Integrazione di simulazioni numeriche e LCA per la valutazione della sostenibilità di packaging alimentari in materiali cellulosici

Il presente lavoro di dottorato affronta il tema della sostituzione degli imballaggi alimentari in plastica con soluzioni a base cellulosica, con l'obiettivo di valutare in modo integrato la fattibilità tecnica e il vantaggio ambientale della transizione verso materiali cartacei formati per imbutitura profonda. La ricerca si colloca nel quadro delle politiche europee di riduzione dei rifiuti da imballaggio e di promozione dell'economia circolare, in un contesto in cui la sostenibilità degli imballaggi non può essere valutata unicamente sulla base del materiale, ma attraverso un'analisi sistemica dell'intero ciclo di vita. Il lavoro si articola in due direttrici complementari. La prima, tecnico-sperimentale, ha mirato a verificare la possibilità di realizzare una vaschetta alimentare in carta mediante imbutitura profonda, con geometria equivalente a quella in plastica, ma priva di grinze e rotture nel bordo saldabile. Dopo la caratterizzazione meccanica del materiale (prove di trazione in MD e CD, a diverse condizioni termo-igrometriche), è stato sviluppato un modello FEM esplicito in Abaqus, validato mediante prove fisiche su vaschette reali. L'analisi parametrica svolta mediante Design Of Experiment (DOE) ha permesso di individuare la finestra di processo e di materiale che garantisce la formabilità della carta e la qualità del bordo saldabile, introducendo una pipeline automatizzata di simulazione e post-processing per l'estrazione di indici di qualità (numero di grinze e rottura del materiale). La seconda direttrice, ambientale, ha riguardato la valutazione comparativa degli impatti tramite Life Cycle Assessment (LCA) condotta secondo le norme ISO 14040/14044. I dati tecnici ottenuti dalla fase di formatura (massa, spessore, resa di processo) sono stati integrati in quattro scenari di prodotto equivalenti: carta vergine, carta riciclata, PET vergine e PET riciclato. L'analisi, eseguita con il metodo ReCiPe 2016 Midpoint e Endpoint (H), ha fornito una comparazione quantitativa degli impatti in termini di cambiamento climatico, consumo energetico e produzione di rifiuti. I risultati evidenziano come la sostituibilità della plastica con la carta non possa essere considerata una soluzione universalmente vantaggiosa, ma dipenda da un equilibrio tra prestazione tecnica, massa impiegata e gestione del fine vita. Il contributo originale della ricerca risiede nella integrazione metodologica fra simulazione FEM e analisi LCA, che consente di quantificare la sostenibilità della carta in condizioni operative realistiche, superando le valutazioni puramente qualitative o teoriche. Il lavoro fornisce infine una base scientifica per la progettazione di packaging cellulosici tecnicamente affidabili e ambientalmente giustificati, ponendosi come riferimento metodologico per lo sviluppo di nuovi materiali e processi nel settore degli imballaggi sostenibili.

This PhD research addresses the replacement of plastic food packaging with cellulose-based solutions, aiming to assess-through an integrated approach-the technical feasibility and the environmental benefits of transitioning to paper materials formed by deep drawing. The study is framed within European policies targeting the reduction of packaging waste and the promotion of a circular economy, in a context where packaging sustainability cannot be judged solely by the choice of material, but requires a systemic life-cycle perspective. The work is structured along two complementary research streams. The first, technical and experimental, investigates the feasibility of producing a paper-based food tray by deep drawing with a geometry equivalent to a conventional plastic tray, while ensuring a wrinkle-free and crack-free heat-sealable rim. After mechanical characterisation of the material (tensile tests in machine direction and cross direction under different thermo-hygrometric conditions), an explicit FEM model was developed in Abaqus and validated against physical trials on real trays. A parametric analysis based on Design of Experiments (DOE) was then carried out to identify the process-material window that guarantees paper formability and rim quality. To support large simulation campaigns, an automated simulation and post-processing pipeline was implemented to extract quantitative quality indicators, including wrinkle count and material failure. The second research stream focuses on the comparative environmental assessment through Life Cycle Assessment (LCA) in accordance with ISO 14040/14044. Technical data derived from the forming phase (mass, thickness, process yield) were integrated into four functionally equivalent product scenarios: virgin paper, recycled paper, virgin PET, and recycled PET. Using the ReCiPe 2016 Midpoint and Endpoint (H) methods, the analysis provided a quantitative comparison of impacts in terms of climate change, energy use, and waste generation. Overall, the results show that substituting plastic with paper cannot be considered universally advantageous: the outcome depends on the balance between technical performance, material mass, and end-of-life management. The original contribution of this research lies in the methodological integration of FEM simulation and LCA, enabling the sustainability of paper-based packaging to be quantified under realistic operating conditions, beyond purely qualitative or theoretical evaluations. Finally, the thesis provides a scientific basis for designing cellulose-based packaging that is both technically reliable and environmentally justified, and offers a methodological reference for the development of new materials and processes in sustainable packaging.