聯合利華與Serioplast利用3D列印共創包裝瓶開發、製作新模式
- 分類:應用項目
- 發佈時間:2024-05-28 11:03
- 訪問量:
【概要描述】聯合利華與全球硬包裝生產商Serioplast 攜手利用Formlabs的3D列印技術,對傳統塑膠瓶的設計、開發與測試流程進行了革新。此舉不僅簡化了原型製作和試生產的流程,還將前期工期大幅縮短,降低了高達90%的成本,讓快消品公司能夠以更短的時間和更優惠的價格,為消費者提供更加優質的產品。
作為全球最大的快速消費品 (FMCG) 公司之一,聯合利華一直專注於研發各類日用新品,涵蓋個人護理、家庭護理以及營養品等多個領域。該公司現目前擁有多芬、家淨、Cif、Knorr、Axe (Lynx)、Ben & Jerry’s 以及其他多個享譽全球及本地的品牌,已經在不知不覺中進入到了大多數人的日常生活中。
在快消行業,消費者的需求持續不斷,競爭也隨之日益加劇。因此,品牌需要不斷創新,靈活調整產品戰略。包裝作為創新的關鍵一環,其重要性不言而喻。例如,一個瓶子的外觀設計,有時甚至能和產品內容本身一樣,影響著消費者的選擇和感受。對於像聯合利華這樣全球領先的快消品牌而言,包裝的材料使用、美觀性、安全性和可持續性都是必須考慮的因素。因此,一個看似簡單的塑膠瓶從設計初稿到生產線灌裝,傳統流程往往需要數月之久。
“為了搶佔市場先機,諸如聯合利華等消費品公司需要在最短的時間內,以更優惠的價格向消費者提供更優質的產品。而3D列印技術,就是我們在實現這一目標的得力助手。”
——卡德馬蒂裏,聯合利華 CAD 和原型製造負責人
聯合利華的 CAD 和原型製造負責人斯特凡諾·卡德馬蒂裏(音譯,Stefano Cademartiri)與 Serioplast全球服務公司的研發設計經理弗拉維奧·米利亞雷利(音譯,Flavio Migliarelli) 攜手合作,共同探索 3D 列印模具在小批量拉伸吹塑成型中的可行性。通過採用Formlabs的3D列印技術,他們簡化了原型製作和試生產的流程,生產週期縮短了 6 周,成本降低了高達 90%。
傳統工作流程:高成本耗時長
塑膠產品,如食品與飲料容器、化妝品包裝以及醫療包裝等,普遍採用吹塑成型技術作為主要的生產方式。這種方法長期以來被廣泛應用於迅速且批量地製造高品質的薄壁部件。它的生產週期短,通常僅需一到兩分鐘。同時該工藝對於大批量生產而言,具有極高的成本效益,能夠以較低的單位成本製造出數百萬個相同的部件。
吹塑的工作原理是在模具內向受熱的塑膠管(稱為型坯或瓶坯)中充氣,使其膨脹至所需的形狀。吹塑成型工藝主要分為三種類型: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,以下簡稱為SBM)。SBM通常用於生產如水瓶等高質量的玻璃透明 PET 容器。
Serioplast是全球快消品行業中硬質塑膠包裝的重要生產商,同時也是聯合利華在家庭及個人護理市場包裝領域的重要合作夥伴之一。公司高層米利亞雷利透露:“我們每年都會採用PET、HDPE及PP等材料,生產出高達40億個瓶子。”
Serioplast 義大利研發機構中的 Seriomac UNIX 4 型腔 SBM 機器。他們與聯合利華共同開發了一種全新工作流程,用於在這種大型工業製造設備中使用3D列印模具。
通常情況下,Serioplast 會選擇直接使用 3D 列印或吹塑成型技術來製作原型模型。但傳統3D 列印模型在觸感和透明度上往往不盡人意,同時其可靠性也相對較低,並不適合直接呈現給消費者。然而,若採用SBM技術製作生產級別的樣品部件,又需要使用價格高昂的金屬模具。由於工藝複雜和模具生產外包需求,試點測試階段將會增加6 到 9 周的周轉時間。
米利亞雷利坦言:“我們往往需要等待6到12周才能為客戶提供真正的樣品。這意味著,我們會耗費數周時間,僅僅只為了試驗一個新的瓶子設計,這樣的工作流程既耗時又費力,有時結果也會令人很沮喪,因為可能會面臨需要重頭開始的情況。”
SBM 模具傳統上由金屬通過 CNC 加工製成。這個過程不僅需要專業設備和CAM 軟體,還離不開技術熟練的操作人員。一般來說,金屬模具的製作會交給專業的服務商來完成。製作週期大約需要4到8周,而成本則從2000美元到10萬美元以上不等,具體取決於部件的複雜程度和模具所能製造的部件數量。即使是在公司內部自行加工金屬模具,通常也需要 6 周時間,因為這其中包含了許多環節,比如訂購材料的周轉時間、CAM和機器設置、手動拋光,還有機器等待時間。
因此,傳統上小批量吹塑成型部件用於原型製造和試點測試從經濟層面來說並不可行。像聯合利華這樣的快消品公司也不得不延長計畫時間,並根據不同材料的外觀性原型做出最終的設計決定。但這樣的做法,往往會導致模具過時,造成不必要的成本損失。
3D列印製作模具:實現降本增效
在這種情況下,3D列印技術為低成本且快速製作模具提供了強大的解決方案。這項技術所需設備少,能夠釋放 CNC 容量並節省技術操作人員的時間,讓製造商可以將更多精力投入到其他高價值任務中。通過內部3D列印,製造商和產品設計師在產品開發階段引入快速模具製作,從而在產品進入大規模生產前驗證設計和製造流程。3D列印模具早已廣泛應用於注塑成型或熱壓成型等工藝中,它不僅可實現快速迭代、加快產品開發,還有助於將更優質的產品推向市場。
在模具製作領域,立體光固化(SLA)3D列印技術備受推崇。光固化技術列印出的模具表面光滑且精度高,不僅可以輕鬆轉化為最終產品部件,並且脫模方便。值得一提的是,像Form 3L 這樣的大幅面光固化3D印表機,儘管體積小巧、適合辦公室使用,但卻能列印出大型部件和模具,實用性極高。
在 Form 3L 中使用剛性10K樹脂列印的 3D 列印模具。
清洗後,移除支撐結構,後固化模具。
材料選擇是生產模具的關鍵。聯合利華和 Serioplast 需要找到一種既能承受 SBM 工藝的內部壓力和高溫,又能維持良好的尺寸精度和穩定性的材料。
卡德馬蒂裏表示:“在 Formlabs工程師的幫助下,我們終於鎖定了一種理想材料,並用它製造了幾個測試使用的瓶子。”
Formlabs推薦的材料正是剛性10K樹脂(Rigid 10K Resin),以其出色的強度、硬度和耐熱性脫穎而出,非常適合SBM模具的製造。這種工業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。利用剛性10K樹脂列印的模具尺寸穩定,能承受數百次的吹塑成型,且每次成型的結果都高度一致。
通過使用剛性10K樹脂,Serioplast 製作了表面光滑的精密模具,能夠整合精細特徵,包括 0.5mm 的小孔。他們使用拋光機或手工打磨進行後處理,以滿足關鍵尺寸要求。在模具型腔的 CAD 檔中加入了紋理表面。
卡德馬蒂裏說道:“我們對模具進行了精細調整,特別是那些帶有徽標或類似檸檬紋理的瓶子,對精度的要求極高。幸運的是,Formlabs的列印設備配合剛性10K樹脂,讓我們能夠捕捉到精巧細節,並將其準確地呈現在最終的瓶子上。”
使用剛性10K樹脂、通過 3D 列印製造的模具經過手動拋光,然後組裝到金屬框架中。
採用光固化3D 列印技術製作模具僅需要兩天時間。這一技術使得試點測試的週期大幅縮短,從原先的六周壓縮至兩周。同時,這些3D列印的模具能製造出接近生產標準的試生產部件,並使用與最終生產單元相同的材料和機械進行成型。此外,3D 列印模具還支持操作人員同時對多個設計進行試點測試。
使用剛性10K樹脂經 3D 列印製作的聯合利華 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,從而測試最終工藝。
“利用3D列印技術製作的模具,我們就可以在吹塑機中放置的外殼支架內使用標準佈局。這樣,我們不僅在模具設計上節省了大量時間,還能更輕鬆地管理3D列印的流程。” 米利亞雷利說道。
200 个生产单元
加工金属模具
3D 打印模具
Equipment
内部 CNC 机器或外包
Form 3L
Rigid 10K Resin
试点测试周转时间
6-8 周
2 周
模具制作成本
2500-10000 美元
500-1000 美元
若採用傳統方法進行如此大規模的測試,幾乎是不可能實現的。因為這意味著需要為每一種設計都投入資金製作金屬模具,卻無法從中獲得規模經濟效益,且幾乎無法收回模具成本。
“與標準模具相比,我們使用3D列印模具,能夠省下高達70%的時間和90%的成本。過去,客戶僅為一個新的設計就需要等待長達 12 周。然而如今,在相同的時間段內,我們已能高效完成五次設計。”
——米利亞雷利,Serioplast 全球服務公司研發設計經理
從客戶測試到生產線啟動
3D列印的模具主要是用來生產樣品部件,供消費者們進行測試。這些樣品部件無論是在觸感、外觀和使用方面都能代表最終產品。因此,對於消費者來說,樣品就等於是真正的產品。
“在打造最終的模具之前,我們可以先製作一個瓶子樣品,以便迅速檢驗開發方式是否正確,或者在需要調整時及時更改,避免出現錯誤,從而造成更大的損失。”
——卡德馬蒂裏,聯合利華 CAD 和原型製造負責人
使用 3D 列印模具生產的瓶子與通過傳統金屬模具工藝生產的最終產品幾乎別無二致。從左到右:使用剛性10K樹脂3D 列印的兩件式模具、使用 剛性10K樹脂3D 列印模具生產的瓶子、使用金屬模具生產的瓶子,以及用於客戶測試的標籤原型瓶。
模組化模具其中一個用途是驗證 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 通過注射成型在內部生產瓶坯。雖然有些瓶坯是為特定瓶子量身打造,但他們通常使用無法修改的標準化產品。Serioplast 團隊希望深入瞭解這些庫存瓶坯的可用功能範圍,這將有助於他們在投入生產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一致。通過這樣,我們就可以測試出最終的工藝窗口,同時觀察瓶子的變化。在這個過程中,我們施加了高達 30 巴的壓力,效果非常顯著且穩定。此外,我們還嘗試了在100°C 下對瓶坯進行加熱,但這也並未對我們的3D列印模具的型腔造成任何磨損。目前,我們每天能輕鬆產出多達 100到200 個瓶子。隨著時間的推移,未來我們的產量有望達到 1000 瓶。” 米利亞雷利介紹道。
快速生產模具的另一個用途是對生產線特定環節進行早期測試。由於使用 3D 列印模具成型的瓶子非常接近生產單元,因此可以用於對灌裝生產線進行一些初步驗證,如生產線的流動性、裝瓶機星輪的運行狀況、以及封蓋或機器人裝箱機等動作。提前對生產線進行試點測試,工廠就能預先備好所需備件,為大規模生產做好準備,加快產品上市速度。
Formlabs賦能,助力優質產品上市
聯合利華攜手Serioplast,憑藉Formlabs的光固化印表機與剛性10K樹脂材料,成功將生產週期縮減了70%,模具成本大幅降低了90%,並且僅在兩周內就能試生產200個產品。
“Formlabs 是我們的出色合作夥伴,為我們提供了高品質的列印設備,還協助我們瞭
聯合利華與Serioplast利用3D列印共創包裝瓶開發、製作新模式
【概要描述】聯合利華與全球硬包裝生產商Serioplast 攜手利用Formlabs的3D列印技術,對傳統塑膠瓶的設計、開發與測試流程進行了革新。此舉不僅簡化了原型製作和試生產的流程,還將前期工期大幅縮短,降低了高達90%的成本,讓快消品公司能夠以更短的時間和更優惠的價格,為消費者提供更加優質的產品。
作為全球最大的快速消費品 (FMCG) 公司之一,聯合利華一直專注於研發各類日用新品,涵蓋個人護理、家庭護理以及營養品等多個領域。該公司現目前擁有多芬、家淨、Cif、Knorr、Axe (Lynx)、Ben & Jerry’s 以及其他多個享譽全球及本地的品牌,已經在不知不覺中進入到了大多數人的日常生活中。
在快消行業,消費者的需求持續不斷,競爭也隨之日益加劇。因此,品牌需要不斷創新,靈活調整產品戰略。包裝作為創新的關鍵一環,其重要性不言而喻。例如,一個瓶子的外觀設計,有時甚至能和產品內容本身一樣,影響著消費者的選擇和感受。對於像聯合利華這樣全球領先的快消品牌而言,包裝的材料使用、美觀性、安全性和可持續性都是必須考慮的因素。因此,一個看似簡單的塑膠瓶從設計初稿到生產線灌裝,傳統流程往往需要數月之久。
“為了搶佔市場先機,諸如聯合利華等消費品公司需要在最短的時間內,以更優惠的價格向消費者提供更優質的產品。而3D列印技術,就是我們在實現這一目標的得力助手。”
——卡德馬蒂裏,聯合利華 CAD 和原型製造負責人
聯合利華的 CAD 和原型製造負責人斯特凡諾·卡德馬蒂裏(音譯,Stefano Cademartiri)與 Serioplast全球服務公司的研發設計經理弗拉維奧·米利亞雷利(音譯,Flavio Migliarelli) 攜手合作,共同探索 3D 列印模具在小批量拉伸吹塑成型中的可行性。通過採用Formlabs的3D列印技術,他們簡化了原型製作和試生產的流程,生產週期縮短了 6 周,成本降低了高達 90%。
傳統工作流程:高成本耗時長
塑膠產品,如食品與飲料容器、化妝品包裝以及醫療包裝等,普遍採用吹塑成型技術作為主要的生產方式。這種方法長期以來被廣泛應用於迅速且批量地製造高品質的薄壁部件。它的生產週期短,通常僅需一到兩分鐘。同時該工藝對於大批量生產而言,具有極高的成本效益,能夠以較低的單位成本製造出數百萬個相同的部件。
吹塑的工作原理是在模具內向受熱的塑膠管(稱為型坯或瓶坯)中充氣,使其膨脹至所需的形狀。吹塑成型工藝主要分為三種類型: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,以下簡稱為SBM)。SBM通常用於生產如水瓶等高質量的玻璃透明 PET 容器。
Serioplast是全球快消品行業中硬質塑膠包裝的重要生產商,同時也是聯合利華在家庭及個人護理市場包裝領域的重要合作夥伴之一。公司高層米利亞雷利透露:“我們每年都會採用PET、HDPE及PP等材料,生產出高達40億個瓶子。”
Serioplast 義大利研發機構中的 Seriomac UNIX 4 型腔 SBM 機器。他們與聯合利華共同開發了一種全新工作流程,用於在這種大型工業製造設備中使用3D列印模具。
通常情況下,Serioplast 會選擇直接使用 3D 列印或吹塑成型技術來製作原型模型。但傳統3D 列印模型在觸感和透明度上往往不盡人意,同時其可靠性也相對較低,並不適合直接呈現給消費者。然而,若採用SBM技術製作生產級別的樣品部件,又需要使用價格高昂的金屬模具。由於工藝複雜和模具生產外包需求,試點測試階段將會增加6 到 9 周的周轉時間。
米利亞雷利坦言:“我們往往需要等待6到12周才能為客戶提供真正的樣品。這意味著,我們會耗費數周時間,僅僅只為了試驗一個新的瓶子設計,這樣的工作流程既耗時又費力,有時結果也會令人很沮喪,因為可能會面臨需要重頭開始的情況。”
SBM 模具傳統上由金屬通過 CNC 加工製成。這個過程不僅需要專業設備和CAM 軟體,還離不開技術熟練的操作人員。一般來說,金屬模具的製作會交給專業的服務商來完成。製作週期大約需要4到8周,而成本則從2000美元到10萬美元以上不等,具體取決於部件的複雜程度和模具所能製造的部件數量。即使是在公司內部自行加工金屬模具,通常也需要 6 周時間,因為這其中包含了許多環節,比如訂購材料的周轉時間、CAM和機器設置、手動拋光,還有機器等待時間。
因此,傳統上小批量吹塑成型部件用於原型製造和試點測試從經濟層面來說並不可行。像聯合利華這樣的快消品公司也不得不延長計畫時間,並根據不同材料的外觀性原型做出最終的設計決定。但這樣的做法,往往會導致模具過時,造成不必要的成本損失。
3D列印製作模具:實現降本增效
在這種情況下,3D列印技術為低成本且快速製作模具提供了強大的解決方案。這項技術所需設備少,能夠釋放 CNC 容量並節省技術操作人員的時間,讓製造商可以將更多精力投入到其他高價值任務中。通過內部3D列印,製造商和產品設計師在產品開發階段引入快速模具製作,從而在產品進入大規模生產前驗證設計和製造流程。3D列印模具早已廣泛應用於注塑成型或熱壓成型等工藝中,它不僅可實現快速迭代、加快產品開發,還有助於將更優質的產品推向市場。
在模具製作領域,立體光固化(SLA)3D列印技術備受推崇。光固化技術列印出的模具表面光滑且精度高,不僅可以輕鬆轉化為最終產品部件,並且脫模方便。值得一提的是,像Form 3L 這樣的大幅面光固化3D印表機,儘管體積小巧、適合辦公室使用,但卻能列印出大型部件和模具,實用性極高。
在 Form 3L 中使用剛性10K樹脂列印的 3D 列印模具。
清洗後,移除支撐結構,後固化模具。
材料選擇是生產模具的關鍵。聯合利華和 Serioplast 需要找到一種既能承受 SBM 工藝的內部壓力和高溫,又能維持良好的尺寸精度和穩定性的材料。
卡德馬蒂裏表示:“在 Formlabs工程師的幫助下,我們終於鎖定了一種理想材料,並用它製造了幾個測試使用的瓶子。”
Formlabs推薦的材料正是剛性10K樹脂(Rigid 10K Resin),以其出色的強度、硬度和耐熱性脫穎而出,非常適合SBM模具的製造。這種工業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。利用剛性10K樹脂列印的模具尺寸穩定,能承受數百次的吹塑成型,且每次成型的結果都高度一致。
通過使用剛性10K樹脂,Serioplast 製作了表面光滑的精密模具,能夠整合精細特徵,包括 0.5mm 的小孔。他們使用拋光機或手工打磨進行後處理,以滿足關鍵尺寸要求。在模具型腔的 CAD 檔中加入了紋理表面。
卡德馬蒂裏說道:“我們對模具進行了精細調整,特別是那些帶有徽標或類似檸檬紋理的瓶子,對精度的要求極高。幸運的是,Formlabs的列印設備配合剛性10K樹脂,讓我們能夠捕捉到精巧細節,並將其準確地呈現在最終的瓶子上。”
使用剛性10K樹脂、通過 3D 列印製造的模具經過手動拋光,然後組裝到金屬框架中。
採用光固化3D 列印技術製作模具僅需要兩天時間。這一技術使得試點測試的週期大幅縮短,從原先的六周壓縮至兩周。同時,這些3D列印的模具能製造出接近生產標準的試生產部件,並使用與最終生產單元相同的材料和機械進行成型。此外,3D 列印模具還支持操作人員同時對多個設計進行試點測試。
使用剛性10K樹脂經 3D 列印製作的聯合利華 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,從而測試最終工藝。
“利用3D列印技術製作的模具,我們就可以在吹塑機中放置的外殼支架內使用標準佈局。這樣,我們不僅在模具設計上節省了大量時間,還能更輕鬆地管理3D列印的流程。” 米利亞雷利說道。
200 个生产单元
加工金属模具
3D 打印模具
Equipment
内部 CNC 机器或外包
Form 3L
Rigid 10K Resin
试点测试周转时间
6-8 周
2 周
模具制作成本
2500-10000 美元
500-1000 美元
若採用傳統方法進行如此大規模的測試,幾乎是不可能實現的。因為這意味著需要為每一種設計都投入資金製作金屬模具,卻無法從中獲得規模經濟效益,且幾乎無法收回模具成本。
“與標準模具相比,我們使用3D列印模具,能夠省下高達70%的時間和90%的成本。過去,客戶僅為一個新的設計就需要等待長達 12 周。然而如今,在相同的時間段內,我們已能高效完成五次設計。”
——米利亞雷利,Serioplast 全球服務公司研發設計經理
從客戶測試到生產線啟動
3D列印的模具主要是用來生產樣品部件,供消費者們進行測試。這些樣品部件無論是在觸感、外觀和使用方面都能代表最終產品。因此,對於消費者來說,樣品就等於是真正的產品。
“在打造最終的模具之前,我們可以先製作一個瓶子樣品,以便迅速檢驗開發方式是否正確,或者在需要調整時及時更改,避免出現錯誤,從而造成更大的損失。”
——卡德馬蒂裏,聯合利華 CAD 和原型製造負責人
使用 3D 列印模具生產的瓶子與通過傳統金屬模具工藝生產的最終產品幾乎別無二致。從左到右:使用剛性10K樹脂3D 列印的兩件式模具、使用 剛性10K樹脂3D 列印模具生產的瓶子、使用金屬模具生產的瓶子,以及用於客戶測試的標籤原型瓶。
模組化模具其中一個用途是驗證 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 通過注射成型在內部生產瓶坯。雖然有些瓶坯是為特定瓶子量身打造,但他們通常使用無法修改的標準化產品。Serioplast 團隊希望深入瞭解這些庫存瓶坯的可用功能範圍,這將有助於他們在投入生產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一致。通過這樣,我們就可以測試出最終的工藝窗口,同時觀察瓶子的變化。在這個過程中,我們施加了高達 30 巴的壓力,效果非常顯著且穩定。此外,我們還嘗試了在100°C 下對瓶坯進行加熱,但這也並未對我們的3D列印模具的型腔造成任何磨損。目前,我們每天能輕鬆產出多達 100到200 個瓶子。隨著時間的推移,未來我們的產量有望達到 1000 瓶。” 米利亞雷利介紹道。
快速生產模具的另一個用途是對生產線特定環節進行早期測試。由於使用 3D 列印模具成型的瓶子非常接近生產單元,因此可以用於對灌裝生產線進行一些初步驗證,如生產線的流動性、裝瓶機星輪的運行狀況、以及封蓋或機器人裝箱機等動作。提前對生產線進行試點測試,工廠就能預先備好所需備件,為大規模生產做好準備,加快產品上市速度。
Formlabs賦能,助力優質產品上市
聯合利華攜手Serioplast,憑藉Formlabs的光固化印表機與剛性10K樹脂材料,成功將生產週期縮減了70%,模具成本大幅降低了90%,並且僅在兩周內就能試生產200個產品。
“Formlabs 是我們的出色合作夥伴,為我們提供了高品質的列印設備,還協助我們瞭
- 分類:應用項目
- 發佈時間:2024-05-28 11:03
- 訪問量:
聯合利華與全球硬包裝生產商Serioplast 攜手利用Formlabs的3D列印技術,對傳統塑膠瓶的設計、開發與測試流程進行了革新。此舉不僅簡化了原型製作和試生產的流程,還將前期工期大幅縮短,降低了高達90%的成本,讓快消品公司能夠以更短的時間和更優惠的價格,為消費者提供更加優質的產品。
作為全球最大的快速消費品 (FMCG) 公司之一,聯合利華一直專注於研發各類日用新品,涵蓋個人護理、家庭護理以及營養品等多個領域。該公司現目前擁有多芬、家淨、Cif、Knorr、Axe (Lynx)、Ben & Jerry’s 以及其他多個享譽全球及本地的品牌,已經在不知不覺中進入到了大多數人的日常生活中。
在快消行業,消費者的需求持續不斷,競爭也隨之日益加劇。因此,品牌需要不斷創新,靈活調整產品戰略。包裝作為創新的關鍵一環,其重要性不言而喻。例如,一個瓶子的外觀設計,有時甚至能和產品內容本身一樣,影響著消費者的選擇和感受。對於像聯合利華這樣全球領先的快消品牌而言,包裝的材料使用、美觀性、安全性和可持續性都是必須考慮的因素。因此,一個看似簡單的塑膠瓶從設計初稿到生產線灌裝,傳統流程往往需要數月之久。
“為了搶佔市場先機,諸如聯合利華等消費品公司需要在最短的時間內,以更優惠的價格向消費者提供更優質的產品。而3D列印技術,就是我們在實現這一目標的得力助手。”
——卡德馬蒂裏,聯合利華 CAD 和原型製造負責人
聯合利華的 CAD 和原型製造負責人斯特凡諾·卡德馬蒂裏(音譯,Stefano Cademartiri)與 Serioplast全球服務公司的研發設計經理弗拉維奧·米利亞雷利(音譯,Flavio Migliarelli) 攜手合作,共同探索 3D 列印模具在小批量拉伸吹塑成型中的可行性。通過採用Formlabs的3D列印技術,他們簡化了原型製作和試生產的流程,生產週期縮短了 6 周,成本降低了高達 90%。
傳統工作流程:高成本耗時長
塑膠產品,如食品與飲料容器、化妝品包裝以及醫療包裝等,普遍採用吹塑成型技術作為主要的生產方式。這種方法長期以來被廣泛應用於迅速且批量地製造高品質的薄壁部件。它的生產週期短,通常僅需一到兩分鐘。同時該工藝對於大批量生產而言,具有極高的成本效益,能夠以較低的單位成本製造出數百萬個相同的部件。
吹塑的工作原理是在模具內向受熱的塑膠管(稱為型坯或瓶坯)中充氣,使其膨脹至所需的形狀。吹塑成型工藝主要分為三種類型: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,以下簡稱為SBM)。SBM通常用於生產如水瓶等高質量的玻璃透明 PET 容器。
Serioplast是全球快消品行業中硬質塑膠包裝的重要生產商,同時也是聯合利華在家庭及個人護理市場包裝領域的重要合作夥伴之一。公司高層米利亞雷利透露:“我們每年都會採用PET、HDPE及PP等材料,生產出高達40億個瓶子。”
Serioplast 義大利研發機構中的 Seriomac UNIX 4 型腔 SBM 機器。他們與聯合利華共同開發了一種全新工作流程,用於在這種大型工業製造設備中使用3D列印模具。
通常情況下,Serioplast 會選擇直接使用 3D 列印或吹塑成型技術來製作原型模型。但傳統3D 列印模型在觸感和透明度上往往不盡人意,同時其可靠性也相對較低,並不適合直接呈現給消費者。然而,若採用SBM技術製作生產級別的樣品部件,又需要使用價格高昂的金屬模具。由於工藝複雜和模具生產外包需求,試點測試階段將會增加6 到 9 周的周轉時間。
米利亞雷利坦言:“我們往往需要等待6到12周才能為客戶提供真正的樣品。這意味著,我們會耗費數周時間,僅僅只為了試驗一個新的瓶子設計,這樣的工作流程既耗時又費力,有時結果也會令人很沮喪,因為可能會面臨需要重頭開始的情況。”
SBM 模具傳統上由金屬通過 CNC 加工製成。這個過程不僅需要專業設備和CAM 軟體,還離不開技術熟練的操作人員。一般來說,金屬模具的製作會交給專業的服務商來完成。製作週期大約需要4到8周,而成本則從2000美元到10萬美元以上不等,具體取決於部件的複雜程度和模具所能製造的部件數量。即使是在公司內部自行加工金屬模具,通常也需要 6 周時間,因為這其中包含了許多環節,比如訂購材料的周轉時間、CAM和機器設置、手動拋光,還有機器等待時間。
因此,傳統上小批量吹塑成型部件用於原型製造和試點測試從經濟層面來說並不可行。像聯合利華這樣的快消品公司也不得不延長計畫時間,並根據不同材料的外觀性原型做出最終的設計決定。但這樣的做法,往往會導致模具過時,造成不必要的成本損失。
3D列印製作模具:實現降本增效
在這種情況下,3D列印技術為低成本且快速製作模具提供了強大的解決方案。這項技術所需設備少,能夠釋放 CNC 容量並節省技術操作人員的時間,讓製造商可以將更多精力投入到其他高價值任務中。通過內部3D列印,製造商和產品設計師在產品開發階段引入快速模具製作,從而在產品進入大規模生產前驗證設計和製造流程。3D列印模具早已廣泛應用於注塑成型或熱壓成型等工藝中,它不僅可實現快速迭代、加快產品開發,還有助於將更優質的產品推向市場。
在模具製作領域,立體光固化(SLA)3D列印技術備受推崇。光固化技術列印出的模具表面光滑且精度高,不僅可以輕鬆轉化為最終產品部件,並且脫模方便。值得一提的是,像Form 3L 這樣的大幅面光固化3D印表機,儘管體積小巧、適合辦公室使用,但卻能列印出大型部件和模具,實用性極高。
在 Form 3L 中使用剛性10K樹脂列印的 3D 列印模具。
清洗後,移除支撐結構,後固化模具。
材料選擇是生產模具的關鍵。聯合利華和 Serioplast 需要找到一種既能承受 SBM 工藝的內部壓力和高溫,又能維持良好的尺寸精度和穩定性的材料。
卡德馬蒂裏表示:“在 Formlabs工程師的幫助下,我們終於鎖定了一種理想材料,並用它製造了幾個測試使用的瓶子。”
Formlabs推薦的材料正是剛性10K樹脂(Rigid 10K Resin),以其出色的強度、硬度和耐熱性脫穎而出,非常適合SBM模具的製造。這種工業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。利用剛性10K樹脂列印的模具尺寸穩定,能承受數百次的吹塑成型,且每次成型的結果都高度一致。
通過使用剛性10K樹脂,Serioplast 製作了表面光滑的精密模具,能夠整合精細特徵,包括 0.5mm 的小孔。他們使用拋光機或手工打磨進行後處理,以滿足關鍵尺寸要求。在模具型腔的 CAD 檔中加入了紋理表面。
卡德馬蒂裏說道:“我們對模具進行了精細調整,特別是那些帶有徽標或類似檸檬紋理的瓶子,對精度的要求極高。幸運的是,Formlabs的列印設備配合剛性10K樹脂,讓我們能夠捕捉到精巧細節,並將其準確地呈現在最終的瓶子上。”
使用剛性10K樹脂、通過 3D 列印製造的模具經過手動拋光,然後組裝到金屬框架中。
採用光固化3D 列印技術製作模具僅需要兩天時間。這一技術使得試點測試的週期大幅縮短,從原先的六周壓縮至兩周。同時,這些3D列印的模具能製造出接近生產標準的試生產部件,並使用與最終生產單元相同的材料和機械進行成型。此外,3D 列印模具還支持操作人員同時對多個設計進行試點測試。
使用剛性10K樹脂經 3D 列印製作的聯合利華 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,從而測試最終工藝。
“利用3D列印技術製作的模具,我們就可以在吹塑機中放置的外殼支架內使用標準佈局。這樣,我們不僅在模具設計上節省了大量時間,還能更輕鬆地管理3D列印的流程。” 米利亞雷利說道。
200 个生产单元 |
加工金属模具 |
3D 打印模具 |
Equipment |
内部 CNC 机器或外包 |
Form 3L |
Rigid 10K Resin |
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试点测试周转时间 |
6-8 周 |
2 周 |
模具制作成本 |
2500-10000 美元 |
500-1000 美元 |
若採用傳統方法進行如此大規模的測試,幾乎是不可能實現的。因為這意味著需要為每一種設計都投入資金製作金屬模具,卻無法從中獲得規模經濟效益,且幾乎無法收回模具成本。
“與標準模具相比,我們使用3D列印模具,能夠省下高達70%的時間和90%的成本。過去,客戶僅為一個新的設計就需要等待長達 12 周。然而如今,在相同的時間段內,我們已能高效完成五次設計。”
——米利亞雷利,Serioplast 全球服務公司研發設計經理
從客戶測試到生產線啟動
3D列印的模具主要是用來生產樣品部件,供消費者們進行測試。這些樣品部件無論是在觸感、外觀和使用方面都能代表最終產品。因此,對於消費者來說,樣品就等於是真正的產品。
“在打造最終的模具之前,我們可以先製作一個瓶子樣品,以便迅速檢驗開發方式是否正確,或者在需要調整時及時更改,避免出現錯誤,從而造成更大的損失。”
——卡德馬蒂裏,聯合利華 CAD 和原型製造負責人
使用 3D 列印模具生產的瓶子與通過傳統金屬模具工藝生產的最終產品幾乎別無二致。從左到右:使用剛性10K樹脂3D 列印的兩件式模具、使用 剛性10K樹脂3D 列印模具生產的瓶子、使用金屬模具生產的瓶子,以及用於客戶測試的標籤原型瓶。
模組化模具其中一個用途是驗證 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 通過注射成型在內部生產瓶坯。雖然有些瓶坯是為特定瓶子量身打造,但他們通常使用無法修改的標準化產品。Serioplast 團隊希望深入瞭解這些庫存瓶坯的可用功能範圍,這將有助於他們在投入生產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一致。通過這樣,我們就可以測試出最終的工藝窗口,同時觀察瓶子的變化。在這個過程中,我們施加了高達 30 巴的壓力,效果非常顯著且穩定。此外,我們還嘗試了在100°C 下對瓶坯進行加熱,但這也並未對我們的3D列印模具的型腔造成任何磨損。目前,我們每天能輕鬆產出多達 100到200 個瓶子。隨著時間的推移,未來我們的產量有望達到 1000 瓶。” 米利亞雷利介紹道。
快速生產模具的另一個用途是對生產線特定環節進行早期測試。由於使用 3D 列印模具成型的瓶子非常接近生產單元,因此可以用於對灌裝生產線進行一些初步驗證,如生產線的流動性、裝瓶機星輪的運行狀況、以及封蓋或機器人裝箱機等動作。提前對生產線進行試點測試,工廠就能預先備好所需備件,為大規模生產做好準備,加快產品上市速度。
Formlabs賦能,助力優質產品上市
聯合利華攜手Serioplast,憑藉Formlabs的光固化印表機與剛性10K樹脂材料,成功將生產週期縮減了70%,模具成本大幅降低了90%,並且僅在兩周內就能試生產200個產品。
“Formlabs 是我們的出色合作夥伴,為我們提供了高品質的列印設備,還協助我們瞭解這些材料的特性。這種合作夥伴關係有助於我們判定是否可以使用 3D 列印模具,”卡德馬蒂裏如此說道。
德馬蒂裏和 Serioplast已經使用新工藝測試了大約 15 種不同型號的瓶子。
全新的工作流程助力聯合利華能更迅速地推出優質產品,同時顯著降低了與包裝開發相關的風險和成本。
卡德馬蒂裏表示:“3D 印表機給我們帶來的最大影響就是讓夢想變得觸手可及。僅需數周時間,在電腦螢幕上的設計便能實體化,成為你手中的真實物品。” 這正是Formlabs秉持的核心信念,通過精心設計的產品和服務賦能客戶,讓所有人能夠將創意和想法轉化為現實,讓3D列印技術解鎖創新力的無限可能性。
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3D列印│3D掃描專家 普立得科技
「普立得科技將在2025年之內,達到影響台灣半數工程師體驗過工業等級3D列印材料在工廠實際應用落地的目標。因為我們相信每多一次3D列印就能推動台灣製造產業著「數位智造工業4.0」起飛,如同平凡但執著的萊特兄弟相信人類可以飛行的夢想一樣」堅持不懈。
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