ALAPFOGALMAK ÉS A 3D NYOMTATOTT PROTOTÍPUSOKBAN REJLŐ LEHETŐSÉGEK
Egy olyan iparágban, ahol minden forint számít, a 3D nyomtatással elérhető költségcsökkentés jelentősen növelheti a vállalatok versenyképességét. A 3D nyomtatók házon belüli alkalmazása a csomagolással foglalkozó vállalkozásoknak is segít jobb eredményeket és nagyobb profitot elérni. Cikksorozatunkban megmutatjuk, hogyan.
A 3D nyomtatás már 40 éves múltra tekint vissza, noha a gyártásban csak az elmúlt tíz évben kezdett általánossá válni a használata. Ennek fő okai, hogy lejártak korábbi szabadalmak, majd az évek során a technológia, a gépek és az alapanyagok is egyre olcsóbbak, megbízhatóbbak, pontosabbak és gyorsabbak lettek. A 3D nyomtatással elérhető lokális, rapidgyártás előnyeit ezután hamar felismerték a gyártócégek. A korábban kiszervezett vagy drága belső kapacitást lekötő, egyedi gyártási feladatok kiváltása a 3D nyomtatással olyan költségcsökkentést tesz lehetővé, amely pár hónap vagy akár hét alatt biztosítja a technológiába való befektetés megtérülését. Ma a 3D nyomtatók legelterjedtebb ipari alkalmazásai között szerepel a rapid prototípus-gyártás, a gépalkatrészek és komplex szerszámok előállítása is. Ezeknek a területeknek a csomagolástechnikai kiaknázásában rejlő lehetőségeit, sikeres példáit fogjuk körbejárni a következő cikkekben.
A 3D nyomtatásról röviden
A 3D nyomtatás vagy úgynevezett additív gyártás – szemben a hagyományos, szubtraktív eljárásokkal – nem egy tömbből az anyag eltávolításával állítja elő az alkatrészeket, hanem mindig csak a szükséges alapanyagot hozzáadva, rétegről rétegre építi fel azokat. A rétegenkénti építkezésre különböző eljárások születtek, amelyeknek működésük vagy a felhasznált alapanyaguk (leggyakrabban fém vagy polimerek) alapján más-más neveket adtak a gyártók. Fontos megjegyezni, hogy még mindig sok a fejlesztés a területen. Ráadásul a 3D nyomtatókat gyártók előszeretettel adnak új neveket saját, részben módosított eljárásaiknak, ami megnehezíti a technológiák osztályozását.
Polimerek
A legelterjedtebb additív gyártástechnológia a műanyagok területén az FDM (Fused Deposition Modeling) vagy FFF (Fused Filament Fabrication), amely hőre lágyuló műanyag nyomtatószálak megolvasztásával és extrudálásával dolgozik, és így építi fel rétegenként a tárgyat a nyomtatótálcára. Az FDM/FFF technológia a népszerűségét többek között annak köszönheti, hogy nagyon kedvező áron elérhető, széles alapanyagkínálatból lehet válogatni, és kezelése nem jár vegyszerek, porok, oldószerek alkalmazásával. Az FDM/FFF 3D nyomtatók között egyre felkapottabbak a kifejezetten kompozit anyagok feldolgozására optimalizált gépek. A polimerek nyomtatásában egy másik nagy csoport az UV-fénnyel műgyantát megszilárdító additív technológiák köre (SLA, mSLA, DLP, PolyJet stb.). Az SLA-technológia fröccsöntött felületi minőséget és rendkívüli részletességet képes elérni. Végül a polimernyomtatók harmadik nagy csoportja szintén hőre lágyuló műanyagokkal dolgozik, azonban nem nyomtatószál formában, hanem vékonyan felhordott műanyagpor rétegeit olvasztja össze a nyomtatandó tárgyak keresztmetszetében. Ilyen eljárás az SLS (Selective Laser Sintering) vagy az MJF (multi Jet Fusion) is. Előnyük az additívan elérhető legnagyobb formai szabadság, valamint a termelékeny és költséghatékony gyártás.
Fémek
A legnépszerűbb fémnyomtató eljárások szintén extrudáláson vagy lézeres olvasztáson – ebben az esetben hegesztésen – alapulnak. A polimerek 3D nyomtatásában utoljára bemutatott SLS-technológiának megfelelője fémnyomtatásban az SLM (Selective Laser Melting), amellyel rendkívül részletes és bonyolult geometriájú fémalkatrészek gyárthatók. Feltörekvőnek számítanak az alapanyagot (huzal vagy fémpor) csak a szükséges helyre adagoló, hegesztő eljárások (DED, Directed Energy Deposition), amelyekkel kevésbé részletes, de gyakran nagy méretű, a végleges formát megközelítő (nearnet-shape) alkatrészeket állítanak elő, vagy akár meglévő szerszámokat újítanak fel. Emellett széles területet képviselnek a fém fröccsöntés elvén alapuló eljárások, amelyek polimerrel kötött fémporból építik fel (pl. ADAM, Binder Jetting) az úgynevezett zöld alkatrészeket. A nyomtatott zöld alkatrészek kemencében történő szinterezés után érik el a tömör, fémöntvény minőséget.
Az additív gyártás előnyei a csomagolóiparban
Mondhatjuk, hogy kevesen szeretnek csomagolásra költeni, ezért is számít minden költség annyira a csomagolóipari cégek versenyképességében. Mindeközben jellemzően komplex formákra, sok prototípusra és egy-egy darabos mintára, de protoszériákra is szükség lehet, eltérő alapanyagokból. Ezek eseti gyártása a hagyományos eljárásokkal jelentős pénzügyi terhet jelent a csomagolásgyártók számára. Ezért fontos előny, hogy az additív gyártás jeleskedik mind az összetett geometriák gyártásában, mind az egy-egy darabos előállítás költségeinek alacsonyan tartásában. Emellett a helyben elérhető 3D nyomtató kapacitása rendkívül felgyorsítja a különböző dizájnváltozatok tesztelését, amely jobb termékekhez és gyorsabb piacra lépéshez is vezethet. További jó hír, hogy az additív gyártás természetéből adódóan 70–90%-kal kevesebb hulladékkal képes alkatrészgyártásra, amikor amúgy is óriási fentarthatósági nyomás van ezen az iparágon.
A Rapid prototípusgyártás előnyei a csomagolóiparban
Egy kép többet mond ezer szónál, egy 3D nyomat pedig ezer képet is felülmúl. A prototípus-gyártás minden hagyományos gyártófolyamat egyik legköltségesebb, ugyanakkor elengedhetetlen része. A 3D nyomtatás ezen a területen robbant be először a gyártásba, ugyanis az elérhető árú 3D nyomtatók rendkívül megkönnyítették és olcsóbbá tették a korábban igen költséges prototípus-gyártási folyamatokat. Elterjedésük pedig azzal járt, hogy ma már nagyon nehéz olyan megrendelőt találni, aki kézzelfogható minta nélkül a mi megoldásunk mellett döntene.
A 3D nyomtatók közvetlen a megtervezett 3D modell alapján, a gépek programozása, felügyelete és szerszám nélkül képesek a szükséges geometriák előállítására, mindössze pár óra leforgása alatt. Ezáltal megspórolható a drága szerszámozás, a belső gyártás vagy a kiszervezés idő- és pénzköltsége, de a kapcsolódó adminisztratív feladatok terhe is. A gyors, házon belüli gyártás dinamikusabb termékfejlesztést, gyorsabb piacra lépést tesz lehetővé egy olyan intenzív versenyszférában is, mint a csomagolóipar. Ráadásul attól függően, hogy milyen additív gyártástechnológiát és alapanyagot alkalmazunk, akár teljesen megközelíthető a végtermék-minőség is.
Koncepciómodellek, esztétikai tesztek
A fentebb is kiemelt, költséghatékony műanyagszál-olvasztásos (FDM, FFF) technológiával általában az első iterációk készülnek, amelyek ergonómiai, illeszkedési, formai tesztekhez használhatók. Ezek a konceptuális prototípusok viszonylag elnagyoltak: láthatók a rétegvonalak, vastagabbak a falak, viszont gyorsan és olcsón gyárthatók. Például egy üdítő vagy parfüm esetében csak formailag felelnek meg a végterméknek, azonban már ez is elég az első dizájntervek validálásához. A L’Oreal már évtizedek óta támaszkodik a 3D nyomtatásra az új csomagolások, parfümös üvegek prototipizálásához.
Lehetséges a végterméknek látszatra teljesen megfelelő prototípusok gyártása is, amely jelentősen megkönnyítheti az esztétikai teszteket. A teljesen valósághű nyomatok költséges, full-color 3D nyomtatókkal valósíthatók meg, amelyek így teljes körű vizuális értékelésre adnak lehetőséget.
A nyomtatott prototípusoknak óriási jelentősége van az ügyfelekkel folytatott vagy akár a csapaton belüli kommunikációban is. A kézbe vehető modellek segítenek a sorozatgyártás előtt elkerülni a félreértéseket, és megspórolni a szerszámok esetleges későbbi módosításának költségeit.
Funkcionális prototípusok nyomtatott szerszámokkal
Bár már rengeteg, az iparban elfogadott funkcionális végtermék-alapanyagot lehetséges 3D nyomtatni is, a csomagolások sok esetben olyan vékony falakat és áttetszőséget követelnek meg, amit rétegről rétegre talán sosem leszünk képesek (költséghatékonyan) felépíteni. Így a funkcionális prototípusok közvetlen 3D nyomtatása helyett a rapid szerszámozás a bevett gyakorlat a végtermék anyagból készülő csomagolás-protoszériák előállítására.
A 3D nyomtatás ezzel a protoszériák gyártásában is új lehetőségeket teremtett. Házon belüli 3D nyomtatással a gyártók és terméktervezők rapid szerszámokat vezethetnek be a termékfejlesztési folyamatba a tervezési és gyártási lépések validálására, mielőtt végleges fémszerszámra és tömeggyártásra váltanának. Ezekkel a gyors szerszámokkal már lehetséges a végtermék anyagából, a végterméknek teljesen megfelelő csomagolásokat előállítani. A piacvezető csomagolásgyártók már 3D nyomtatott protoszerszámokat alkalmaznak olyan eljárásokban, mint például a palackfúvás, fröccsöntés vagy a hőformázás. Ezáltal felszabadítanak CNC-kapacitást, és a képzett kezelők ideje is más, nagyobb értékű feladatok elvégzésére fordítható.
A drága, forgácsolt fémszerszámok helyett tehát lehetséges a protoszériákhoz költséghatékony, műanyag formaadó szerszámok, szerszámbetétek nyomtatása. Ezekkel a protoszerszámokkal már a végterméknek megfelelő minőségben gyárthatók akár több száz darabos szériák, például fogyasztói tesztekhez. Jó példával jár elöl az Unilever és egyik legnagyobb csomagolóipari partnere, a Serioplast, amely a műanyagcsomagolásokat, például az élelmiszer- és italtárolókat, a kozmetikai és az orvosi csomagolóanyagokat leggyakrabban fúvással állítja elő. Mivel az ehhez szükséges formaadó szerszámok előállítása CNC-megmunkálással több ezer dollár költséget és 4-8 hetes átfutást jelentett, ezért a csomagolási prototípusok kis mennyiségben történő fúvása hagyományosan nem volt gazdaságosan megvalósítható.
Erre a kihívásra kerestek megoldást az additív gyártás területén, és végül ráleltek a sztereolitográfiára (SLA), amely, mint 3D nyomtatási technológia, kiváló választás flakonfúvó szerszámok, szerszámbetétek kivitelezéséhez. Sima felület, nagy részletesség és pontosság jellemzi ezt az eljárást. Mostanra bevett szokás, hogy egy nagy formátumú SLA nyomtatóval üvegtöltetű, hőálló műgyanta alapanyagból gyártják a szükséges protoszerszámokat, amelyek több száz fúvóformázási ciklusra képesek. Az így elkészült flakonok már teljesen megfelelnek a végtermék minőségének, így azzal megegyező módon, teljes körűen tudják tesztelni akár fogyasztók bevonásával is.
Gyorsabb piacra lépés, jobb termékekkel
Egyértelmű, hogy a gyorsabb prototipizálás felgyorsítja a termékfejlesztési és piacra lépési folyamatokat. Emellett akár több iterációra, ezáltal jobb csomagolások fejlesztésére is lehetőséget ad, amely hatalmas versenyelőnyt jelent az a használóinak. Alkalmazásuk a gyártás szempontjából is érdekes. A nyomtatott prototípusok gyárthatósági problémák feltárásában is hasznosak lehetnek. Emellett segítséget nyújtanak a gyártósorok korai felkészítésében, a gépek és szállítószalagok működésének korábbi beállításában és megfelelő szerszámozásában, hogy minél hamarabb megkezdődhessen a termelés.
3D nyomtatott csomagolás? Prototípusból végtermék?
Ahogy az elején is kiemeltük, a 3D nyomtatás területén még mindig rengeteg a fejlesztés. Nemcsak maga a technológia és az alapanyagok fejlődnek, de az alkalmazási területeken is jelentős az innováció. A csomagolóipari innovációt a fenti példákban inkább a költségcsökkentés, versenyképességi vagy fenntarthatósági célok hajtják. Ezen túllépve, a csomagolóiparban is vannak olyan irányok, amelyek közvetlen a végtermék, azaz a csomagolás nyomtatásával kísérleteznek vagy kihasználva az additív gyártás komplex lehetőségeit, olyan ötletekkel állnak elő, amelyek a csomagolásnak új funkciókat adnak – esetleg egyenesen a végtermék integrált részévé teszik azt. Utóbbira példa lehet a Smart Cups fejlesztése.
A Smart Cups egy olyan energiaital gyártó, amely kihagyja termékéből a legnehezebb szállítható összetevőt, a vizet, és az italok alapanyagait közvetlen a csomagolás belsejére nyomtatják. Amikor a fogyasztó megtölti vízzel a SmartCup poharait, a különböző, nyomtatott összetevők felszabadulnak, sőt, ahogy a cég fogalmaz, még el is keverik magukat. Ezzel a megoldással magába, a csomagolásba integrálták a terméket, amellyel óriási mértékben csökkentették az értékesítés logisztikai költségeit. Kövesse híreinket, és ne maradjon le a csomagolóipari 3D nyomtatásnak dedikált cikksorozatunk következő részéről!
Szabó Diána | FreeDee Kft. | freedee.hu
