作為世界上最大的快速消費品 (FMCG) 公司之一，聯(lián)合利華始終致力于開發(fā)新的日用產(chǎn)品，包括個人護理、家庭護理、營養(yǎng)品等等。鑒于該公司擁有多芬、家凈、Cif、Knorr、Axe (Lynx)、Ben & Jerry’s 以及數(shù)十個其他全球和本地品牌，現(xiàn)在您的家里就很可能有一種或多種聯(lián)合利華產(chǎn)品。
在快消行業(yè)，消費者的持續(xù)需求使競爭日益激烈，因此品牌必須不斷創(chuàng)新，調(diào)整產(chǎn)品戰(zhàn)略。包裝是創(chuàng)新的一個重要領(lǐng)域；有時，瓶子的設(shè)計和內(nèi)容物一樣，都會影響消費者對產(chǎn)品的感知。諸如聯(lián)合利華等品牌必須考慮多種包裝類型的材料使用、美觀性、安全性和可持續(xù)性及其所裝產(chǎn)品。但對于“簡單的”塑料瓶而言，從在電腦屏幕上進行設(shè)計到在生產(chǎn)線上進行灌裝，傳統(tǒng)上需要花費數(shù)月時間。
“諸如聯(lián)合利華等消費品公司必須盡快或搶在競爭對手之前進入市場。并需要在最短的時間內(nèi)以最優(yōu)惠的價格向消費者提供最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。3D 打印技術(shù)可以幫助我們加快這一進程。”
Stefano Cademartiri
聯(lián)合利華 CAD 和原型制造負責人
了解聯(lián)合利華的 CAD 和原型制造負責人 Stefano Cademartiri 和?Serioplast 全球服務(wù)公司的研發(fā)設(shè)計經(jīng)理 Flavio Migliarelli 如何攜手合作，測試 3D 打印模具在小批量拉伸吹塑成型中的可行性，以加快原型制造和試點測試，將周轉(zhuǎn)時間縮短 6 周，成本降低 90%。
開發(fā)和測試新瓶子設(shè)計的傳統(tǒng)工作流程
食品和飲料容器、化妝品包裝和醫(yī)療包裝等塑料產(chǎn)品最常見的生產(chǎn)方法是吹塑成型，該方法長期以來多用于快速批量生產(chǎn)高質(zhì)量薄壁部件。吹塑成型的周期時間非常短，通常在一到兩分鐘之間，并且對于大批量生產(chǎn)極具成本效益。該工藝通常用于以較低的單位成本生產(chǎn)數(shù)百萬個相同的部件。
的工作原理是在模具內(nèi)向受熱的塑料管（稱為型坯或瓶坯）中充氣，直至形成所需形狀。吹塑成型工藝有三種類型：擠出吹塑成型 (Extrusion Blow Molding, EBM)、注射吹塑成型 (Injection Blow Molding, IBM) 和拉伸吹塑成型 (Stretch Blow Molding, SBM)。SBM 通常用于生產(chǎn)高質(zhì)量的玻璃透明 PET 容器，如水瓶。
Serioplast 是快消品行業(yè)硬質(zhì)塑料包裝的全球生產(chǎn)商，也是聯(lián)合利華開發(fā)和生產(chǎn)家庭及個人護理市場包裝的主要合作伙伴之一。“我們每年使用 PET、HDPE 和 PP 材料生產(chǎn) 40 億個瓶子，”Migliarelli 說道。
Serioplast 意大利研發(fā)機構(gòu)中的 Seriomac UNIX 4 型腔 SBM 機器。他們與聯(lián)合利華共同開發(fā)了一種全新工作流程，用于在這種大型工業(yè)制造設(shè)備中使用 3D 打印模具。
通常情況下，Serioplast 可以選擇直接使用 3D 打印或通過吹塑成型制作原型模型。傳統(tǒng)上，3D 打印模型無法體現(xiàn)合適的觸感或透明度，同時可靠性較低，無法發(fā)送給消費者。然而，通過 SBM 制作生產(chǎn)級品質(zhì)的樣品部件需要使用昂貴的金屬模具，由于工藝復雜和模具生產(chǎn)外包需求，典型的試點測試階段中則因此增加了為期 6 到 9 周的周轉(zhuǎn)時間。
“我們必須等待 6 到 12 周才能為客戶提供真正的樣品，所以僅僅是為了嘗試瓶子的新設(shè)計，我們就浪費了數(shù)周時間。這些工作有時費時費力，也很令人沮喪，因為你可能不得不重新開始，”Migliarelli 說道。
SBM 模具傳統(tǒng)上由金屬通過 CNC 加工制成，此過程需要專業(yè)設(shè)備、CAM 軟件和熟練技術(shù)人員。金屬模具的生產(chǎn)一般外包給服務(wù)供應商，周轉(zhuǎn)時間為 4 到 8 周，成本從 2000 美元到 10 萬美元以上不等，具體取決于部件的復雜程度和每個模具制造的部件數(shù)量。即使是在公司內(nèi)部加工金屬模具，通常也需要 6 周時間，因為此過程包括數(shù)個步驟：訂購材料的周轉(zhuǎn)時間、CAM 和機器設(shè)置、手動拋光以及等待機器可用的時間。
因此，傳統(tǒng)上小批量吹塑成型部件用于原型制造和試點測試在經(jīng)濟上并不可行。聯(lián)合利華等公司不得不延長計劃時間，并根據(jù)不同材料的外觀性原型做出最終設(shè)計決定，這往往導致模具過時和成本損失。
將吹塑瓶子成品的速度提高 70% 同時成本降低 90%
3D 打印是以低成本快速制作模具的強大解決方案。該工藝所需設(shè)備極少、可以釋放 CNC 容量并節(jié)省技術(shù)操作人員的時間，讓制造商將更多時間投入高價值任務(wù)。通過內(nèi)部 3D 打印，制造商和產(chǎn)品設(shè)計師可以在產(chǎn)品開發(fā)過程中引入快速模具制作，以便在過渡到大規(guī)模生產(chǎn)之前驗證設(shè)計和制造步驟。3D 打印模具早已用于注射成型或熱壓成型等工藝中，可實現(xiàn)快速迭代、加快產(chǎn)品開發(fā)，并將更好的產(chǎn)品推向市場。
對于模具制作而言，立體光固化 (SLA) 3D 打印技術(shù)是很好的選擇。其特點是得到的打印模具表面光滑且精度高，可轉(zhuǎn)化成最終部件，而且便于脫模。大幅面 SLA 3D 打印機 Form?3L?緊湊小巧、適用于辦公室，卻可制作大型部件和模具。
清洗后，移除支撐結(jié)構(gòu)，后固化模具。
材料選擇是生產(chǎn)模具的關(guān)鍵。聯(lián)合利華和 Serioplast 需要一種既能承受 SBM 工藝的內(nèi)部壓力和溫度，又能維持良好的尺寸精度和穩(wěn)定性的材料。
Cademartiri 說道：“在 Formlabs 公司工程師的幫助下，我們確定了一種材料，這種材料可以讓我們使用真實材料制作幾個瓶子來進行測試?！?/span>
Rigid?10K?Resin?具備出色的強度、硬度和耐熱性，F(xiàn)ormlabs 推薦將其用于制造 SBM 模具。這是一種工業(yè)級高度玻璃填充材料，在 0.45MPa 條件下的熱變形溫度為 218°C，拉伸模量為 10000MPa，使用 Rigid?10K?Resin 打印的模具具有良好的尺寸穩(wěn)定性，適用于數(shù)百次吹塑成型，重復性高。
通過使用 Rigid?10K?Resin，Serioplast 制作了表面光滑的精密模具，能夠整合精細特征，包括 0.5mm 的小孔。他們使用拋光機或手工打磨進行后處理，以滿足關(guān)鍵尺寸要求。在模具型腔的 CAD 文件中加入了紋理表面。
Cademartiri 說道：“我們對模具的細節(jié)進行了精確微調(diào)，特別是對于帶有一些徽標或類似檸檬細節(jié)的瓶子，這需要很高的精度。Formlabs 機器和 Rigid?10K?Resin 為獲得極佳細節(jié)并將其轉(zhuǎn)移到瓶子成品上提供了可能性。”
使用 Rigid?10K?Resin 通過 3D 打印制造的模具經(jīng)過手動拋光，然后組裝到金屬框架中。
使用 SLA 3D 打印技術(shù)制作模具只需要兩天時間。3D 打印模具可將開始試點測試的周轉(zhuǎn)時間從六周縮短到兩周，同時提供接近生產(chǎn)級品質(zhì)的逼真試生產(chǎn)部件，并使用與最終生產(chǎn)單元相同的材料和機械進行成型。此外，3D 打印模具還支持操作人員同時對多個設(shè)計進行試點測試。
使用 Rigid?10K?Resin 經(jīng) 3D 打印制作的聯(lián)合利華 Slice 750mL 瓶子模具，安裝在機器上的外殼支架上。該團隊可以使用與標準試模相同的工藝窗口，從而可靠地測試最終工藝。
“借助 3D 打印模具，我們就可以在吹塑機中放置的外殼支架內(nèi)使用標準布局。因此，我們在模具設(shè)計上節(jié)省了大量時間，而且能夠非常輕松地管理 3D 打印計劃，”Migliarelli 說。
200個生產(chǎn)單元????????????????? |
加工金屬模具?????????? ? ? ? ? ? ? ??????????????????? |
3D打印模具?????????????????????????????????????????????? |
設(shè)備 |
內(nèi)部CNC機器或者外包 |
使用Form 3L Rigid 10K 樹脂 |
試點測試周轉(zhuǎn)時間 |
6-8周 |
2周 |
模具制作成本 |
2500-10000 美元 |
500-1000 美元 |
“與標準模具相比，使用 3D 打印模具，我們可以節(jié)省多達 70% 的時間和 90% 的成本。過去，[客戶]僅為一個設(shè)計就需要等待長達 12 周，而現(xiàn)在在相同的時間內(nèi)我們可以進行五次設(shè)計?！?/span>
Flavio Migliarelli
Serioplast 全球服務(wù)公司研發(fā)設(shè)計經(jīng)理
使用傳統(tǒng)方法進行如此數(shù)量的測試幾乎不可能。他們需要針對每種設(shè)計投資金屬模具，卻無法獲得規(guī)模經(jīng)濟效益，同時永遠無法收回模具成本。
從客戶測試到啟動生產(chǎn)線
3D 打印模具主要用于生產(chǎn)樣品部件，供消費者測試。它們在觸感、外觀和使用方面都能代表最終產(chǎn)品，在消費者眼中，它們就是真正的產(chǎn)品。
“在制作真正的模具之前，您可以先制作一個瓶子實物，以便立即確定開發(fā)方法是否正確，或者是否需要進行更改，以避免出現(xiàn)錯誤，從而造成更大的損失。”
Stefano Cademartiri
聯(lián)合利華 CAD 和原型制造負責人
使用 3D 打印模具生產(chǎn)的瓶子與通過傳統(tǒng)金屬模具工藝生產(chǎn)的最終產(chǎn)品幾乎別無二致。從左到右：使用 Rigid?10K?Resin 3D 打印的兩件式模具、使用 Rigid?10K?Resin 3D 打印模具生產(chǎn)的瓶子、使用金屬模具生產(chǎn)的瓶子，以及用于客戶測試的標簽原型瓶。
模塊化模具的另一個用途是驗證 SBM 工藝以及待吹塑的 PET 瓶坯，以便觀察工藝窗口、拉伸比和可行的材料分配。Serioplast 通過注射成型在內(nèi)部生產(chǎn)瓶坯。雖然有些瓶坯是為特定瓶子量身打造，但他們通常使用用戶無法修改的標準化產(chǎn)品。Serioplast 團隊希望了解這種庫存瓶坯的可用功能范圍。這有助于他們在投入生產(chǎn)之前確定給定瓶坯是否適合吹塑特定瓶子。
“我們使用的工藝窗口與標準試模相同。這非常好，因為我們可以測試最終的工藝窗口并觀察瓶子的變化。在此過程中，我們采用高達 30 巴的壓力。結(jié)果非常出色可靠。此外，我們還在 100°C 下對瓶坯進行加熱，但這并未對 3D 打印模具的型腔造成任何磨損。我們每天可以輕松生產(chǎn)多達 100、200 個瓶子。隨著時間的推移，我們的產(chǎn)量可以達到 1000 瓶，”Migliarelli 說道。
快速生產(chǎn)模具的第三個用途是對生產(chǎn)線的某些方面進行早期測試。由于使用 3D 打印模具成型的瓶子非常接近生產(chǎn)單元，因此可以用于對灌裝生產(chǎn)線進行一些初步驗證，如生產(chǎn)線的移動、裝瓶機星輪的運行、封蓋或機器人裝箱機的動作。及早對生產(chǎn)線進行試點測試可使工廠提前準備備件、為大規(guī)模生產(chǎn)做好準備，并加快產(chǎn)品上市速度。
加速優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品上市
通過使用 Formlabs SLA 打印機和 Rigid?10K?Resin，聯(lián)合利華和 Serioplast 能夠?qū)⒅苻D(zhuǎn)時間縮短 70%，將模具成本降低 90%，僅用兩周時間就能試生產(chǎn) 200 個產(chǎn)品。
“Formlabs 是我們的出色合作伙伴，他們不僅銷售機器，還支持我們了解這些材料的特性。這種合作伙伴關(guān)系有助于我們確定是否可以使用 3D 打印模具，”Cademartiri 說道。
新的工作流程支持聯(lián)合利華更快地向市場推出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，并大幅降低與開發(fā)包裝相關(guān)的風險和成本。
“3D 打印機給我們帶來的最大影響就是夢想成真的可能性。只需要數(shù)周時間，電腦屏幕上的設(shè)計就會出現(xiàn)在你的手中。真實的產(chǎn)品、瓶子、瓶蓋和標簽，”Cademartiri 說。
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