PepsiCo oszczędza 96% kosztów produkcji dzięki wydrukowanym w 3D formom do butelek

Aby zaspokoić stale zmieniające się wymagania rynkowe i wyróżnić na tle konkurencji, producenci napojów butelkowych nieustannie prześcigają się w pomysłach na jak najlepszą ekspozycję ich produktów. Dotyczy to zarówno mniejszych producentów jak i tak wielkich graczy jak PepsiCo. Równocześnie sama zmiana kształtu opakowania jest na tyle kosztowna i długotrwała, że nawet wielkie międzynarodowe koncerny szukają oszczędności, optymalizując każdy etap produkcji. Niniejsze case-study prezentuje przykład jak technologia druku 3D pozwoliła czołowemu producentowi napojów na świecie zredukować koszty produkcji nowych wyrobów aż o 96%!

Max Rodriguez – starszy menedżer ds. globalnego R&D w zakresie opakowań, zaawansowanej inżynierii i projektowania w centrum badawczym PepsiCo, od zawsze borykał się z problemem wysokich kosztów przygotowywania i wdrażania nowych rozwiązań – „tworzenie tradycyjnych metalowych narzędzi do formowania rozdmuchowego butelek w centrum R&D firmy PepsiCo oznaczało tygodnie oczekiwania i tysiące dolarów kosztów. Po stworzeniu cyfrowego projektu butelki, potrzeba do czterech tygodni, aby wykonać metalową formę, a następnie dodatkowe dwa tygodnie, aby zoptymalizować proces rzeczywistego formowania rozdmuchowego prototypów. Koszt pojedynczego zestawu narzędzi do form metalowych to nawet 10.000 dolarów w zależności od jego złożoności.”

Aby wprowadzać nowe produkty na rynek szybciej i taniej, Rodriguez zaczął interesować się drukiem 3D. Początkowo drukarki 3D doskonale sprawdzały się w produkcji prototypów, ale próby otrzymania wytrzymałych narzędzi nie dawały pożądanych wyników. Kiedy wydrukowane formy były używane w maszynach do formowania, mogły wyprodukować maksymalnie ok. 100 butelek – później pojawiały się problemy z powierzchnią. To skłoniło Rodrigueza i jego zespół do zbadania możliwości zastosowania podejścia hybrydowego, łączącego części konwencjonalnej formy metalowej z wkładkami drukowanymi w 3D.

Ten hybrydowy model – który PepsiCo opatentowała pod koniec 2020 roku – polega na zastosowaniu uniwersalnej, metalowej, zewnętrznej powłoki formy, która pasuje do większości komercyjnych maszyn do formowania rozdmuchowego. Następnie PepsiCo zweryfikowało możliwość addytywnego dodrukowania tylko istotnych wewnętrznych części formy, które oddają geometrie produktu końcowego.

Współpracując z Dynamism – dystrybutorem technologii druku 3D z Chicago, zespół PepsiCo, testował przemysłowe rozwiązania druku 3D, które mogłyby spełnić wymagania dotyczące zarówno rozmiaru, jak i materiałów. W latach 2020-2022, Rodriguez przeprowadził próby proof-of-concept z pilotażową formą rozdmuchową zapewniającą odpowiednią skalę produkcji, formując butelki w tempie 600 do 800 butelek na godzinę – na pojedynczej formie hybrydowej. Koncepcja modułowej budowy, odniosła sukces, ale trwałość materiałów nadal stanowiła wyzwanie.

„Zajmując się rozwiązaniem w zakresie produkcji narzędzi do form z wykorzystaniem wytwarzania przyrostowego, skupiliśmy się na zidentyfikowaniu materiału, który wytrzymałby warunki typowe dla naszego środowiska produkcyjnego” – mówi Rodriguez. „W zastosowaniach związanych z wygrzewaniem form rozdmuchowych powszechne jest podgrzewanie form do temperatury około 140ºC. Ważne było również, aby materiał był w stanie wytrzymać ciśnienie rozdmuchu wynoszące 40 barów„.

PepsiCo od kilku miesięcy codziennie produkuje butelki przy użyciu hybrydowych form. Wszystko za sprawą nowo odkrytego foto polimeru xPEEK od Henkel Loctite który spełnia w/w warunki. „Czas i koszty są oczywiście ważne, ale ważniejsza jest elastyczność, która pozwala nam w rekordowym tempie przechodzić przez wiele różnych iteracji projektu, dzięki czemu możemy ocenić wydajność wszystkich dalszych działań. Nasze działania walidują jak butelka będzie się sprawować na liniach pakujących PepsiCo, w automatach sprzedających oraz w całej sieci dystrybucji. To naprawdę pomaga przyspieszyć wiele procesów” – mówi Rodriguez

Próby formowania rozdmuchowego w centrum badawczo-rozwojowym PepsiCo dostarczyły danych, które wykazały, ze próbki z formy wydrukowanej w 3D były porównywalne z próbkami z formy metalowej. Rodriguez wydrukował formy na drukarkach 3D Carbon M2, Stratasys J55 i Markforged X5, aby potwierdzić, ze koncepcja druku 3D wkładek do form jest niezależna od drukarki 3D, ale ostatecznie wybrał Nexa3D NXE 400 i jego materiał xPEEK147 z materiałem Henkel Loctite. NXE 400 jest wystarczająco duża, aby drukować kilka części form w tym samym czasie, a dodatkowo jest ultraszybka, co przyspiesza proces iteracji i produkcji.

Skróciliśmy czas produkcji z 4 tygodni do 48 godzin. Zredukowaliśmy koszty z 10.000 dolarów do 350 dolarów. Kompletny zestaw form może być wykonany w 12 godzin, z czego 8 godzin to czas druku 3D, a 4 godziny to post-processing. Koszt to około 350 dolarów za zestaw. Hybrydowo wykonane formy zapewniają produkcję ok. 10.000 butelek. W rezultacie uzyskuje się prawie 96% redukcji kosztów w porównaniu z tradycyjnym oprzyrządowaniem metalowym. „Dzięki wykorzystaniu tych możliwości spodziewamy się o 30% szybszego rozwoju” – mówi Rodriguez.