W porównaniu z tradycyjnym oprzyrządowaniem metalowym, firma PepsiCo zyskuje na szybkości, obniża koszty i zwiększa elastyczność dzięki zastosowaniu drukarek 3D do produkcji form do butelek.
Szybkość wprowadzania produktów na rynek nigdy nie była tak ważna w sektorze dóbr konsumpcyjnych, ponieważ marki starają się opracowywać nowe projekty opakowań, aby zaspokoić stale zmieniające się potrzeby klientów i wyróżnić się na tle konkurencji. Zmiana projektu opakowania jest jednak kosztowna, zwłaszcza w branży napojów butelkowanych. Tworzenie konwencjonalnych metalowych narzędzi do formowania butelek metodą rozdmuchu w kampusie badawczo-rozwojowym firmy PepsiCo w Valhalla w stanie Nowy Jork oznaczało tygodnie oczekiwania i tysiące kosztów.
Według Maxa Rodrigueza, starszego menedżera ds. badań i rozwoju w dziedzinie opakowań, zaawansowanej inżynierii i projektowania w centrum badawczym PepsiCo, wyprodukowanie jednego zestawu narzędzi do form metalowych może kosztować do 10 000 USD, w zależności od stopnia złożoności.
Po stworzeniu cyfrowego projektu butelki potrzeba do czterech tygodni na wykonanie metalowej formy przy użyciu konwencjonalnych metod produkcji, a następnie dodatkowych dwóch tygodni na uzyskanie próbnej jednostki do wykonania rzeczywistego rozdmuchu prototypów.
Przyspieszone prototypowanie do przyspieszonej produkcji
Aby szybciej wprowadzać nowe produkty na rynek poprzez skrócenie czasu i obniżenie kosztów prototypów, Rodriguez rozpoczął kilka lat temu rozpoczął pracę z drukarkami 3D.
Chociaż drukarki 3D doskonale radziły sobie z tworzeniem prototypów, wczesne próby drukowania w 3D oprzyrządowania form nie były wystarczająco trwałe. Kiedy formy drukowane w 3D były używane w maszynach do formowania z rozdmuchiwaniem, mogły wyprodukować tylko około 100 butelek, zanim forma zaczęła się psuć. To skłoniło Rodrigueza i jego zespół do zbadania możliwości zastosowania metody hybrydowej, łączącej części konwencjonalnej formy metalowej z wkładkami drukowanymi w 3D.
Ten hybrydowy model – który firma PepsiCo opatentowała pod koniec 2020 r. – polega na zastosowaniu uniwersalnej metalowej zewnętrznej powłoki formy, która pasuje do większości komercyjnych maszyn do formowania z rozdmuchiwaniem. Następnie firma PepsiCo zbadała możliwość wykorzystania wytwarzania addytywnego do drukowania tylko istotnych wewnętrznych części formy, które pozwolą uzyskać geometrię produktu końcowego.
Poszukiwanie rozwiązania drukowanego w 3D
Współpracując z Dynamism, dystrybutorem technologii wytwarzania przyrostowego z siedzibą w Chicago, zespół PepsiCo zbadał przemysłowe rozwiązania druku 3D, które mogłyby spełnić wymagania firmy zarówno pod względem rozmiarów, jak i materiałów.
“Nasza współpraca z firmą PepsiCo rozpoczęła się wiele lat temu od wykorzystania drukarek 3D do prototypowania projektów” – mówi Douglas Krone, prezes firmy Dynamism. “Kiedy ich potrzeby zwróciły się ku zastosowaniom przemysłowym, przedstawiliśmy im drukarki 3D przeznaczone do produkcji części przemysłowych”.
W latach 2020-2022 firma przeprowadziła próby proof-of-concept w pilotażowym zakładzie formowania z rozdmuchem u strony trzeciej, produkując butelki w tempie od 600 do 800 butelek na godzinę przy użyciu pojedynczej formy hybrydowej. Koncepcja modułowego zestawu form okazała się sukcesem, ale trwałość materiałów nadal stanowiła wyzwanie.
“Kiedy pracowaliśmy nad rozwiązaniem dotyczącym generowania narzędzi do form przy użyciu wytwarzania addytywnego, skupiliśmy się na znalezieniu materiału, który byłby odporny na warunki formowania z rozdmuchiwaniem, typowe dla naszego środowiska produkcyjnego” – mówi Rodriguez. “W zastosowaniach związanych z wygrzewaniem form rozdmuchowych powszechne jest podgrzewanie form do temperatury około 140ºC. Ważne było również, aby materiał był w stanie wytrzymać ciśnienie rozdmuchu wynoszące 40 barów”.
W momencie, gdy Rodriguez rozpoczął swoje badania około trzy lata temu, jedynym realnym rozwiązaniem materiałowym był ester cyjanianu. “Od tego czasu główni dostawcy materiałów, tacy jak Henkel Loctite i BASF, przyspieszyli rozwój materiałów do zastosowań w produkcji addytywnej”.
Około rok temu firma Henkel wprowadziła na rynek materiał XPEEK147, który według Rodrigueza ma kilka zalet w porównaniu z estrem cyjanianu.
Zespół nałożył na wydrukowane wkładki podkład z kamienia dentystycznego, aby nadać wgłębieniom formy wytrzymałość na ściskanie potrzebną do uzyskania ciśnienia formowania z rozdmuchiwaniem. Następnie wykorzystano zmodyfikowaną, laboratoryjną maszynę do rozdmuchu Blowscan firmy Blow Moulding Technologies z Irlandii Północnej do wyprodukowania rzeczywistych butelek testowych.
Jak mówi Rodriguez, firma PepsiCo od kilku miesięcy codziennie produkuje butelki przy użyciu hybrydowego oprzyrządowania. “Czas i koszty są oczywiście ważne, ale jeszcze ważniejsza jest elastyczność, która pozwala nam w rekordowym tempie przechodzić przez szereg różnych iteracji projektu, dzięki czemu możemy ocenić wydajność we wszystkich dalszych etapach produkcji. To właśnie pomaga nam przyspieszyć”.
Działania te obejmują potwierdzenie, jak butelka będzie się sprawować na liniach pakujących firmy PepsiCo, w automatach sprzedających oraz w całej sieci dystrybucji.
Próby formowania z rozdmuchem w centrum badawczo-rozwojowym PepsiCo dostarczyły danych, które wykazały, że próbki z formy wydrukowanej w 3D były porównywalne z próbkami z formy metalowej.
Rodriguez wydrukował formy na drukarkach Carbon M2, Stratasys J55 i Markforged X5, aby potwierdzić, że koncepcja formy-narzędzia jest niezależna od drukarki, ale ostatecznie wybrał Nexa3D NXE 400 i materiał xPEEK147 firmy Henkel Loctite na wkładki do narzędzi drukowanych 3D.
NXE 400 jest wystarczająco duża, aby drukować kilka części form w tym samym czasie, a ponadto jest szybka, co przyspiesza proces iteracji i produkcji.
Od 4 tygodni do 48 godzin, od 10 000 do 350 USD
Kompletny zestaw form można wykonać w ciągu 12 godzin, z czego 8 godzin zajmuje drukowanie 3D, a 4 godziny – obróbka końcowa lub utwardzanie. Koszt jednego zestawu form wynosi około 350 USD. Formy wykonane metodą hybrydową można wykorzystać do produkcji ponad 10 000 butelek, zanim ulegną uszkodzeniu. Rezultatem jest obniżenie kosztów o prawie 96% w porównaniu z tradycyjnym oprzyrządowaniem metalowym.
“Dzięki wykorzystaniu tych możliwości” – mówi Rodriguez – “spodziewamy się o 30% szybszego cyklu rozwoju”. Nie jest to jednak związane wyłącznie z możliwością drukowania 3D zestawu form. “Możliwości drukowania 3D są połączone i przeplatają się z naszymi możliwościami analizy wirtualnej. AM uzupełnia analizę wirtualną i na odwrót, więc szybszy cykl rozwoju jest osiągany poprzez łączne wykorzystanie tych zaawansowanych narzędzi.
Wkład formy wydrukowany w 3D oraz maszyny do formowania z rozdmuchiwaniem w skali laboratoryjnej są wykorzystywane do generowania próbek funkcjonalnych w produkcji niskoseryjnej. “Intencją nie jest zastąpienie form metalowych w produkcji wielkoseryjnej” – zauważa Rodriguez. “Zestawy form drukowane w 3D można zamontować na typowej platformie produkcyjnej do produkcji form rozdmuchowych, ponieważ wymiary zewnętrznej powłoki są uniwersalne i kompatybilne z naszymi typowymi platformami produkcyjnymi. Jednak w przypadku regularnej produkcji najlepiej jest zainwestować w oprzyrządowanie metalowe, ponieważ przewidujemy, że formy będą produkować miliony butelek rocznie.”
Czy następnym krokiem dla PepsiCo jest druk 3D z metalu? “Formy rozdmuchowe do druku 3D z metalu to jeszcze daleka przyszłość” – twierdzi PepsiCo.
Żródło: https://all3dp.com
