimieren. Verstärkt wird dies durch gesetzliche Vorgaben und zum Teil empfindliche Geldstrafen, die von den Produzenten gezahlt werden müssen, die Produkte in Verkehr bringen, ohne eine Rückführung oder Wiederverwertung der Materialien sicherzustellen. Die Herausforderungen bestehen u. a. darin, neue Packstoffe auf bestehender Technik zu verarbeiten. Packstoffabriss, Faltenbildung oder undichte Siegelnähte sind Beispiele für Probleme, die ein Packstoff- oder auch nur ein Lieferantenwechsel mit sich bringen können.
Wir testen die Verarbeitbarkeit Ihrer Materialien im Vorfeld, indem wir Vorgänge wie z. B. das Siegeln, das Umformen an der Formschulter, den Packmitteltransport durch die Verpackungsmaschine sowohl an Produktionsmaschinen als auch an speziell dafür ausgelegten Versuchsständen nachbilden.
Wir begleiten unsere Partner von der ersten Idee bis zur Serienproduktion!
Materialsimulation und -modellierung
Sie fragen sich, welche Verpackungen aus alternativen Materialien hergestellt werden können? Sie wollen ohne zeit- und kostenaufwendige Tests neue Materialien auf Ihren Anlagen verarbeiten? Wir unterstützen Sie dabei durch fortschrittliche Materialsimulation und -modellierung, indem wir Ihre Materialien virtuell testen und optimieren – und das schon vor Verpackungsherstellung!
Mit Simulationsmethoden können Sie sicherstellen, dass auch Materialien mit z. B. Rezyklatanteil in Ihrer Verarbeitung vorhersagbar werden. Mit unserer umfassenden Expertise geben wir Ihnen Empfehlungen bei der Verpackungsauswahl sowie Möglichkeiten der Prozess- und Werkzeugoptimierung.
Die digitale Simulation erlaubt es, Materialien unter realen Bedingungen zu testen. So erhalten Sie z. B. Antwort auf die die Frage, wie sich ihr Verpackungsmaterial unter extremen Temperaturen, Feuchtigkeit oder mechanischer Beanspruchung verhält. Dies ist nicht nur für Anwendungen der Lebensmittelindustrie interessant, auch andere Branchen wie die Kosmetik- oder Elektronikindustrie profitieren von maßgeschneiderten Lösungen. Zum Einsatz kommen u. a. sowohl die Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Strukturanalyse als auch die Methode der Computational Fluid Dynamics (CFD) für Strömungsanalysen. Je nach Anwendungsfall nutzen die Fraunhofer Experten auch spezifische Softwarelösungen wie LS-DYNA, Ansys Workbench oder Abaqus.
Mit unseren Modellen stellen Sie die Verpackungen von morgen her.
Material- und Verarbeitungsverhalten
Sie wollen bei der Beutelherstellung den Ursachen von z. B. Druckmarkenverschiebung, Faltenbildung und undichten Siegelnähten gezielt entgegenwirken? Das Umformen Ihrer Papiere z. B. beim Tiefziehen funktioniert nicht zufriedenstellend? Mit unserer Expertise finden wir gemeinsam die passende Lösung.
Viele der heute etablierten Verfahren zur Materialcharakterisierung haben eines gemeinsam: Sie sind nicht nah genug am realen Prozess. Wir identifizieren, charakterisieren und bewerten für Ihren Prozess alle relevanten Material- und Prozesskenngrößen mithilfe unserer speziell entwickelten Versuchstechnik unter prozessnahen Beanspruchungen (Normalkraft, Relativgeschwindigkeit, Werkzeugtemperatur, Materialfeuchte) und leiten daraus Empfehlungen für Ihren Prozess ab.
Dazu nutzen und entwickeln wir Methoden zur Abbildung komplexer Belastungssituationen in geeigneten Ersatzversuchen und an dafür messtechnisch ausgestatteten Anlagen innerhalb unseres einzigartigen »Testzentrums Verarbeitungsverhalten«.
Insbesondere bei der Umstellung auf nachhaltigere Materialien unterstützen wir Sie bei der gezielten Materialentwicklung und -optimierung, der Entwicklung geeigneter z. B. biobasierter Beschichtungen und geben Empfehlungen zur Anpassung und Optimierung Ihrer Prozesse.
Wir steigern Ihre Produktionseffizienz durch die Analyse und Charakterisierung Ihrer Materialien.
Materialbewertung, -vergleich und -auswahl
Sie möchten nachhaltigere Verpackungsmaterialien einsetzen und die Recyclingfähigkeit Ihrer Produkte gemäß den Zielen der PPWR verbessern? Ihre Prozesse werden auf alternative, faser- oder biobasierte Materialien umgestellt und Sie suchen einen kompetenten Partner? Das Fraunhofer IVV unterstützt Sie dabei, Materialien weiterzuentwickeln und deren Maschinengängigkeit zu optimieren.
Für Anwendungen im Lebensmittelbereich, der Medizin, Pharmazie oder Kosmetik ist eine fundierte Kenntnis der Materialeigenschaften wie z. B. Barrierewirkung, mechanische Belastbarkeit, Funktionalität und industrielles Verarbeitungsverhalten bis hin zur Recyclingfähigkeit entscheidend. Wir begleiten Sie ab der Materialanalyse und prüfen Ihre Materialien – ob Biokunststoffe, Papiere, Faservliese, hochfunktionale Barriere- sowie Siegelschichten oder Rezyklate – auf ihre Eignung unter realen Verarbeitungsbedingungen.
Neben standardisierten Charakterisierungsmethoden wie z. B. der Spannungs-Dehnungs- und Biegesteifigkeitsmessung nutzen wir zudem praxisnahe, eigenentwickelte Prüfmethoden, z. B. zur Ermittlung des dynamischen Reibungskoeffizienten (VDMA-Einheitsblatt 34171) und setzen optische Messsysteme wie den oWTP-Scanner zur frühzeitigen Fehlererkennung bei Bahnlaufproblemen oder ARAMIS zur berührungslosen Erfassung von Dehnungen, Verschiebungen, Geschwindigkeiten/Beschleunigungen oder Drehungen ein. So sichern wir Verarbeitungsqualität und optimieren den Materialeinsatz. Zudem bieten wir umfassende Nahtinspektionen zur Bewertung der Festigkeit, Dichtigkeit und dem Schmelzefluss. In unserem »Testcenter Verarbeitungsverhalten« begleiten wir Sie von der Materialprüfung bis zur fertigen Verpackungslösung.
Wir unterstützen Sie bei der Materialentwicklung und Verkürzen Ihre Entwicklungszeiten.
Verpackungsprüfung
Sie stellen an Ihre Verpackungen hohe Ansprüche: Diese müssen nicht nur den Produktschutz zuverlässige gewährleisten, sondern auch Verpackungs-, Transport- und Lagerprozesse effizient unterstützen und gleichzeitig als Informationsträger und Werbemittel fungieren. Wir überprüfen für Sie, ob Ihre Verpackung diesen Ansprüchen gerecht wird.
Zentrale Aufgabe ist der Schutz des Inhalts – etwa von Lebensmitteln – vor äußeren Einflüssen ebenso wie der Schutz der Umgebung vor gefährlichen Stoffen. Voraussetzung dafür sind Dichtigkeit, Stabilität, Gebrauchstauglichkeit, geeignete Geometrie und Recyclingfähigkeit. In unserem Technikum prüfen wir, ob Materialien und Verpackungen funktionalen Anforderungen entsprechen. Dazu setzen wir normgerechte Dichtheitsprüfungen ein (z. B. Lecktests, Vakuum- oder Wasserbadverfahren nach z. B. ASTM D3078, DIN 55508-5, ASTM F2338, ASTM F3039), ergänzt durch mikroskopische Analysen zur Ursachenforschung bei Leckagen. Auch die mechanische Belastbarkeit – etwa von Packstoffen, Packungen oder Siegelnähten – wird umfassend geprüft (Material Strength: DIN-EN-ISO 527 T3-5, Seam strength: DIN 55529, ASTM F88/F88M-21, Adhesive Peel Resistance, T-Peel Test: ASTM D1876). Weitere Methoden wie die 3D-Erfassung oder Wanddickenmessung dienen der Analyse und Bewertung von Entleerbarkeit, Stapelbarkeit und Optik.
Auch die Kundenakzeptanz ist entscheidend: Mit dem Pack Peel Scan (DIN SPEC 91441, DIN 55409-1/-2, ISO 17480) erfassen wir die realen Öffnungskräfte – sowohl im Labor als auch in der Produktion - inklusive der Integration in Assistenzsysteme zur Siegelnahtanalyse.
Wir entwickeln praxisnahe Prüfverfahren und sind Ihr aktiver Partner in der Normungsarbeit.
Verpackungsentwicklung
Sie legen Wert auf Produktschutz, einfache und kostengünstige Herstellbarkeit mit geringem Ressourcenverbrauch sowie gute Rückführbarkeit in Stoffkreisläufe? Mit unserer umfassenden Kompetenz in der Verpackungstechnik unterstützen wir Sie bei der Lösung dieser Herausforderungen.
Erfolgreiche Verpackungsneuentwicklungen oder -optimierungen berücksichtigen alle relevanten Aspekte des Verpackungslebenszyklus – stets im Einklang mit den Zielen der aktuellen PPWR. Dazu zählen der gezielte Einsatz von Rezyklaten, biobasierten Packstoffen, verbesserte Sortier- und Recyclingfähigkeit sowie die Vermeidung von Verpackungsabfällen, z. B. durch geringeren Kunststoffeinsatz. Besonders in der Massenproduktion, etwa in der Lebensmittelindustrie, können kleinste Verpackungsanpassungen große Material- und Energieeinsparungen bewirken – bei gleichzeitig hohen Anforderungen an die technische Umsetzbarkeit. Wir analysieren Ihre Verpackungsaufgabe, strukturieren die Anforderungen und entwickeln systematisch Lösungen. Dazu gehören das Herstellen und Prüfen von Prototypen, die Bewertung technischer Machbarkeit sowie die Berücksichtigung gesetzlicher Vorgaben und relevanter Regelungen.
Mit unseren Produktionsmaschinen und Versuchsständen testen wir praxisnah neue Verpackungen – etwa flexible oder formstabile Varianten. Auch der 3D-Druck unterstützt die Entwicklung durch Prototypenfertigung von Komponenten wie z. B. Verschlüssen. Diese Daten können zudem effizient in digitale Services und Tools integriert und Ihren Verpackungsentwicklern an die Hand gegeben werden.
Neue Verpackungen bewerten wir hinsichtlich Lebensmittelzulassung, Gasdurchlässigkeit, Lebenszyklusanalyse (LCA) und Recyclingfähigkeit. Letztlich beeinflusst auch die Verbraucherakzeptanz maßgeblich den Markterfolg von Produkt und Verpackung.
Design from Recycling oder Mehrweg? Wir denken Ihre Verpackungen neu!
Sensorentwicklung und Prüfmethoden für Materialanalysen
Sie erwarten stabile Prozesse, belastbare Daten und effiziente Ressourcennutzung? Wir stellen die passende Messtechnik zur Verfügung!
Die Entwicklung und Integration von Sensoren zur Qualitätsüberwachung sowie die Erarbeitung geeigneter Prüfmethoden verbessern die Prozessstabilität, reduzieren Maschinenstillstände, Ausschuss sowie Material- und Energieverluste. Die Inline-Überwachung ermöglicht dabei eine gezielte und intelligente Prozesssteuerung.
Ein reduzierter Packmitteleinsatz, neue faserbasierte Materialien und effiziente Prozesse erfordern präzise Kenntnisse und die exakte Einhaltung von Prozessparametern. Dafür entwickelt das Fraunhofer IVV Dresden geeignete Messmethoden und Prüftechniken, darunter autarke Versuchsstände zur Ermittlung von Material- und Verarbeitungseigenschaften sowie validierte Messtechnologien für den industriellen Einsatz.
Beispielsweise ist die Temperatur ein kritischer Parameter, etwa bei Heißfügeprozessen. Gemeinsam mit dem Fraunhofer IWM in Freiburg wurde ein Dünnschicht-Messsystem entwickelt, das Temperaturverläufe hochauflösend erfasst – präziser als bisherige Technologien. Dies ist Grundlage für eine künftige Echtzeitregelung mit hochdynamischen Heizsystemen sowie für KI-basierte Prozessanalysen und eine lückenlose Rückverfolgbarkeit. Das Temperaturprofil zeigt den Wärmefluss vom Werkzeug ins Packmittel und erlaubt Rückschlüsse auf Falten, Nahtkontaminationen und Undichtheiten.
Zudem unterstützen wir Sie bei der Optimierung der Maschinengängigkeit Ihrer Materialien, etwa durch die Inline-Messung der Bahnkraftverteilung mit unserem berührungslosen oWTP-Scanner. Auch zur gleichmäßigen Beschichtung arbeiten wir gemeinsam mit Partnern an Lösungen für eine Inline-Schichtdickenerkennung, um Produktschutz und Siegelbarkeit sicherzustellen.