Jak druk 3D zmienia rozwój opakowań z tworzyw sztucznych: Rapid tooling w formowaniu wtryskowym i formowaniu próżniowym

Producenci butelek, kanistrów, pojemników i opakowań formowanych obecnie zazwyczaj czekają na pierwszą metalową formę prototypową od 4 do 8 tygodni i płacą za nią około 2 000–100 000 USD, w zależności od stopnia złożoności i liczby gniazd. Zanim firma ustali, czy nowy kształt, grubość ścianki lub szyjka butelki sprawdzają się w praktyce, mija miesiąc lub nawet więcej – a to jeszcze przed podjęciem decyzji o ostatecznej formie seryjnej. Szybkie prototypowanie metodą druku 3D pozwala na przeprowadzenie takiej samej weryfikacji w ciągu kilku dni, przy znacznie niższych kosztach.

Jak działa formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych i formowanie próżniowe

Formowanie z rozdmuchem tworzyw sztucznych (blow molding) działa podobnie jak nadmuchiwanie balonu w pudełku – rozgrzana rurka z tworzywa sztucznego lub preforma (w przypadku butelek PET – preforma) umieszcza się w formie i nadmuchuje powietrzem, dzięki czemu element dokładnie odzwierciedla jej kształt. Formowanie próżniowe (thermoforming) działa odwrotnie. Rozgrzana płyta z tworzywa sztucznego „przylega” do kształtu formy pod wpływem podciśnienia. Stosuje się ją głównie do produkcji opakowań, osłon, skrzynek transportowych oraz nietypowych elementów na zamówienie. Klasyczna produkcja form z aluminium lub stali trwa zazwyczaj całe tygodnie, a każda zmiana w projekcie niepotrzebnie podnosi koszty całego przedsięwzięcia.

Gdzie konwencjonalny proces spowalnia rozwój opakowań

Bez szybkiego przygotowania narzędzi trudno jest w krótkim czasie przetestować więcej wariantów projektu i zweryfikować rzeczywisty materiał, przezroczystość lub grubość ścianki. To niepotrzebnie wydłuża proces zatwierdzania projektu oraz czas wprowadzenia produktu na rynek.

Problem pojawia się w trzech obszarach:

• w fazie projektowania opakowania, gdzie zmienia się geometria butelki lub osłony,
• w narzędziowni, która decyduje o formie prototypowej,
• w inżynierii procesowej, gdzie weryfikuje się parametry formowania z wdmuchiwaniem, grubość ścianki lub zachowanie elementu na linii produkcyjnej.

Rozwiązanie: forma drukowana zamiast frezowanej

Zamiast frezowania z metalu forma jest drukowana na przemysłowej drukarce 3D z materiału, który wytrzymuje temperaturę i ciśnienie procesu formowania wtryskowego lub próżniowego. W przypadku mniejszych zastosowań o wysokich wymaganiach dotyczących szczegółowości, typowo butelek PET, wykorzystuje się platformę Origin Two – w przypadku form do formowania z rozdmuchem sprawdziła się żywica P3 Deflect 110, zaprojektowana z myślą o sztywności, odporność termiczną oraz stabilność wymiarową, których wymaga powtarzające się obciążenie formy. W przypadku większych elementów i dłuższych serii odpowiednie są drukarki FDM firmy Stratasys, gdzie do produkcji oprzyrządowania do formowania z rozdmuchem sprawdził się filament PC (poliwęglan) odporny na wysokie temperatury. Jest on bowiem w stanie wytrzymać wielokrotne narażenie na temperaturę i ciśnienie procesu przy jedynie minimalnej modyfikacji standardowego projektu formy.

Szybkie wytwarzanie narzędzi nie zastępuje dostawcy ostatecznej formy seryjnej – jedynie poprzedza go na etapie weryfikacji projektu, jeszcze zanim firma zamówi kosztowny, precyzyjny narzędziowy.

Co pokazują liczby?

• Formy do formowania z wtrysku (DLP Origin/żywica): Średnie skrócenie czasu produkcji formy o 85–95% oraz oszczędność kosztów na poziomie 75–95%. Umożliwia łatwiejsze wprowadzanie zmian w projekcie oraz wytworzenie prototypu z rzeczywistego materiału (PP, LDPE, HDPE), w tym przezroczystych butelek.
• Wytłaczanie z rozdmuchem (FDM): Czas realizacji prototypowych elementów skraca się z tygodni do mniej niż pięciu dni, a koszt oprzyrządowania wynosi od jednej trzeciej do połowy ceny prototypowej formy aluminiowej. Jeden producent wyprodukował w ten sposób 800 butelek PET bez zużycia, odkształcenia ani zmian wymiarowych formy.
• Seria pilotażowa i testy konsumenckie: Dla jednego klienta udało się wyprodukować 200 sztuk każdego z czterech projektów w ciągu jednego miesiąca.
• Formowanie próżniowe: Formy nadają się do prototypów funkcjonalnych, produkcji pilotażowej, a także mniejszych serii na zamówienie, orientacyjnie od kilkudziesięciu do kilkuset sztuk.

Gdzie leżą granice tej technologii

Rapid tooling nie nadaje się do produkcji wielkoseryjnej. Orientacyjnie pozwala na wyprodukowanie od setek do kilku tysięcy sztuk z jednej formy, w zależności od materiału i zastosowania. Jest więc idealnym rozwiązaniem dla prototypów, serii pilotażowych oraz mniejszych lub często zmieniających się zamówień. Z zrealizowanych projektów rozwojowych wiemy, że forma po kilku pierwszych cyklach „wjeżdża się” i dalej działa stabilnie bez widocznych oznak zużycia.

Dla kogo rapid tooling ma sens

Najbardziej nadaje się dla producentów butelek PET/PE i opakowań formowanych metodą rozdmuchową, zakładów narzędziowych oferujących formy rozdmuchowe na zamówienie, firm zajmujących się obróbką tworzyw sztucznych metodą formowania próżniowego oraz marek z branży FMCG lub napojów, które samodzielnie opracowują opakowania. Zazwyczaj jest to odpowiednie rozwiązanie w sytuacjach, gdy firma zajmuje się ekoprojektowaniem, zmniejszaniem masy opakowań lub przejściem na materiały pochodzące z recyklingu i przed zainwestowaniem w ostateczną formę musi zweryfikować nowy kształt, grubość ścianek lub szyjkę butelki w rzeczywistym procesie produkcyjnym.

Chcesz zweryfikować nowy kształt butelki lub opakowania przed zamówieniem ostatecznej formy?

Chętnie pokażemy Państwu rzeczywisty wzór formy do formowania z wtrysku lub próżniowej, wydrukowanej w technologii 3D, oraz omówimy konkretne zastosowanie z technikami 3Dees. Prosimy o kontakt – wspólnie ocenimy, czy rapid tooling ma sens również w przypadku Państwa produkcji. Więcej inspiracji znajdziecie w naszych studiach przypadków.

Źródło zdjęć: 3Dees Industries