Como una de las empresas de bienes de consumo de rápido movimiento más grandes del mundo, con marcas como Dove, Domestos, Cif, Knorr, Ax (Lynx) y Ben & Jerry's, Unilever desarrolla constantemente nuevos productos y empaques asociados para el cuidado personal, del hogar, nutrición y más.
Las empresas fabricantes de productos de consumo empacados enfrentan una demanda constante de los consumidores y ello genera una competencia feroz, por lo que aquellas tienen que innovar y adaptar continuamente su estrategia de producto.
Un área importante de innovación es el empaque; El diseño de una botella en ocasiones puede afectar la percepción del cliente tanto como lo que hay dentro. Marcas como Unilever deben considerar el uso de materiales, el atractivo estético, la seguridad y la sustentabilidad para un amplio catálogo de tipos de envases y los productos que contienen. Pero para una “simple” botella de plástico, pasar del diseño en la pantalla de la computadora al llenado en la línea de fabricación tradicionalmente lleva muchos meses.
Stefano Cademartiri, propietario de CAD y prototipos en Unilever y Flavio Migliarelli, gerente de diseño de I+D del proveedor de envases Serioplast Global Services, han trabajado mano a mano para probar la viabilidad de moldes impresos en 3D para aplicaciones de moldeo por soplado y estirado de bajo volumen. Esta práctica ha acelerado la creación de prototipos y las pruebas piloto, reduciendo el tiempo de entrega en seis semanas y los costos hasta en un 90%.
“Una empresa de bienes de consumo como Unilever debe estar en el mercado lo antes posible o antes que sus competidores. Es necesario ofrecer el mejor producto al mejor precio en el menor tiempo posible a los consumidores. La impresión 3D nos ayuda a acelerar este proceso”, afirma Cademartiri.
Máquina sopladora de preformas Seriomac UNIX de 4 cavidades de Serioplast en sus instalaciones de I+D en Italia. Junto con Unilever, desarrollaron un nuevo flujo de trabajo para utilizar moldes impresos en 3D en este equipo de fabricación industrial a gran escala.
Flujo de trabajo tradicional
Los envases de plástico para alimentos y bebidas, cosméticos y productos farmacéuticos se producen comúnmente mediante moldeo por soplado, una gama establecida desde hace mucho tiempo de métodos rápidos de producción en masa para piezas de paredes delgadas de alta calidad. El moldeo por soplado es conocido por sus tiempos de ciclo cortos, normalmente entre uno y dos minutos, y es bastante rentable para la producción de gran volumen. Generalmente se emplea para producir millones de piezas idénticas a bajos costos unitarios.
Al utilizar la resina rígida 10K, Serioplast fabricó moldes precisos con un acabado superficial liso, capaces de integrar características finas, incluidos orificios tan pequeños como 0,5 mm. Post-procesaron la herramienta con una máquina pulidora o lijado manual para cumplir con las dimensiones críticas. Se incorporaron superficies texturizadas en el CAD de la cavidad del molde.
El moldeo por soplado funciona inflando un tubo de plástico calentado, llamado parison o preforma inyectada, dentro de un molde hasta que adquiere la forma deseada. Existen tres tipos de procesos de moldeo por soplado: moldeo por extrusión y soplado (EBM), moldeo por inyección y soplado (IBM) y moldeo por soplado y estiramiento (SBM), y el SBM se utiliza comúnmente para producir envases de PET transparentes de alta calidad, como botellas de agua.
Serioplast es un productor mundial de envases de plástico rígido para la industria de bienes de consumo y es uno de los principales socios de Unilever en el desarrollo y producción de envases para el mercado del cuidado personal y del hogar. "Producimos cuatro mil millones de botellas al año en materiales PET, HDPE y PP", afirma Migliarelli.
Por lo general, Serioplast imprimiría directamente en 3D maquetas de botellas de Unilever para prototipos o las moldearía por soplado. Pero hasta hace poco, imprimió en 3D maquetas que no representaban la transparencia ni se sentían bien y no eran lo suficientemente confiables para enviárselas a los consumidores. Sin embargo, construir muestras con calidad de producción a través de SBM requiere herramientas metálicas costosas, lo que agrega de seis a nueve semanas de tiempo de entrega a una fase de prueba piloto típica debido a la complejidad del proceso y a la subcontratación de la producción del molde.
“Tenemos que esperar de seis a 12 semanas antes de poder darle a un cliente la muestra real, por lo que estamos perdiendo muchas semanas simplemente para probar un nuevo diseño de botella. A veces es exigente y frustrante porque quizás a veces tengas que empezar de nuevo”, dice Migliarelli.
Estos moldes SBM se mecanizan tradicionalmente a partir de metal mediante CNC, lo que requiere equipos especializados, software CAM y mano de obra calificada. La producción de herramientas metálicas generalmente se subcontrata a proveedores de servicios que ofrecen plazos de entrega de cuatro a ocho semanas y cuestan entre $ 2000 y más de $ 100 000, dependiendo de la complejidad de la pieza y la cantidad de piezas por molde.
Incluso mecanizar un molde de metal internamente normalmente lleva seis semanas, ya que requiere varios pasos: tiempo de entrega para el pedido de material, configuración CAM y de la máquina, pulido manual y tiempo de espera para la disponibilidad de la máquina.
Como resultado, el moldeo por soplado de piezas en pequeños volúmenes para la creación de prototipos y pruebas piloto tradicionalmente no ha sido económicamente viable. Las empresas dueñas de marca como Unilever han tenido que planificar con plazos prolongados y tomar decisiones de diseño finales basadas en prototipos similares en diferentes materiales, lo que a menudo condujo a herramientas obsoletas y costos hundidos.
El molde impreso en 3D con resina rígida 10K se pule manualmente y luego se ensambla en un marco de metal.
70% más rápido y 90% más barato
La impresión 3D es una solución poderosa para fabricar herramientas rápidamente y a bajo costo. Requiere equipos comparativamente limitados, lo que libera capacidad de CNC y tiempo de operadores capacitados para otras tareas de mayor valor. Con la impresión 3D interna, los fabricantes y diseñadores de envases pueden introducir herramientas rápidas en el proceso de desarrollo de productos para validar los pasos de diseño y fabricación antes de pasar a la producción en masa. Los moldes impresos en 3D ya se utilizan en procesos como el moldeo por inyección o el termoformado para iterar rápidamente, acelerar el desarrollo de productos y llevar mejores productos al mercado.
La tecnología de impresión 3D por estereolitografía (SLA) es una excelente opción para el moldeado. Se caracteriza por un acabado superficial suave y de alta precisión que la herramienta trasladará a la pieza final y que además facilita el desmoldeo. La Form L es una impresora 3D SLA de gran formato que permite la fabricación de piezas y moldes a gran escala, a la vez que es lo suficientemente compacta para una oficina.
La elección del material es crucial para producir moldes. Unilever y Serioplast necesitaban un material que pudiera soportar la presión interna y la temperatura del proceso SBM y al mismo tiempo mantener una buena precisión y estabilidad dimensional.
Molde impreso en 3D con resina rígida 10K para botella Unilever Slice de 750 ml instalada en el soporte de la carcasa de la máquina. El equipo puede utilizar la misma ventana de proceso que con un molde piloto estándar, lo que les permite probar de manera confiable el proceso final.
"Con la ayuda de los ingenieros de Formlabs, identificamos el material que podría brindarnos la posibilidad de tener algunas botellas en materiales reales para realizar nuestras pruebas", dice Cademartiri.
La resina Rigid 10K es el material recomendado por Formlabs para SBM, ya que combina resistencia, rigidez y resistencia térmica. Es un material de grado industrial, con un alto contenido de vidrio, con una temperatura de deflexión del calor (HDT) de 218 °C a 0,45 megapascales (Mpa) y un módulo de tracción de 10.000 MPa. Las herramientas impresas con Rigid 10K Resin tienen buena estabilidad dimensional y son adecuadas para cientos de ciclos de moldeo por soplado con alta repetibilidad.
“Tenemos detalles exactamente afinados para el molde, especialmente para una botella que tiene algunos logotipos o cosas como un detalle de limón, lo que requiere mucha precisión. La máquina de Formlabs junto con Rigid 10K Resin ofrece la posibilidad de tener muy buenos detalles que luego se pueden transferir a la botella real”, afirma Cademartiri.
Con la impresión 3D SLA se puede construir un molde en dos días. Los moldes impresos en 3D reducen el tiempo de entrega para comenzar las pruebas piloto de seis a dos semanas y, al mismo tiempo, logran piezas de preproducción realistas que están muy cerca de la calidad de producción y se moldean utilizando el mismo material y maquinaria que las unidades de producción finales. Además, los moldes impresos en 3D permiten a los operadores realizar pruebas piloto de múltiples diseños simultáneamente.
“Con el molde impreso en 3D, utilizamos un diseño estándar dentro de un soporte de concha que se coloca en la máquina de moldeo por soplado. Así ahorramos mucho tiempo en el diseño de moldes y podemos gestionar nuestras impresiones 3D. programar muy, muy fácilmente”, dijo Migliarelli.
“Con el molde impreso en 3D, podemos ahorrar hasta un 70 % de tiempo y un 90 % de costes en comparación con el molde estándar. En el pasado, [los clientes] tenían que esperar hasta 12 semanas solo por un diseño, ahora podemos hacer cinco diseños”, dice Migliarelli.
Realizar pruebas tan exhaustivas con métodos tradicionales es casi imposible. Tendrían que invertir en un molde de metal para cada diseño sin los beneficios de las economías de escala y nunca recuperarían los costos de herramientas.
De las pruebas de consumo a la línea de producción
Principalmente, las herramientas impresas en 3D se emplean para producir muestras para pruebas de consumo. Son representativos del producto final en términos de sensación, estética y uso, y se perciben como el producto real a los ojos del consumidor.
“Puedes tener una botella real antes de hacer el molde real, así puedes identificar inmediatamente si estás en el camino correcto en tu desarrollo o si necesitas cambiar algo para evitar errores que pueden costar más”, dice Cademartiri.
Un uso secundario del molde modular es validar el proceso de SBM, así como la preforma de PET que se soplará, observando las ventanas del proceso, la relación de estiramiento y la distribución del material que se pueden lograr. Serioplast produce las preformas internamente mediante moldeo por inyección. Si bien algunas preformas se fabrican a medida para una botella específica, normalmente funcionan con elementos estandarizados que los usuarios no pueden modificar. El equipo de Serioplast quería comprender la gama de capacidades disponibles a través de esta preforma en stock. Conocer esta información les ayuda a determinar si una preforma determinada es adecuada para moldear por soplado una botella específica antes de entrar en producción.
“Estamos utilizando la misma ventana de proceso que con un molde piloto estándar. Esto está súper bien, porque podemos probar las ventanas del proceso final y ver qué pasa con la botella. Hablamos de hasta 30 bares de presión. Es absolutamente bueno y confiable en eso. También estamos hablando de un calentamiento de 100 °C para la preforma, sin desgaste de la cavidad del molde impreso en 3D. Podríamos producir muy fácilmente hasta 100 o 200 botellas cada día. Podemos llegar a 1.000 con más tiempo”, afirma Migliarelli.
La tercera aplicación para producir moldes rápidos es probar algunos aspectos de la línea de producción desde el principio. Debido a que las botellas formadas con moldes impresos en 3D están tan cerca de las unidades de producción, se pueden emplear para realizar algunas validaciones primarias de la línea de llenado, como el movimiento de la línea, el funcionamiento de las ruedas estrella de las máquinas llenadoras de botellas, el taponado o la acción del empacador de cajas robótico. Las pruebas piloto de la línea de fabricación les permiten a las fábricas anticipar las piezas de repuesto, preparar la línea para la producción en masa y acelerar su tiempo de comercialización.
Cademartiri y Unilever ya han probado unos 15 modelos diferentes de botellas con el nuevo proceso.
Llevar el empaque de productos al mercado más rápido
Con las impresoras SLA de Formlabs y la resina Rigid 10K, Unilever y Serioplast pudieron reducir los tiempos de entrega hasta en 70 % y los costos de herramientas hasta en un 90 % para producir tiradas piloto de 200 unidades en solo dos semanas.
“En Formlabs encontramos un socio muy bueno no solo para vender la máquina sino también para ayudarnos a descubrir las propiedades de estos materiales. Esta asociación me ayudó a identificar la posibilidad de iniciar este viaje con los moldes impresos en 3D”, dice Cademartiri.
El nuevo flujo de trabajo le permitirá a Unilever llevar mejores productos al mercado más rápidamente y reducir drásticamente los riesgos y costos asociados con el desarrollo de envases.
“El gran impacto que tenemos con la impresora 3D es la posibilidad de hacer realidad tus sueños. Algo que está en tu pantalla estará en tus manos en un par de semanas. Un producto real, con una botella real, con un tapón real y una etiqueta real”, concluye Cademartiri.
