聯合利華和 Serioplast 如何利用 3D 列印模具開發新的瓶子設計

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聯合利華和 Serioplast 如何利用 3D 列印模具開發新的瓶子設計

機械加工 | 2024.03.16

作為全球最大的快速消費品 (FMCG) 公司之一，聯合利華不斷開發日常使用的新產品，從個人護理到家庭護理、營養品等。鑑於該公司擁有 Dove、Domestos、Cif、Knorr、Axe (Lynx)、Ben & Jerry's 以及數十個其他全球和本地品牌，您現在很可能在家中擁有一種或多種他們的產品。

快速消費品是消費者需求不斷成長、競爭激烈的產業，品牌必須不斷創新和調整產品策略。創新的一個重要領域是包裝。瓶子的設計有時會像裡面的東西一樣影響顧客的看法。像聯合利華這樣的品牌必須考慮大量包裝類型及其所含產品的材料使用、美學吸引力、安全性和永續性。但對於一個「簡單」的塑膠瓶來說，從電腦螢幕上的設計到在生產線上灌裝，傳統上需要幾個月的時間。

「像聯合利華這樣的消費品公司必須盡快或在競爭對手之前進入市場。您需要在最短的時間內以最優惠的價格向消費者提供最好的產品。3D 列印幫助我們加快了這一過程。“

Stefano Cademartiri，聯合利華 CAD 與原型設計負責人

向聯合利華 CAD 和原型設計負責人 Stefano Cademartiri 以及Serioplast Global Services研發設計經理 Flavio Migliarelli 學習，了解他們如何攜手測試用於小批量拉伸吹塑 (SBM) 的 3D 列印模具的可行性，以加速加速原型設計和試點測試，將交貨時間縮短六週，成本降低高達90%。

開發和測試新瓶子設計的傳統工作流程

食品和飲料容器、化妝品包裝和醫療包裝等塑膠製品最常採用吹塑成型生產，吹塑成型是一組歷史悠久的快速批量生產高品質薄壁零件的方法。吹塑成型的週期時間非常短，通常在一到兩分鐘之間，對於大批量生產來說極具成本效益。它通常用於以較低的單位成本生產數百萬個相同的零件。

吹塑成型的工作原理是在模具內對加熱的塑膠管（稱為型坯或註射預成型件）進行充氣，直到其形成所需的形狀。吹塑製程有三種：擠出吹塑（EBM）、注射吹塑（IBM）和拉伸吹塑（SBM）。SBM 通常用於生產高品質玻璃透明 PET 容器，例如水瓶。

Serioplast 是快速消費品產業硬塑膠包裝的全球生產商，也是聯合利華開發和生產家庭和個人護理市場包裝的主要合作夥伴之一。「我們每年生產 40 億個 PET、HDPE 和 PP 材料的瓶子，」Migliarelli 說。

通常，Serioplast 要么直接 3D 列印原型模型，要么透過吹塑生產。傳統上，3D 列印的模型無法呈現正確的感覺或透明度，且不夠可靠，無法發送給消費者。然而，透過 SBM 建造生產品質的樣品需要昂貴的金屬模具，由於工藝的複雜性和外包模俱生產，典型的試點測試階段需要六到九週的交貨時間。

「我們必須等待 6 到 12 週才能給客戶真正的樣品，所以我們浪費了很多周的時間來嘗試新的瓶子設計。有時這是要求很高且令人沮喪的，因為也許你必須重新開始，」米利亞雷利說。

SBM 模具傳統上是透過 CNC 加工由金屬製成，這需要專門的設備、CAM 軟體和熟練的勞動力。金屬模具的生產通常外包給服務提供商，提供 4 到 8 週的交貨時間，成本從 2,000 美元到 100,000 美元以上不等，具體取決於零件的複雜程度和每個模具的零件數量。即使是內部加工金屬模具，通常也需要六週時間，因為它需要幾個步驟：材料訂購的交貨時間、CAM 和機器設置、手動拋光以及機器可用的等待時間。

因此，用於原型設計和中試的小批量吹塑零件傳統上在經濟上並不可行。像聯合利華這樣的公司不得不延長計劃時間，並根據不同材料的相似原型做出最終設計決策，這往往導致工具過時和成本下降。

吹塑真瓶速度提高 70%，成本降低 90%

3D 列印是快速、低成本製造工具的強大解決方案。它需要非常有限的設備，從而釋放 CNC 能力和熟練操作員的時間來執行其他高價值任務。透過內部 3D 列印，製造商和產品設計師可以在產品開發過程中引入快速工具，以在過渡到大規模生產之前驗證設計和製造步驟。3D 列印模具已用於注塑或熱成型等工藝，可快速迭代、加速產品開發並將更好的產品推向市場。

光固化（SLA）3D列印技術是成型的絕佳選擇。其特點是表面光滑，精度高，工具將轉移到最終零件上，也有利於脫模。Form 3L 是一款大幅面 SLA 3D 列印機，能夠製造大型零件和模具，同時足夠緊湊，適合辦公室使用。

材料的選擇對於模具的生產至關重要。Unilever 和 Serioplast 需要一種能夠承受 SBM 製程的內部壓力和溫度，同時保持良好的尺寸精度和穩定性的材料。

「在 Formlabs 工程師的幫助下，我們找到了一種材料，可以讓我們用幾瓶真正的材料來進行測試，」Cademartiri 說。

Rigid 10K Resin是 Formlabs 推薦的 SBM 材料，因為它兼具強度、剛性和耐熱性。它是一種工業級、高玻璃填充材料，HDT 為 218°C @ 0.45 MPa，拉伸模量為 10,000 MPa。使用 Rigid 10K Resin 列印的模具具有良好的尺寸穩定性，適合數百次吹塑循環，且重複性高。

透過使用 Rigid 10K Resin，Serioplast 製造了具有光滑表面光潔度的精密模具，能夠整合精細特徵，包括小至 0.5 毫米的孔。他們使用拋光機或手動打磨對工具進行後處理，以滿足關鍵尺寸。紋理表面已納入模具型腔的 CAD 中。

「我們對模具的細節進行了精確的微調，特別是對於帶有一些徽標或檸檬細節之類的瓶子，這需要很高的精確度。Formlabs 機器與 Rigid 10K Resin 一起提供了獲得非常好的細節的可能性，然後可以將這些細節轉移到真正的瓶子上，」Cademartiri 說。

使用 Rigid 10K Resin 3D 列印的模具經過手工拋光，然後組裝成金屬框架。

透過 SLA 3D 列印，可以在兩天內製作出一個模具。3D 列印模具將開始試點測試的交貨時間從六週縮短至兩週，同時實現非常接近生產品質的真實預生產零件，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 列印模具可讓操作員同時對多個設計進行試點測試。

使用剛性 10K 樹脂 3D 列印的模具用於安裝在機器外殼支架上的 Unilever Slice 750 mL 瓶子。該團隊可以使用與標準試驗模具相同的工藝窗口，這使他們能夠可靠地測試最終工藝。

「對於 3D 列印模具，我們在放置在吹塑機中的外殼支架內使用標準佈局。因此，我們在模具設計上節省了大量時間，並且能夠非常非常輕鬆地管理 3D 列印計劃。」Migliarelli 說。

產量200台	機械加工金屬模具	3D列印模具
裝置	內部CNC工具機或外包	3L 型硬質 10K 樹脂
中試準備時間	6-8週	2週
加工成本	$2,500-$10,000	$500-$1,000

「與標準模具相比，使用 3D 列印模具，我們可以節省高達 70% 的時間和 90% 的成本。過去，[客戶] 只能等待 12 週才能獲得一項設計，現在我們可以製作五項設計。”

Flavio Migliarelli，Serioplast 全球服務公司研發設計經理

使用傳統方法進行如此廣泛的測試幾乎是不可能的。他們需要為每個設計投資金屬模具，而無法獲得規模經濟的好處，並且永遠無法回收模具成本。

從客戶測試到生產線調試

3D 列印工具主要用於生產供消費者測試的樣品。它們在感覺、美觀和使用方面代表了最終產品，並且在消費者眼中被視為真實的產品。

“在製作真正的模具之前，您可以擁有一個真正的瓶子，這樣您就可以立即確定自己的開發道路是否正確，或者是否需要進行一些更改以避免可能導致成本更高的錯誤。”

Stefano Cademartiri，聯合利華 CAD 與原型設計負責人

使用 3D 列印工俱生產的瓶子與透過傳統金屬模具製程生產的最終產品幾乎沒有區別。從左到右：使用 Rigid 10K Resin 3D 列印的兩部分模具、使用 Rigid 10K Resin 3D 列印的模俱生產的瓶子、使用金屬模俱生產的瓶子以及供客戶測試的貼標籤原型瓶。

模組化模具的第二個用途是驗證 SBM 製程以及將吹塑的 PET 預成型件，查看製程視窗、拉伸比和可實現的材料分佈。Serioplast 透過射出成型在內部生產預成型件。雖然一些瓶坯是為特定瓶子定制的，但它們通常與用戶無法修改的標準化物品配合使用。Serioplast 團隊希望了解這種預製件可用的功能範圍。了解這些資訊有助於他們在投入生產之前確定給定的瓶坯是否適合吹塑特定的瓶子。

「我們使用與標準試點模具相同的製程視窗。這非常好，因為我們可以測試最終的工藝窗口，看看瓶子會發生什麼。我們談論的是高達 30 bar 的壓力。這絕對是好的和可靠的。我們也討論了對預成型件進行 100°C 加熱，不會對 3D 列印模具的型腔造成任何磨損。我們每天可以輕鬆生產多達 100、200 瓶。如果有更多時間，我們可以增加到 1000 個。」Migliarelli 說。