作為世界上最大的快速消費(fèi)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(gè)人護(hù)理、家庭護(hù)理、營(yíng)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(gè)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(fèi)者的持續(xù)需求使競(jìng)爭(zhēng)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(gè)重要領(lǐng)域；有時(shí)，瓶子的設(shè)計(jì)和內(nèi)容物一樣，都會(huì)影響消費(fèi)者對(duì)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(duì)于“簡(jiǎn)單的”塑料瓶而言，從在電腦屏幕上進(jìn)行設(shè)計(jì)到在生產(chǎn)線上進(jìn)行灌裝，傳統(tǒng)上需要花費(fèi)數(shù)月時(shí)間。
“諸如聯(lián)合利華等消費(fèi)品公司必須盡快或搶在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之前進(jìn)入市場(chǎng)。并需要在最短的時(shí)間內(nèi)以最優(yōu)惠的價(jià)格向消費(fèi)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(jìn)程?！?/span>
Stefano Cademartiri
聯(lián)合利華 CAD 和原型制造負(fù)責(zé)人
了解聯(lián)合利華的 CAD 和原型制造負(fù)責(zé)人 Stefano Cademartiri 和?Serioplast 全球服務(wù)公司的研發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)理 Flavio Migliarelli 如何攜手合作，測(cè)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(diǎn)測(cè)試，將周轉(zhuǎn)時(shí)間縮短 6 周，成本降低 90%。
開發(fā)和測(cè)試新瓶子設(shè)計(jì)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(zhǎng)期以來(lái)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(shí)間非常短，通常在一到兩分鐘之間，并且對(duì)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(wàn)個(gè)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(gè)人護(hù)理市場(chǎng)包裝的主要合作伙伴之一?！拔覀兠磕晔褂?PET、HDPE 和 PP 材料生產(chǎn) 40 億個(gè)瓶子，”Migliarelli 說(shuō)道。
Serioplast 意大利研發(fā)機(jī)構(gòu)中的 Seriomac UNIX 4 型腔 SBM 機(jī)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(guò)吹塑成型制作原型模型。傳統(tǒng)上，3D 打印模型無(wú)法體現(xiàn)合適的觸感或透明度，同時(shí)可靠性較低，無(wú)法發(fā)送給消費(fèi)者。然而，通過(guò) SBM 制作生產(chǎn)級(jí)品質(zhì)的樣品部件需要使用昂貴的金屬模具，由于工藝復(fù)雜和模具生產(chǎn)外包需求，典型的試點(diǎn)測(cè)試階段中則因此增加了為期 6 到 9 周的周轉(zhuǎn)時(shí)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(jì)，我們就浪費(fèi)了數(shù)周時(shí)間。這些工作有時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也很令人沮喪，因?yàn)槟憧赡懿坏貌恢匦麻_始，”Migliarelli 說(shuō)道。
SBM 模具傳統(tǒng)上由金屬通過(guò) CNC 加工制成，此過(guò)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(yīng)商，周轉(zhuǎn)時(shí)間為 4 到 8 周，成本從 2000 美元到 10 萬(wàn)美元以上不等，具體取決于部件的復(fù)雜程度和每個(gè)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(shí)間，因?yàn)榇诉^(guò)程包括數(shù)個(gè)步驟：訂購(gòu)材料的周轉(zhuǎn)時(shí)間、CAM 和機(jī)器設(shè)置、手動(dòng)拋光以及等待機(jī)器可用的時(shí)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(diǎn)測(cè)試在經(jīng)濟(jì)上并不可行。聯(lián)合利華等公司不得不延長(zhǎng)計(jì)劃時(shí)間，并根據(jù)不同材料的外觀性原型做出最終設(shè)計(jì)決定，這往往導(dǎo)致模具過(guò)時(shí)和成本損失。
將吹塑瓶子成品的速度提高 70% 同時(shí)成本降低 90%
3D 打印是以低成本快速制作模具的強(qiáng)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(shí)間，讓制造商將更多時(shí)間投入高價(jià)值任務(wù)。通過(guò)內(nèi)部 3D 打印，制造商和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中引入快速模具制作，以便在過(guò)渡到大規(guī)模生產(chǎn)之前驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(shí)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(chǎng)。
對(duì)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(diǎn)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(jī) 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(shuō)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(shí)材料制作幾個(gè)瓶子來(lái)進(jìn)行測(cè)試?！?/span>
Rigid?10K?Resin?具備出色的強(qiáng)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(jí)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(fù)性高。
通過(guò)使用 Rigid?10K?Resin，Serioplast 制作了表面光滑的精密模具，能夠整合精細(xì)特征，包括 0.5mm 的小孔。他們使用拋光機(jī)或手工打磨進(jìn)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(shuō)道：“我們對(duì)模具的細(xì)節(jié)進(jìn)行了精確微調(diào)，特別是對(duì)于帶有一些徽標(biāo)或類似檸檬細(xì)節(jié)的瓶子，這需要很高的精度。Formlabs 機(jī)器和 Rigid?10K?Resin 為獲得極佳細(xì)節(jié)并將其轉(zhuǎn)移到瓶子成品上提供了可能性?！?/span>
使用 Rigid?10K?Resin 通過(guò) 3D 打印制造的模具經(jīng)過(guò)手動(dòng)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(shí)間。3D 打印模具可將開始試點(diǎn)測(cè)試的周轉(zhuǎn)時(shí)間從六周縮短到兩周，同時(shí)提供接近生產(chǎn)級(jí)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(jī)械進(jìn)行成型。此外，3D 打印模具還支持操作人員同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)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(jī)器上的外殼支架上。該團(tuán)隊(duì)可以使用與標(biāo)準(zhǔn)試模相同的工藝窗口，從而可靠地測(cè)試最終工藝。
“借助 3D 打印模具，我們就可以在吹塑機(jī)中放置的外殼支架內(nèi)使用標(biāo)準(zhǔn)布局。因此，我們?cè)谀＞咴O(shè)計(jì)上節(jié)省了大量時(shí)間，而且能夠非常輕松地管理 3D 打印計(jì)劃，”Migliarelli 說(shuō)。
200個(gè)生產(chǎn)單元????????????????? |
加工金屬模具?????????? ? ? ? ? ? ? ??????????????????? |
3D打印模具?????????????????????????????????????????????? |
設(shè)備 |
內(nèi)部CNC機(jī)器或者外包 |
使用Form 3L Rigid 10K 樹脂 |
試點(diǎn)測(cè)試周轉(zhuǎn)時(shí)間 |
6-8周 |
2周 |
模具制作成本 |
2500-10000 美元 |
500-1000 美元 |
“與標(biāo)準(zhǔn)模具相比，使用 3D 打印模具，我們可以節(jié)省多達(dá) 70% 的時(shí)間和 90% 的成本。過(guò)去，[客戶]僅為一個(gè)設(shè)計(jì)就需要等待長(zhǎng)達(dá) 12 周，而現(xiàn)在在相同的時(shí)間內(nèi)我們可以進(jìn)行五次設(shè)計(jì)。”
Flavio Migliarelli
Serioplast 全球服務(wù)公司研發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)理
使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行如此數(shù)量的測(cè)試幾乎不可能。他們需要針對(duì)每種設(shè)計(jì)投資金屬模具，卻無(wú)法獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)永遠(yuǎn)無(wú)法收回模具成本。
從客戶測(cè)試到啟動(dòng)生產(chǎn)線
3D 打印模具主要用于生產(chǎn)樣品部件，供消費(fèi)者測(cè)試。它們?cè)谟|感、外觀和使用方面都能代表最終產(chǎn)品，在消費(fèi)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(gè)瓶子實(shí)物，以便立即確定開發(fā)方法是否正確，或者是否需要進(jìn)行更改，以避免出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而造成更大的損失?！?/span>
Stefano Cademartiri
聯(lián)合利華 CAD 和原型制造負(fù)責(zé)人
使用 3D 打印模具生產(chǎn)的瓶子與通過(guò)傳統(tǒng)金屬模具工藝生產(chǎn)的最終產(chǎn)品幾乎別無(wú)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(cè)試的標(biāo)簽原型瓶。
模塊化模具的另一個(gè)用途是驗(yàn)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(guò)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(wú)法修改的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。Serioplast 團(tuán)隊(duì)希望了解這種庫(kù)存瓶坯的可用功能范圍。這有助于他們?cè)谕度肷a(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(biāo)準(zhǔn)試模相同。這非常好，因?yàn)槲覀兛梢詼y(cè)試最終的工藝窗口并觀察瓶子的變化。在此過(guò)程中，我們采用高達(dá) 30 巴的壓力。結(jié)果非常出色可靠。此外，我們還在 100°C 下對(duì)瓶坯進(jìn)行加熱，但這并未對(duì) 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(dá) 100、200 個(gè)瓶子。隨著時(shí)間的推移，我們的產(chǎn)量可以達(dá)到 1000 瓶，”Migliarelli 說(shuō)道。
快速生產(chǎn)模具的第三個(gè)用途是對(duì)生產(chǎn)線的某些方面進(jìn)行早期測(cè)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(duì)灌裝生產(chǎn)線進(jìn)行一些初步驗(yàn)證，如生產(chǎn)線的移動(dòng)、裝瓶機(jī)星輪的運(yùn)行、封蓋或機(jī)器人裝箱機(jī)的動(dòng)作。及早對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)試可使工廠提前準(zhǔn)備備件、為大規(guī)模生產(chǎn)做好準(zhǔn)備，并加快產(chǎn)品上市速度。
加速優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品上市
通過(guò)使用 Formlabs SLA 打印機(jī)和 Rigid?10K?Resin，聯(lián)合利華和 Serioplast 能夠?qū)⒅苻D(zhuǎn)時(shí)間縮短 70%，將模具成本降低 90%，僅用兩周時(shí)間就能試生產(chǎn) 200 個(gè)產(chǎn)品。
“Formlabs 是我們的出色合作伙伴，他們不僅銷售機(jī)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(shuō)道。
新的工作流程支持聯(lián)合利華更快地向市場(chǎng)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(fēng)險(xiǎn)和成本。
“3D 打印機(jī)給我們帶來(lái)的最大影響就是夢(mèng)想成真的可能性。只需要數(shù)周時(shí)間，電腦屏幕上的設(shè)計(jì)就會(huì)出現(xiàn)在你的手中。真實(shí)的產(chǎn)品、瓶子、瓶蓋和標(biāo)簽，”Cademartiri 說(shuō)。
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