Являясь одной из крупнейших в мире компаний, производящих товары повседневного спроса, Unilever постоянно разрабатывает новые продукты - от средств личной гигиены до ухода за домом, питания и многого другого. Вполне вероятно, что в вашем доме уже есть один или несколько продуктов этой компании, ведь ей принадлежат бренды Dove, Domestos, Cif, Knorr, Axe и десятки других.
FMCG - отрасль, в которой постоянный потребительский спрос порождает жесткую конкуренцию, поэтому брендам приходится постоянно внедрять инновации и адаптировать свою товарную стратегию. Одной из важных областей инноваций является упаковка: дизайн бутылки может повлиять на восприятие покупателем не меньше, чем то, что находится внутри. Таким брендам, как Unilever, приходится учитывать расход материалов, эстетическую привлекательность, безопасность и экологичность обширного каталога типов упаковки и продуктов, которые в них содержатся. Но для "простой" пластиковой бутылки путь от дизайна на экране компьютера до розлива на производственной линии традиционно занимает много месяцев.
«Компания, производящая потребительские товары, такая как Unilever, должна появиться на рынке как можно раньше или раньше своих конкурентов. Вы должны предложить потребителям лучший продукт по лучшей цене в кратчайшие сроки. 3D-печать помогает нам ускорить этот процесс», - Стефано Кадемартири, руководитель отдела САПР и прототипирования, Unilever.
Стефано Кадемартири, руководитель отдела САПР и прототипирования компании Unilever, и Флавио Мильярелли, менеджер по проектированию R&D в Serioplast Global Services начали свое сотрудничество с целью проверки возможности использования 3D-напечатанных форм для производства бутылок методом выдувного формования с низким объемом производства (SBM) для ускорения прототипирования и пилотного тестирования, тем самым сократив сроки изготовления на шесть недель и понизив затраты до 90%.
Традиционный рабочий процесс разработки и тестирования новых дизайнов бутылок
Пластиковые изделия, такие как контейнеры для пищевых продуктов и напитков, косметическая и медицинская упаковка, чаще всего производятся с помощью выдувного формования - группы давно известных методов быстрого массового производства высококачественных тонкостенных деталей. Выдувное формование имеет очень короткое время цикла, обычно от одной до двух минут, и является чрезвычайно экономически эффективным для крупносерийного производства. Оно обычно используется для производства миллионов одинаковых деталей при низких удельных затратах.
Процесс выдувного формования заключается в раздувании нагретой пластиковой трубки, так называемого паризона или инжектируемой преформы, внутри формы до тех пор, пока она не приобретет нужную форму. Существует три типа процессов выдувного формования: экструзионно-выдувное формование (EBM), инжекционно-выдувное формование (IBM) и выдувное формование с растяжением (SBM). SBM обычно используется для производства высококачественной стеклянной прозрачной ПЭТ-тары, например бутылок для воды.
Serioplast - мировой производитель жесткой пластиковой упаковки для FMCG-индустрии и один из основных партнеров Unilever по разработке и производству упаковки товаров для дома и средств личной гигиены. «Мы производим четыре миллиарда бутылок в год из материалов PET, HDPE и PP», - говорит Мильярелли.
Машина Seriomac UNIX 4 Cavities SBM от компании Serioplast в их научно-исследовательском центре в Италии. Совместно с компанией Unilever они разработали новый рабочий процесс для использования напечатанных 3D-форм в этом крупномасштабном промышленном производственном оборудовании.
Обычно Serioplast либо напрямую печатала 3D-макеты для прототипов, либо изготавливала их методом выдувного формования. Традиционно напечатанные макеты не обеспечивали нужного ощущения или прозрачности и не были достаточно надежными для отправки потребителям. Однако изготовление образцов производственного качества с помощью SBM требует дорогостоящей металлической оснастки, что увеличивает срок выполнения заказа на шесть-девять недель по сравнению с обычным этапом пилотного тестирования из-за сложности процесса и передачи производства пресс-форм на аутсорсинг.
«Нам приходится ждать от 6 до 12 недель, прежде чем мы сможем предоставить клиенту реальный образец, поэтому мы теряем столько недель только для того, чтобы попробовать новый дизайн бутылки. Иногда это отнимает много сил и очень расстраивает, потому что, возможно, придется начинать все сначала», - говорит Мильярелли.
Пресс-формы SBM традиционно изготавливаются из металла путем обработки на станках с ЧПУ, что требует специализированного оборудования, программного обеспечения CAM и квалифицированной рабочей силы. Производство металлической оснастки, как правило, передается на аутсорсинг поставщикам услуг, которые предлагают от четырех до восьми недель времени на изготовление, и стоит от 2 000 до 100 000 долларов США в зависимости от сложности детали и количества деталей в одной пресс-форме. Даже обработка металлической пресс-формы собственными силами обычно занимает шесть недель, поскольку требует нескольких этапов: заказ материалов, настройка CAM и станка, ручная полировка и ожидание готовности станка.
В результате выдувное формование деталей в небольших объемах для создания прототипов и опытных испытаний традиционно было экономически нецелесообразным. Такие компании, как Unilever, вынуждены были планировать работу с удлиненными сроками и принимать окончательные конструкторские решения на основе похожих прототипов из разных материалов, что часто приводило к устарению оснастки и снижению затрат.
Выдувное формование бутылок на 70% быстрее и на 90% дешевле
3D-печать - это мощное решение для быстрого и недорогого изготовления инструментов. Она требует очень ограниченного количества оборудования, что позволяет высвободить мощности ЧПУ и время квалифицированных операторов для выполнения других важных задач. С помощью 3D-печати производители и разработчики продукции могут внедрить быструю оснастку в процесс разработки продукции, чтобы проверить этапы проектирования и производства перед переходом к массовому производству. Напечатанные формы уже используются в таких процессах, как литье под давлением или термоформование, для быстрой итерации, ускорения разработки продукции и вывода на рынок более качественных продуктов.
SLA 3D-печать - отличный выбор для литья. Она характеризуется гладкой поверхностью и высокой точностью, которую инструмент переносит на конечную деталь, а также облегчает формовку. Form 3L - это широкоформатный SLA 3D-принтер, позволяющий изготавливать крупные детали и пресс-формы и при этом достаточно компактный для офиса.
Форма напечатана на 3D-принтере Form 3L с использованием смолы Rigid 10K.
Выбор материала имеет решающее значение для производства пресс-форм. Компаниям Unilever и Serioplast требовался материал, который мог бы выдерживать внутреннее давление и температуру процесса SBM, сохраняя при этом хорошую точность и стабильность размеров.
«С помощью инженеров Formlabs мы определили материал, который позволил бы нам получить несколько бутылок из настоящих материалов для проведения испытаний», - говорит Кадемартири.
Смола Rigid 10K - рекомендуемый компанией Formlabs материал для SBM, поскольку он сочетает в себе прочность, жесткость и термостойкость. Это высоконаполненный стекловолокнистый материал промышленного класса с HDT 218°C @ 0,45 МПа и модулем упругости при растяжении 10 000 МПа. Инструментальная оснастка, напечатанная с использованием смолы Rigid 10K, обладает хорошей стабильностью размеров и подходит для сотен циклов выдувного формования с высокой повторяемостью.
Используя смолу Rigid 10K, компания Serioplast изготовила точные пресс-формы с гладкой поверхностью, способные интегрировать тонкие элементы, включая отверстия размером до 0,5 мм. Для соблюдения критических размеров они обрабатывали инструмент на полировальном станке или вручную. Текстурированные поверхности были включены в САПР полости пресс-формы.
«Мы должны точно выверять детали пресс-формы, особенно для бутылок с логотипами или такими деталями, как лимон, которые требуют большой точности. 3D-принтер Formlabs вместе со смолой Rigid 10K дает возможность получить очень хорошие детали, которые затем можно перенести на настоящую бутылку», - говорит Кадемартири.
3D-форма, напечатанная с помощью смолы Rigid 10K, вручную полируется, а затем собирается в металлический каркас.
С помощью SLA 3D-печати пресс-форму можно изготовить за два дня. Напечатанные формы сокращают время начала пилотных испытаний с шести до двух недель, при этом достигается реалистичность предпроизводственных деталей, качество которых очень близко к производственному и которые отливаются с использованием тех же материалов и оборудования, что и серийные изделия. Кроме того, напечатанные формы позволяют операторам проводить пилотные испытания нескольких конструкций одновременно.
Напечатанная форма из смолы Rigid 10K для бутылки Unilever Slice объемом 750 мл установлена на держатель оболочки на машине. Команда может использовать то же технологическое окно, что и при изготовлении стандартной пилотной формы, что позволяет надежно протестировать конечный процесс.
«При использовании напечатанной формы мы используем стандартный макет внутри держателя оболочки, который помещается в выдувную машину. Таким образом, мы экономим много времени на проектирование пресс-формы и можем очень легко управлять графиком 3D-печати», - говорит Мильярелли.
«С помощью напечатанной формы мы можем сэкономить до 70% времени и 90% стоимости по сравнению со стандартной формой. Раньше [клиентам] приходилось ждать до 12 недель только для одного дизайна, теперь мы можем сделать пять дизайнов», - Флавио Мильярелли, менеджер по дизайну R&D, Serioplast Global Services.
Проведение столь обширных испытаний традиционными методами практически невозможно. Им пришлось бы инвестировать в металлическую форму для каждой конструкции, не получая при этом эффекта масштаба, и они никогда не окупили бы затраты на оснастку.
От тестирования до запуска в производство
В первую очередь напечатанные на 3D-принтере инструменты используются для производства образцов для тестирования потребителями. Они представляют конечный продукт с точки зрения ощущений, эстетики и использования и воспринимаются потребителем как настоящий продукт.
«Вы можете получить реальную бутылку до того, как сделаете настоящую пресс-форму, поэтому можно сразу определить, находитесь ли вы на правильном пути развития или нужно что-то изменить, чтобы избежать ошибок, которые могут стоить дороже», - Стефано Кадемартири, руководитель отдела САПР и прототипирования, Unilever.
Бутылки, изготовленные с помощью напечатанной формы, практически неотличимы от конечного продукта, произведенного с помощью традиционной металлической оснастки. Слева направо: двухкомпонентная пресс-форма, напечатанная с помощью смолы Rigid 10K; бутылка, изготовленная с помощью пресс-формы, напечатанной с помощью смолы Rigid 10K; бутылка, изготовленная с помощью металлической пресс-формы, и этикетированный прототип бутылки для тестирования заказчиком.
Вторичное использование модульной формы - это проверка процесса SBM, а также ПЭТ-преформы, которая будет выдуваться, с целью определения технологических окон, коэффициента растяжения и распределения материала, которого можно достичь. Serioplast производит преформы собственными силами путем литья под давлением. Хотя некоторые преформы изготавливаются на заказ для конкретной бутылки, обычно они работают со стандартными изделиями, которые пользователи не могут модифицировать. Команда Serioplast хотела понять диапазон возможностей, доступных через эту стандартную преформу. Знание этой информации поможет им определить, подходит ли данная преформа для выдувного формования конкретной бутылки перед запуском в производство.
«Мы используем то же технологическое окно, что и в стандартной пилотной пресс-форме. Это очень хорошо, потому что мы можем протестировать окончательные технологические окна и посмотреть, что произойдет с бутылкой". Мы говорим о давлении до 30 бар. Это очень хорошо и надежно. Мы также говорим о нагреве преформы до 100 °C без какого-либо износа полости напечатанной формы. Мы можем легко производить до 100-200 бутылок в день. С течением времени мы можем дойти до 1000», - говорит Мильярелли.
Третье применение быстрых форм - это тестирование некоторых аспектов производственной линии на ранних этапах. Поскольку бутылки, сформированные с помощью напечатанных форм, находятся так близко к производственным единицам, их можно использовать для первичной проверки линии розлива, например, движения линии, работы звездочек для машин розлива, укупорки или действий роботизированного упаковщика. Пилотное тестирование производственной линии на ранних этапах позволяет заводам заранее предусмотреть запасные части, подготовить линию к массовому производству и ускорить выход на рынок.
Быстрое внедрение лучших продуктов на рынок
Cademartiri и Serioplast уже протестировали около 15 различных моделей бутылок с использованием нового процесса.
Благодаря SLA 3D-принтерам Formlabs и смоле Rigid 10K компаниям Unilever и Serioplast удалось сократить время выполнения заказа на 70%, а затраты на оснастку - на 90% и изготовить пилотную партию из 200 изделий всего за две недели.
«В лице компании Formlabs мы нашли очень хорошего партнера не только для продажи оборудования, но и для поддержки нас в изучении свойств этих материалов. Это партнерство помогло мне определить возможность начала этого путешествия с напечатанными формами», - говорит Кадемартири.
Новый рабочий процесс позволит Unilever быстрее выводить на рынок более качественные продукты и значительно снизить риски и затраты, связанные с разработкой упаковки.
«Большое влияние, которое оказывает 3D-принтер, - это возможность воплотить свои мечты в жизнь. То, что изображено на экране, через пару недель будет у вас в руках. Реальный продукт, с реальной бутылкой, с реальной крышкой и реальной этикеткой», - говорит Кадемартири.
