與傳統(tǒng)的金屬模具相比，百事可樂使用 3D 打印機(jī)提高瓶模制造速度、降低成本并擴(kuò)大靈活性。
在快消品領(lǐng)域，上市速度從未像現(xiàn)在這樣重要——品牌只有持續(xù)開發(fā)新包裝設(shè)計(jì)，滿足不斷變化的客戶需求，才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。
傳統(tǒng)金屬模具制造又貴又費(fèi)時(shí)
然而，包裝設(shè)計(jì)變更的成本很高，尤其是在瓶裝飲料行業(yè)。百事可樂公司位于紐約州的研發(fā)園區(qū)為了新款飲料瓶的吹塑成型采用傳統(tǒng)金屬模具，常常需要數(shù)周的等待和數(shù)千美元的成本。“百事可樂可以花費(fèi)高達(dá)10,000 美元來生產(chǎn)單個(gè)金屬模具組，具體取決于其復(fù)雜性。”百事可樂研究中心全球包裝研發(fā)、先進(jìn)工程和設(shè)計(jì)高級(jí)經(jīng)理 Max Rodriguez 說。
他表示一旦瓶子完成數(shù)字化設(shè)計(jì)，使用傳統(tǒng)制造方法加工金屬模具最多需要 4 周時(shí)間，然后需要額外兩周時(shí)間才能獲得試驗(yàn)裝置來進(jìn)行原型的吹塑成型。
3D打印模具加速產(chǎn)品開發(fā)周期
為了通過降低原型生產(chǎn)的時(shí)間和成本，以便更快將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)，Rodriguez 幾年前開始使用 3D 打印機(jī)。
盡管 3D 打印機(jī)在制作設(shè)計(jì)原型方面表現(xiàn)出色，但早期的3D 打印模具在耐用性稍有不足——一套3D打印模具只能用來生產(chǎn)100個(gè)瓶子。為了提高3D打印模具的使用效率，Rodriguez及其團(tuán)隊(duì)探索使用混合方法，將傳統(tǒng)金屬模具的部件與 3D 打印插件相結(jié)合。
該混合模型已被百事可樂公司與2020年申請(qǐng)獲得專利，它采用了適合大部分商用吹塑機(jī)的金屬外模殼，那些能夠決定瓶子幾何形狀的模具內(nèi)部部件則采用3D打印加工而成。
百事可樂團(tuán)隊(duì)與芝加哥的增材制造技術(shù)分銷商 Dynamism 合作，探索能夠滿足其尺寸和材料要求的工業(yè) 3D 打印解決方案。
據(jù)介紹，在 2020 年至 2022 年期間，Rodriguez 在第三方使用中試工廠規(guī)模的吹塑機(jī)進(jìn)行測(cè)試，單個(gè)混合模具每小時(shí)可生產(chǎn)600 至 800 個(gè)瓶子。模塊化模具組的概念得到驗(yàn)證，但材料的耐用性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
“在吹塑模具熱定形應(yīng)用中，通常將模具加熱到約 140ºC 的溫度。材料能夠承受 40 巴的打擊壓力也很重要。”Rodriguez說。他表示三年前開始研究這種混合模具的時(shí)候，唯一可行的材料解決方案是氰酸酯。“不過從那時(shí)候起，漢高樂泰和巴斯夫等主要材料供應(yīng)商也加快增材制造應(yīng)用的材料開發(fā)。漢高大約一年前推出了 XPEEK147 材料，它包含了氰酸酯的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。”
該團(tuán)隊(duì)將牙石背襯應(yīng)用到3D打印的嵌件上，以使模腔具有吹塑壓力所需的抗壓強(qiáng)度。他們使用來自北愛爾蘭 Blow Molding Technologies 公司的改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)室專用Blowscan 拉伸吹塑機(jī)來生產(chǎn)測(cè)試瓶。
Rodriguez說，在過去的幾個(gè)月里，百事可樂一直在使用其混合模具生產(chǎn)瓶子。“時(shí)間和成本顯然很重要，但更重要的是能夠靈活地以創(chuàng)紀(jì)錄的速度運(yùn)行多個(gè)不同的設(shè)計(jì)造型，以便我們能夠評(píng)估所有下游活動(dòng)的性能，這將有利于加速新包裝的上市。”這些下游活動(dòng)包括確認(rèn)瓶子在百事可樂的包裝線、自動(dòng)售貨機(jī)以及整個(gè)分銷網(wǎng)絡(luò)中的使用體驗(yàn)。
百事公司研發(fā)中心的吹塑試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用3D 打印模具生產(chǎn)的樣品與采用金屬模具生產(chǎn)的樣品相媲美。
為了驗(yàn)證模具與3D打印機(jī)使用型號(hào)無關(guān)，Rodriguez還在Carbon M2 打印機(jī) Stratasys J55 和 Markforged X5都進(jìn)行模具的3D打印，最終選擇Nexa3D NXE 400 打印機(jī)以及漢高樂泰的 xPEEK147 材料。
Rodriguez認(rèn)為NXE 400 足夠大，可以同時(shí)打印多個(gè)模具零件，而且速度很快，從而加快了迭代和生產(chǎn)過程。
成本降低96%，周期加快30%
這套混合型模具可在12小時(shí)內(nèi)完成，其中 3D 打印時(shí)間為 8 小時(shí)，后處理或固化時(shí)間為 4 小時(shí)。每套模具的成本約為 350 美元。這些混合型模具可用于 10,000 多個(gè)瓶子的打樣測(cè)試，與傳統(tǒng)金屬工具相比，成本降低了近 96%。
“我們預(yù)計(jì)使用混合型模具可將產(chǎn)品開發(fā)周期將加快 30%。” Rodriguez 說，“然而，這不僅需要3D打印模具，還離不開虛擬分析，兩者相互相成才能加快產(chǎn)品開發(fā)周期。”
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