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PEPSICO AHORRA UN 96% AL IMPRIMIR EN 3D LOS MOLDES DE LAS BOTELLAS.

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IDEA  1.61.

En comparación con el utillaje metálico tradicional, PepsiCo gana velocidad, reduce costes y amplía la flexibilidad al recurrir a las impresoras 3D para fabricar los moldes de las botellas.

La velocidad de comercialización nunca ha sido tan importante en el sector de los bienes de consumo, ya que las marcas intentan desarrollar nuevos diseños de envases para satisfacer los deseos siempre cambiantes de los clientes y diferenciarse de la competencia. Pero es caro cambiar el diseño de los envases, especialmente en el sector de las bebidas embotelladas. La creación de herramientas metálicas convencionales para el moldeo por soplado de botellas en el campus de I+D de PepsiCo en Valhalla, Nueva York, solía suponer semanas de espera y miles de costes.

El proceso de desarrollo del diseño de la botella en PepsiCo pasa del papel al digital, al prototipo impreso en 3D y a la impresión en 3D del molde para producir prototipos funcionales (Fuente: PepsiCo).

PepsiCo podría gastar hasta 10.000 dólares para producir un solo conjunto de herramientas de molde metálico en función de su complejidad, según Max Rodríguez, director senior de I+D global de envases, ingeniería avanzada y diseño, en el centro de investigación de PepsiCo.

Una vez creado el diseño digital de la botella, se tardaría hasta cuatro semanas en mecanizar un molde metálico mediante la fabricación convencional, y luego otras dos semanas en conseguir una unidad de prueba para hacer el soplado real de los prototipos.

Moldes de botellas impresos en 3D utilizando el material xPEEK147-Black de Henkel en la Nexa3D NXE 400 (Fuente: Nexa3D).

De la creación acelerada de prototipos a la producción acelerada.

Para conseguir que los nuevos productos lleguen al mercado más rápidamente reduciendo el tiempo y el coste de los prototipos, Rodríguez empezó a trabajar con impresoras 3D hace varios años.

Aunque las impresoras 3D eran excelentes para producir prototipos de diseño, los primeros intentos de imprimir moldes en 3D carecían de durabilidad. Cuando los moldes impresos en 3D se utilizaban en máquinas de moldeo por soplado, sólo podían producir unas 100 botellas antes de que el molde empezara a fallar. Esto llevó a Rodríguez y a su equipo a explorar el uso de un enfoque híbrido, combinando partes de un molde metálico convencional con inserciones impresas en 3D.

Este modelo híbrido -que PepsiCo patentó a finales de 2020- implica el uso de un molde exterior metálico universal que encaja en la mayoría de las máquinas comerciales de moldeo por soplado. A continuación, PepsiCo exploró el uso de la fabricación aditiva para imprimir solo las partes internas esenciales del molde que dan lugar a la geometría del producto final.

Los moldes de soplado de botellas se mecanizan tradicionalmente en metal, lo que supone un proceso más lento y costoso que la impresión 3D (Fuente: Ingersoll).

Exploración de la solución impresa en 3D.

Trabajando con el distribuidor de tecnología de fabricación aditiva Dynamism, con sede en Chicago, el equipo de PepsiCo exploró soluciones de impresión 3D industrial que pudieran satisfacer sus requisitos tanto de tamaño como de materiales.

“Nuestra relación con PepsiCo comenzó hace años con las impresoras 3D de sobremesa para la creación de prototipos de diseño”, afirma el director general de Dynamism, Douglas Krone. “Cuando sus necesidades pasaron a ser aplicaciones industriales, les presentamos impresoras 3D diseñadas para piezas industriales de producción”.

Entre 2020 y 2022, Rodríguez llevó a cabo pruebas de concepto con una moldeadora por soplado a escala de planta piloto en un tercero, haciendo funcionar botellas a un ritmo de 600 a 800 botellas por hora, con un único molde híbrido. El concepto de conjunto de moldes modulares fue un éxito, pero la durabilidad de los materiales seguía siendo un reto.

“Al abordar una solución para la generación de herramientas de molde mediante la fabricación aditiva, nos centramos en identificar un material que resistiera las condiciones de moldeo por soplado que suelen darse en nuestro entorno de producción”, dice Rodríguez. “En las aplicaciones de termo-fijación de moldes de soplado, es habitual en la industria calentar los moldes a una temperatura de unos 140ºC. También era importante que el material fuera capaz de soportar una presión de soplado de 40 bares”.

El rediseño de la botella de Pepsi en 2020 (Fuente: PepsiCo).

La única solución material viable en el momento en que Rodríguez comenzó su investigación, hace unos tres años, era el éter de cianato, dice. “Desde entonces, los principales proveedores de materiales, como Henkel Loctite y BASF, aceleraron el desarrollo de sus materiales para aplicaciones de fabricación aditiva”.

Henkel introdujo su material XPEEK147 hace aproximadamente un año, que aportaba varias ventajas al éter de cianato, según Rodríguez.

El equipo aplicó un soporte de piedra dental a los insertos impresos para dar a las cavidades del molde la resistencia a la compresión necesaria para la presión del soplado. A continuación, utilizaron una máquina de moldeo por soplado Blowscan modificada a escala de laboratorio de Blow Moulding Technologies, con sede en Irlanda del Norte, para producir las botellas de prueba reales.

PepsiCo ha estado produciendo botellas a diario utilizando su enfoque de herramientas híbridas durante los últimos meses, dice Rodríguez. “El tiempo y el coste son obviamente importantes, pero lo más importante es tener la flexibilidad de pasar por diferentes iteraciones de diseño a un ritmo récord para poder evaluar el rendimiento en todas las actividades posteriores. Eso es lo que realmente nos ayuda a acelerar”.

Estas actividades posteriores incluyen la confirmación del rendimiento de la botella en las líneas de envasado de PepsiCo, en las máquinas expendedoras y en toda su red de distribución.

Las pruebas de moldeo por soplado en el centro de I+D de PepsiCo proporcionaron los datos que demostraron que las muestras del molde impreso en 3D eran comparables a las de un molde metálico.

Rodríguez ha impreso moldes en 3D con la impresora Carbon M2, la Stratasys J55 y la Markforged X5, para validar que el concepto de molde-herramienta es independiente de la impresora, pero finalmente eligió la Nexa3D NXE 400 y su material xPEEK147 de Henkel Loctite para los insertos de la herramienta impresa en 3D.

La NXE 400 es lo suficientemente grande como para imprimir varias piezas de molde al mismo tiempo, además de ser rápida, lo que acelera el proceso de iteración y producción.

La impresora 3D NXE 400 de Nexa3D (Fuente: Nexa3D).

De 4 semanas a 48 horas, de 10.000 a 350 dólares.

Un juego de moldes completo puede fabricarse en 12 horas, con 8 horas de impresión 3D y 4 horas de pos-procesamiento o curado. El coste es de unos 350 dólares por juego de moldes. Estos moldes de fabricación híbrida pueden utilizarse para más de 10.000 botellas antes de fallar. El resultado es una reducción de costes de casi el 96% en comparación con los moldes metálicos tradicionales.

“Mediante el uso de estas capacidades”, dice Rodríguez, “esperamos un ciclo de desarrollo un 30% más rápido”. Sin embargo, esto no sólo está relacionado con la capacidad de imprimir en 3D un conjunto de moldes. “La capacidad de impresión 3D está acoplada y entrelazada con nuestra capacidad de análisis virtual. La AM complementa el análisis virtual, y viceversa, por lo que el ciclo de desarrollo más rápido se consigue aprovechando estas herramientas avanzadas de forma colectiva.”

El inserto de molde impreso en 3D y las máquinas de moldeo por soplado a escala de laboratorio se utilizan para generar muestras funcionales de producción de bajo volumen. “La intención no es sustituir los moldes metálicos para la producción de grandes volúmenes”, señala Rodríguez. “Los conjuntos de moldes impresos en 3D pueden montarse en una plataforma típica de producción de moldes de soplado, ya que las dimensiones de su carcasa exterior son universales y compatibles con nuestras plataformas típicas de producción. Sin embargo, para la producción regular, es mejor invertir en herramientas de metal, ya que esperamos que los moldes produzcan millones de botellas al año.”

¿El siguiente paso para PepsiCo es la impresión metálica en 3D? “Los moldes de soplado con impresión 3D en metal son un trabajo en curso”, dice PepsiCo.

(ADAPTADO CON INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA DEL ESTUDIO DE CASOS DE CLIENTES DE NEXA3D).

Artículo original disponible en: 3ALLDP.

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