Cum dezvoltă Unilever și Serioplast noi modele de sticle cu ajutorul matrițelor imprimate 3D

Fiind una dintre cele mai mari companii din lume din domeniul bunurilor de larg consum (FMCG), Unilever dezvoltă constant produse noi pentru utilizarea zilnică, de la îngrijire personală și produse pentru casă până la nutriție și multe altele. Este foarte probabil ca în locuința dumneavoastră să existe deja unul sau mai multe produse ale companiei, având în vedere că aceasta deține branduri precum Dove, Domestos, Cif, Knorr, Axe (Lynx), Ben & Jerry’s și zeci de alte mărci globale și locale.

 

Industria FMCG este un sector în care cererea constantă a consumatorilor generează o competiție acerbă, motiv pentru care brandurile trebuie să inoveze permanent și să își adapteze strategia de produs. Un domeniu important al inovării îl reprezintă ambalajele; designul unei sticle poate influența percepția consumatorilor la fel de mult ca produsul din interior. Branduri precum Unilever trebuie să ia în considerare consumul de materiale, atractivitatea estetică, siguranța și sustenabilitatea pentru o gamă vastă de tipuri de ambalaje și produse. Totuși, chiar și pentru o „simplă” sticlă din plastic, trecerea de la designul realizat pe ecranul computerului la umplerea acesteia pe linia de producție a necesitat în mod tradițional multe luni.

 

„O companie de bunuri de consum precum Unilever trebuie să fie pe piață cât mai rapid, ideal înaintea competitorilor. Trebuie să oferiți cel mai bun produs la cel mai bun preț, în cel mai scurt timp posibil pentru consumatori. Imprimarea 3D ne ajută să accelerăm acest proces.”

— Stefano Cademartiri, CAD & Prototyping Owner, Unilever

 

Stefano Cademartiri, responsabil CAD și prototipare la Unilever, și Flavio Migliarelli, R&D Design Manager la Serioplast Global Services, explică modul în care au colaborat pentru a testa viabilitatea matrițelor imprimate 3D pentru procese de stretch blow molding (SBM) în volum redus. Scopul a fost accelerarea prototipării și a testelor pilot, reducând timpii de livrare cu șase săptămâni și costurile cu până la 90%.

Fluxul tradițional de dezvoltare și testare a noilor modele de sticle

Produsele din plastic precum recipientele pentru alimente și băuturi, ambalajele cosmetice sau cele medicale sunt fabricate cel mai frecvent prin blow molding (suflare în matriță), un set de procese industriale consacrate pentru producția rapidă în masă a pieselor subțiri de înaltă calitate. Blow molding-ul are timpi de ciclu foarte scurți, de obicei între unu și două minute, și este extrem de eficient din punct de vedere al costurilor pentru producția de volum mare. În mod tipic, este utilizat pentru fabricarea a milioane de piese identice la costuri unitare reduse.

 

Procesul funcționează prin umflarea unui tub de plastic încălzit, numit parison sau preformă injectată, în interiorul unei matrițe până când acesta capătă forma dorită. Există trei tipuri principale de procese blow molding:

  • Extrusion Blow Molding (EBM)

  • Injection Blow Molding (IBM)

  • Stretch Blow Molding (SBM)

 

SBM este utilizat frecvent pentru producerea recipientelor PET transparente de înaltă calitate, precum sticlele de apă.

 

Serioplast este un producător global de ambalaje rigide din plastic pentru industria FMCG și unul dintre principalii parteneri ai Unilever în dezvoltarea și producerea ambalajelor pentru produsele de îngrijire a casei și personală.

 

„Producem patru miliarde de sticle pe an din materiale PET, HDPE și PP”, a declarat Migliarelli.

În mod obișnuit, Serioplast realiza fie mockup-uri imprimate 3D pentru prototipuri, fie mostre obținute prin blow molding. Totuși, prototipurile imprimate 3D nu reproduceau corect senzația tactilă sau transparența și nu erau suficient de realiste pentru testarea cu consumatorii. În schimb, realizarea unor mostre de calitate de producție prin SBM necesita matrițe metalice costisitoare, ceea ce adăuga între șase și nouă săptămâni la faza tipică de testare pilot, din cauza complexității procesului și a externalizării producției matriței.

 

„Trebuie să așteptăm între șase și douăsprezece săptămâni înainte de a putea oferi clientului o mostră reală, astfel că pierdem foarte mult timp doar pentru a testa un nou design de sticlă. Uneori devine solicitant și frustrant, deoarece este posibil să trebuiască să reîncepi procesul”, a spus Migliarelli.

 

Matrițele SBM sunt realizate în mod tradițional din metal prin prelucrare CNC, ceea ce necesită echipamente specializate, software CAM și personal calificat. Fabricarea acestor scule este de obicei externalizată către furnizori de servicii, cu termene de livrare între patru și opt săptămâni și costuri cuprinse între 2.000 și peste 100.000 de dolari, în funcție de complexitatea piesei și de numărul de cavități din matriță.

 

Chiar și realizarea unei matrițe metalice în interiorul companiei poate dura aproximativ șase săptămâni, deoarece implică mai multe etape: comandarea materialului, programare CAM și configurarea mașinii, lustruire manuală și așteptarea disponibilității echipamentului.

 

Din aceste motive, producția de piese blow molding în volume mici pentru prototipare și testare pilot nu a fost, în mod tradițional, viabilă economic. Companii precum Unilever au fost nevoite să planifice dezvoltarea produselor pe perioade lungi și să ia decizii finale de design pe baza unor prototipuri care doar imitau forma finală, realizate din materiale diferite, ceea ce ducea adesea la scule devenite inutile și costuri irecuperabile.

Producerea sticlelor reale cu 70% mai rapid și cu 90% mai ieftin

Imprimarea 3D reprezintă o soluție puternică pentru fabricarea rapidă și economică a sculelor. Aceasta necesită echipamente minime, eliberând capacitatea mașinilor CNC și timpul operatorilor calificați pentru alte activități cu valoare ridicată.

 

Prin utilizarea imprimării 3D în interiorul companiei, producătorii și designerii de produs pot introduce rapid tooling în procesul de dezvoltare, validând designul și pașii de fabricație înainte de trecerea la producția în masă.

 

Matrițele imprimate 3D sunt deja utilizate în procese precum injecția de plastic sau termoformarea pentru a itera rapid, a accelera dezvoltarea produselor și a lansa pe piață produse mai bune.

 

Tehnologia SLA (Stereolithography) este o alegere excelentă pentru realizarea matrițelor. Aceasta oferă:

  • finisaj de suprafață foarte neted

  • precizie ridicată

  • detalii fine transferate în piesa finală

  • demulare mai ușoară

 

Form 3L este o imprimantă 3D SLA de format mare care permite fabricarea pieselor și matrițelor de dimensiuni mari, fiind în același timp suficient de compactă pentru utilizarea într-un birou.

Alegerea materialului este esențială pentru fabricarea matrițelor. Unilever și Serioplast aveau nevoie de un material capabil să reziste presiunii interne și temperaturii procesului SBM, menținând în același timp o bună stabilitate dimensională.

 

„Cu ajutorul inginerilor Formlabs am identificat materialul care ne poate oferi posibilitatea de a produce câteva sticle în materialele reale pentru testele noastre”, a declarat Cademartiri.

 

Rigid 10K Resin este materialul recomandat de Formlabs pentru SBM deoarece combină rezistența, rigiditatea și rezistența termică. Este un material industrial cu un conținut ridicat de fibră de sticlă, având:

  • HDT: 218°C la 0,45 MPa

  • modul de elasticitate la tracțiune: 10.000 MPa

 

Matrițele imprimate cu Rigid 10K Resin au o bună stabilitate dimensională și pot suporta sute de cicluri de blow molding cu repetabilitate ridicată.

„Putem reproduce foarte precis detaliile matriței, în special pentru sticle care includ logouri sau elemente precum detalii de tip lămâie, care necesită multă precizie. Mașina Formlabs împreună cu Rigid 10K Resin oferă posibilitatea de a obține detalii excelente care sunt apoi transferate în sticla reală”, a spus Cademartiri.

Prin imprimarea SLA, o matriță poate fi realizată în doar două zile. Matrițele imprimate 3D reduc timpul necesar pentru începerea testării pilot de la șase săptămâni la aproximativ două săptămâni, producând piese de pre-producție foarte apropiate de calitatea finală și fabricate cu aceleași materiale și echipamente ca în producția reală. În plus, matrițele imprimate 3D permit testarea simultană a mai multor designuri.

Caracteristică

Matriță metalică prelucrată

Matriță imprimată 3D

Echipament

CNC intern sau externalizare

Form 3L + Rigid 10K Resin

Timp pentru testare pilot

6–8 săptămâni

2 săptămâni

Cost scule

2.500–10.000 USD

500–1.000 USD

„Cu matrița imprimată 3D folosim un layout standard într-un suport tip shell holder care este montat în mașina de blow molding. Astfel economisim mult timp în proiectarea matriței și putem gestiona foarte ușor programul de imprimare 3D”, a explicat Migliarelli.

De la testarea cu consumatori la optimizarea liniei de producție

Matrițele imprimate 3D sunt utilizate în principal pentru producerea mostrelor destinate testării cu consumatorii. Acestea reproduc foarte fidel produsul final din punct de vedere al:

  • senzației tactile

  • aspectului estetic

  • modului de utilizare

 

Pentru consumatori, ele sunt percepute practic ca produsul real.

 

„Puteți avea o sticlă reală înainte de a realiza matrița finală, astfel încât să identificați imediat dacă sunteți pe direcția corectă în procesul de dezvoltare sau dacă trebuie să modificați ceva pentru a evita greșeli costisitoare”, a spus Cademartiri.

Un alt rol al matrițelor modulare este validarea procesului SBM și a preformelor PET utilizate. Serioplast produce aceste preforme intern prin injecție. Unele sunt proiectate special pentru anumite sticle, dar de multe ori sunt utilizate preforme standard, care nu pot fi modificate de utilizatori.

 

Prin aceste teste, echipa poate determina dacă o anumită preformă standard este potrivită pentru un design de sticlă înainte de lansarea în producție.

 

„Utilizăm aceleași ferestre de proces ca în cazul unei matrițe pilot standard. Este foarte util deoarece putem testa procesul final și vedea ce se întâmplă cu sticla. Vorbim de presiuni de până la 30 bar și temperaturi de 100°C pentru preformă, fără uzură în cavitatea matriței imprimate 3D. Putem produce cu ușurință 100–200 de sticle pe zi și chiar până la 1000 dacă avem mai mult timp”, a spus Migliarelli.

 

A treia utilizare a acestor matrițe rapide este testarea timpurie a unor elemente ale liniei de producție. Deoarece sticlele obținute sunt foarte apropiate de cele din producția finală, ele pot fi utilizate pentru validarea inițială a liniei de umplere:

  • mișcarea transportoarelor

  • funcționarea roților stelare ale mașinilor de umplere

  • operațiunea de capsare

  • funcționarea robotului de ambalare în cutii

 

Testarea timpurie a liniei permite fabricilor să anticipeze piesele de schimb, să pregătească echipamentele pentru producția de masă și să reducă timpul de lansare pe piață.

Lansarea mai rapidă pe piață a unor produse mai bune

Prin utilizarea imprimantelor SLA Formlabs și a materialului Rigid 10K Resin, Unilever și Serioplast au reușit să reducă timpii de dezvoltare cu până la 70% și costurile de scule cu până la 90%, realizând loturi pilot de 200 de unități în doar două săptămâni.

 

„La Formlabs am găsit un partener foarte bun nu doar pentru furnizarea echipamentului, ci și pentru suportul oferit în descoperirea proprietăților acestor materiale. Acest parteneriat m-a ajutat să identific posibilitatea de a începe această călătorie cu matrițele imprimate 3D”, a declarat Cademartiri.

 

Noul flux de lucru va permite Unilever să lanseze produse mai bune pe piață într-un timp mult mai scurt și să reducă semnificativ riscurile și costurile asociate dezvoltării ambalajelor.

 

„Impactul major al imprimantei 3D este posibilitatea de a transforma ideile în realitate. Ceva ce vedeți pe ecran ajunge în mâinile dumneavoastră în doar câteva săptămâni: un produs real, cu o sticlă reală, cu un capac real și cu o etichetă reală”, a spus Cademartiri.

Pentru mai multe informații:

Contactați-ne