PepsiCo tiết kiệm tới 96% chi phí nhờ giải pháp in 3D khuôn chai
Khác với công cụ kim loại truyền thống, PepsiCo đã có thể tăng tốc, giảm chi phí và mở rộng tính linh hoạt trong sản xuất với việc chuyển đổi sang sử dụng máy in 3D để chế tạo khuôn chai.
Tốc độ tiếp cận thị trường ngày càng trở nên quan trọng trong lĩnh vực hàng tiêu dùng khi các thương hiệu hướng đến việc phát triển các thiết kế bao bì mới để đáp ứng nhu cầu của khách hàng, đồng thời tạo ra sự khác biệt so với các đối thủ cạnh tranh. Tuy nhiên, việc thay đổi thiết kế bao bì rất tốn kém, đặc biệt là trong ngành đồ uống đóng chai. Việc tạo ra công cụ kim loại thông thường để đúc chai tại khuôn viên R&D của PepsiCo ở Valhalla, N.Y., từng đồng nghĩa với việc chờ đợi hàng tuần và tiêu tốn hàng nghìn đô la cho các chi phí.
Theo Max Rodriguez, giám đốc cấp cao của bộ phận nghiên cứu và phát triển bao bì toàn cầu, kỹ thuật và thiết kế tiên tiến tại trung tâm nghiên cứu của PepsiCo, họ có thể phải chi tới 10.000 đô la chỉ để sản xuất một bộ khuôn kim loại tùy thuộc vào độ phức tạp của nó.
Sau khi bản thiết kế của chai được tạo ra, sẽ mất tới bốn tuần để gia công một khuôn kim loại bằng gia công truyền thống và sau đó thêm hai tuần để thử nghiệm việc đúc thổi thực tế của các nguyên mẫu.
Tăng tốc sản xuất với tạo mẫu nhanh
Để đưa sản phẩm mới ra thị trường nhanh hơn bằng cách giảm thời gian và chi phí cho các nguyên mẫu, Rodriguez đã bắt đầu sử dụng máy in 3D từ vài năm trước.
Mặc dù máy in 3D rất xuất sắc trong việc tạo ra các nguyên mẫu thiết kế, nhưng công cụ khuôn in 3D vẫn còn thiếu độ bền. Khi khuôn in 3D được sử dụng trong máy thổi khuôn, họ chỉ có thể sản xuất khoảng 100 chai trước khi khuôn bắt đầu hỏng. Điều này đã thúc đẩy Rodriguez và nhóm của anh ấy khám phá bằng cách sử dụng phương pháp kết hợp, kết hợp các bộ phận của khuôn kim loại thông thường với các insert in 3D.
Mô hình kết hợp này – được PepsiCo cấp bằng sáng chế vào cuối năm 2020 – bằng việc sử dụng vỏ khuôn bên ngoài bằng kim loại đa năng phù hợp với hầu hết các máy đúc thổi thương mại. PepsiCo sau đó đã tìm ra cách sử dụng sản xuất bồi đắp để rành riêng cho việc in các bộ phận thiết yếu của khuôn để tạo ra hình dạng sản phẩm cuối cùng.
Khuôn thổi chai theo truyền thống được gia công bằng kim loại, quy trình này chậm hơn và tốn kém hơn so với in 3D (Nguồn: Ingersoll)
Khám phá giải pháp in 3D
Sau khi làm việc với một nhà phân phối công nghệ sản xuất bồi đắp có trụ sở tại Chicago, nhóm PepsiCo đã khám phá các giải pháp in 3D công nghiệp có thể đáp ứng các yêu cầu của họ về cả kích thước và vật liệu.
Từ năm 2020 đến năm 2022, Rodriguez đã tiến hành các thử nghiệm thiết kế với một máy thổi khô tại một bên thứ ba, chế tạo chai với tốc độ 600 đến 800 chai mỗi giờ, chỉ với một khuôn kết hợp duy nhất. Ý tưởng bộ cho khuôn mô-đun đã thử nghiệm thành công, nhưng độ bền của vật liệu vẫn còn là một thách thức.
Rodriguez cho biết: “Khi nghiên cứu giải pháp cho việc tạo khuôn bằng cách sử dụng in 3D, chúng tôi đã tập trung vào việc xác định loại vật liệu có thể chịu được các điều kiện đúc thổi thường thấy trong môi trường sản xuất. “Trong các thiết lập nhiệt của khuôn thổi, khuôn có thể được nung đến nhiệt độ khoảng 140ºC là chuyện bình thường. Điều quan trọng nữa là vật liệu cần có thể chịu được áp lực thổi là 40 bar. “
Giải pháp vật liệu khả thi duy nhất tại thời điểm Rodriguez bắt đầu nghiên cứu cách đây khoảng 3 năm là cyanate esther, ông nói. “Kể từ đó, các nhà cung cấp vật liệu lớn, chẳng hạn như Henkel Loctite và BASF, đã tăng tốc phát triển vật liệu của họ cho các ứng dụng sản xuất bồi đắp.”
Theo Rodriguez, Henkel đã giới thiệu vật liệu XPEEK147 của mình cách đây khoảng một năm, cung cấp một số ưu điểm của cyanate esther.
Nhóm nghiên cứu đã phủ một lớp thạch cao nha khoa lên các miếng insert in 3D để tạo cho các hốc khuôn có sức chịu nén cần thiết cho áp lực đúc thổi. Sau đó, nó sử dụng một máy đúc thổi kéo dài Blowscan từ Công nghệ Blow Molding để sản xuất các chai thử nghiệm thực tế.
Ông Rodriguez cho biết PepsiCo đã sản xuất chai hàng ngày bằng cách sử dụng phương pháp công cụ kết hợp của mình trong vài tháng qua. “Thời gian và chi phí đương nhiên là quan trọng, nhưng quan trọng hơn là phải có sự linh hoạt để thực hiện các lần lặp lại thiết kế khác nhau với tốc độ yêu cầu để chúng tôi có thể đánh giá hiệu suất trong tất cả các hoạt động hạ nguồn. Đó mới là điều khiến chúng tôi tăng tốc thực sự ”.
Các hoạt động hạ nguồn này bao gồm xác nhận cách thức hoạt động của chai trên dây chuyền đóng gói của PepsiCo, trong các máy bán hàng tự động và trên toàn bộ mạng lưới phân phối của PepsiCo.
Các thử nghiệm đúc thổi tại trung tâm R&D của PepsiCo đã cung cấp dữ liệu cho thấy các mẫu từ khuôn in 3D có thể so sánh với các mẫu từ khuôn kim loại.
Từ 4 tuần xuống 48 giờ, $ 10.000 xuống còn $ 350
Một bộ khuôn hoàn chỉnh có thể được thực hiện trong 12 giờ, với thời gian in 3D là 8 giờ và 4 giờ cho xử lý hậu kỳ. Chi phí khoảng $ 350 cho mỗi bộ khuôn. Những chiếc khuôn làm bằng vật liệu kết hợp này có thể được sử dụng cho hơn 10.000 chai trước khi hỏng. Kết quả là giảm gần 96% chi phí so với dụng cụ kim loại truyền thống.
“Thông qua việc tận dụng những ưu điểm này,” Rodriguez nói, “chúng tôi mong đợi một chu kỳ phát triển nhanh hơn tới 30%.” Tuy nhiên, điều này không chỉ liên quan đến khả năng in 3D một bộ khuôn. “Khả năng in 3D được kết hợp và xen kẽ với khả năng phân tích ảo của chúng tôi. In 3D bổ trợ cho phân tích ảo và ngược lại, do đó, chu kỳ phát triển nhanh hơn được thực hiện bằng cách tận dụng chung các công cụ tiên tiến này ”.
Liệu bước tiếp theo của PepsiCo có phải là in 3D kim loại không? PepsiCo cho biết: “Khuôn thổi in 3D bằng kim loại hiện đang trong quá trình nghiên cứu.
