成本降96%周期缩30%，百事可乐用3D打印模具提速新瓶开发
与传统的金属模具相比，百事可乐使用 3d 打印机提高瓶模制造速度、降低成本并扩大灵活性。
在快消品领域，上市速度从未像现在这样重要——品牌只有持续开发新包装设计，满足不断变化的客户需求，才能在激烈的竞争中脱颖而出。
传统金属模具制造又贵又费时
然而，包装设计变更的成本很高，尤其是在瓶装饮料行业。百事可乐公司位于纽约州的研发园区为了新款饮料瓶的吹塑成型采用传统金属模具，常常需要数周的等待和数千美元的成本。“百事可乐可以花费高达10,000 美元来生产单个金属模具组，具体取决于其复杂性。”百事可乐研究中心全球包装研发、先进工程和设计高级经理 max rodriguez 说。
他表示一旦瓶子完成数字化设计，使用传统制造方法加工金属模具最多需要 4 周时间，然后需要额外两周时间才能获得试验装置来进行原型的吹塑成型。
3d打印模具加速产品开发周期
为了通过降低原型生产的时间和成本，以便更快将新产品推向市场，rodriguez 几年前开始使用 3d 打印机。
尽管 3d 打印机在制作设计原型方面表现出色，但早期的3d 打印模具在耐用性稍有不足——一套3d打印模具只能用来生产100个瓶子。为了提高3d打印模具的使用效率，rodriguez及其团队探索使用混合方法，将传统金属模具的部件与 3d 打印插件相结合。
该混合模型已被百事可乐公司与2020年申请获得专利，它采用了适合大部分商用吹塑机的金属外模壳，那些能够决定瓶子几何形状的模具内部部件则采用3d打印加工而成。
百事可乐团队与芝加哥的增材制造技术分销商 dynamism 合作，探索能够满足其尺寸和材料要求的工业 3d 打印解决方案。
据介绍，在 2020 年至 2022 年期间，rodriguez 在第三方使用中试工厂规模的吹塑机进行测试，单个混合模具每小时可生产600 至 800 个瓶子。模块化模具组的概念得到验证，但材料的耐用性仍然是一个挑战。
“在吹塑模具热定形应用中，通常将模具加热到约 140ºc 的温度。材料能够承受 40 巴的打击压力也很重要。”rodriguez说。他表示三年前开始研究这种混合模具的时候，唯一可行的材料解决方案是氰酸酯。“不过从那时候起，汉高乐泰和巴斯夫等主要材料供应商也加快增材制造应用的材料开发。汉高大约一年前推出了 xpeek147 材料，它包含了氰酸酯的多项优势。”
该团队将牙石背衬应用到3d打印的嵌件上，以使模腔具有吹塑压力所需的抗压强度。他们使用来自北爱尔兰 blow molding technologies 公司的改进型实验室专用blowscan 拉伸吹塑机来生产测试瓶。
rodriguez说，在过去的几个月里，百事可乐一直在使用其混合模具生产瓶子。“时间和成本显然很重要，但更重要的是能够灵活地以创纪录的速度运行多个不同的设计造型，以便我们能够评估所有下游活动的性能，这将有利于加速新包装的上市。”这些下游活动包括确认瓶子在百事可乐的包装线、自动售货机以及整个分销网络中的使用体验。
百事公司研发中心的吹塑试验数据显示，采用3d 打印模具生产的样品与采用金属模具生产的样品相媲美。
为了验证模具与3d打印机使用型号无关，rodriguez还在carbon m2 打印机 stratasys j55 和 markforged x5都进行模具的3d打印，最终选择nexa3d nxe 400 打印机以及汉高乐泰的 xpeek147 材料。
rodriguez认为nxe 400 足够大，可以同时打印多个模具零件，而且速度很快，从而加快了迭代和生产过程。
成本降低96%，周期加快30%
这套混合型模具可在12小时内完成，其中 3d 打印时间为 8 小时，后处理或固化时间为 4 小时。每套模具的成本约为 350 美元。这些混合型模具可用于 10,000 多个瓶子的打样测试，与传统金属工具相比，成本降低了近 96%。
“我们预计使用混合型模具可将产品开发周期将加快 30%。” rodriguez 说，“然而，这不仅需要3d打印模具，还离不开虚拟分析，两者相互相成才能加快产品开发周期。”
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他表示一旦瓶子完成数字化设计，使用传统制造方法加工金属模具最多需要 4 周时间，然后需要额外两周时间才能获得试验装置来进行原型的吹塑成型。
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rodriguez说，在过去的几个月里，百事可乐一直在使用其混合模具生产瓶子。“时间和成本显然很重要，但更重要的是能够灵活地以创纪录的速度运行多个不同的设计造型，以便我们能够评估所有下游活动的性能，这将有利于加速新包装的上市。”这些下游活动包括确认瓶子在百事可乐的包装线、自动售货机以及整个分销网络中的使用体验。
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