Narzędzia do formowania puply papierowej wykonane w technologi druku 3D

Najważniejsze powody, dla których warto stosować narzędzia FDM do formowania pulpy papierowej

Formowana masa włóknista, znana również jako pulpa papierowa, to popularny materiał opakowaniowy wykorzystywany w wielu zastosowaniach konsumenckich, takich jak kartony na jajka, uchwyty do napojów czy opakowania ochronne. Ponieważ pulpa powstaje z makulatury lub włókien wtórnych, jest w 100% nadająca się do recyklingu i biodegradowalna, stanowiąc przyjazną dla środowiska alternatywę dla opakowań z tworzyw sztucznych.

Produkcja opakowań z pulpy papierowej to zautomatyzowany, szybki i niskokosztowy proces wytwórczy. Zmielony papier z recyklingu lub włókna rozpuszcza się w wodzie, tworząc zawiesinę. Następnie forma jest zanurzana w tej zawiesinie, a podciśnienie odciągające od tylnej strony zasysa materiał na formę, nadając kształt opakowaniu. W przypadku formowania typu drugiego następuje przeniesienie elementu na drugą formę z przeciwnej strony, która również wykorzystuje podciśnienie. Potem element jest usuwany z formy i trafia do pieca suszącego.

Chociaż sam proces produkcji jest prosty i szybki, wytwarzanie narzędzi (form) jest zazwyczaj żmudne i pracochłonne. Blok aluminium jest obrabiany mechanicznie do pożądanego kształtu, a w całym narzędziu wierci się liczne otwory. Aby zapobiec ich zatykaniu, cienka siatka druciana jest ręcznie spiekana, formowana i spawana do narzędzia. Ten czasochłonny proces zajmuje zwykle co najmniej dwa tygodnie i kosztuje około 30 000 USD za jedną dużą formę metalową.

Choć inwestycja w trwałe aluminiowe narzędzie ma sens przy potwierdzonym projekcie i produkcji przekraczającej 10 000 sztuk, w fazie prototypowania może być ona kosztowna i niepraktyczna przy mniejszych nakładach.

Producenci odkryli FDM (Fused Deposition Modeling) jako alternatywę. Narzędzia do druku przyrostowego w technologii FDM można wykonać w ułamku czasu i kosztu tradycyjnych metod. Co więcej, porowatość i sztywne kontury mogą być tworzone w jednym elemencie, bez konieczności zmiany formuły zawiesiny ani podciśnienia. Oto cztery powody, aby spróbować narzędzi FDM do pulpy papierowej.

Zaleta 1:
Projektowanie otworów i porowatości

Rozpuszczalne materiały podporowe FDM umożliwiają tworzenie złożonych geometrii i wielu segmentów CAD o różnym wypełnieniu w jednym wydruku – oszczędzając czas i pieniądze. Zewnętrzna krawędź narzędzia może być zaprojektowana jako struktura pełna (czerwony segment na ilustracji), która nie przepuszcza próżni. 

Siatka formująca, która nadaje kształt pulpie papierowej – przez tę powierzchnię zasysane są włókna do formy za pomocą podciśnienia dzięki porowatości między warstwami (niebieski segment).  

Tył narzędzia (zielony obszar wypełniający znajdujący się za siatką formującą – opcjonalnie dla form z cienkimi ścianami) jako sztywna struktura kratowa, umożliwiająca działanie podciśnienia, zapobiegająca uginaniu się powierzchni formujących do wewnątrz. Jest konieczna dla dużych form z grubymi ścianami. 

Powyższe elementy projektowe eliminują potrzebę frezowania konturów, wiercenia otworów i montażu siatki do formy. 

Dodatkowo całe narzędzia wykonane w FDM są naturalnie porowate, co poprawia przepływ powietrza i daje lepsze wykończenie powierzchni formowanego produktu.

Zaleta 2:
Walidacja projektu

Prototypowanie funkcjonalne pozwala zweryfikować jak narzędzie się sprawdzi w praktyce i umożliwia wprowadzenie zmian projektowych przed inwestycją w drogie, docelowe narzędzie metalowe. Prototypy FDM powstają z termoplastów klasy przemysłowej, które wytrzymują naprężenia mechaniczne procesu formowania pulpy nawet do 10 000 cykli — co wystarcza do przetestowania formy i jej dopasowania.

Zaleta 3:
Pomost do narzędzia docelowego

Po co czekać na gotowe narzędzie metalowe, skoro można od razu zacząć produkcję przy użyciu narzędzia FDM? Takie narzędzie powstaje zazwyczaj w połowie czasu potrzebnego do wykonania tradycyjnego narzędzia aluminiowego. Można rozpocząć sprzedaż i wysyłkę nawet do 10 000 opakowań, zanim gotowa będzie forma docelowa.

Zaleta 4:
Małe nakłady

Narzędzia FDM są opłacalną alternatywą przy odpowiednich wolumenach i kształtach. Na przykład firma SML Group, czołowy dostawca opakowań, użyła narzędzi FDM od Stratasys Direct Manufacturing do produkcji niewielkich serii opakowań z pulpy dla producenta i sprzedawcy elektroniki, oszczędzając 29 400 USD (czyli 98% w porównaniu z klasycznym narzędziem) i tydzień czasu (czyli 50%).

Studium przypadku: Grupa SML

Sytuacja

SML Group to wiodący dostawca dodatków do odzieży oraz różnego rodzaju opakowań. Firma z siedzibą w Chinach prowadzi ponad 30 zakładów na całym świecie, w tym największą fabrykę etykiet w Chinach. Wśród jej klientów znajdują się takie marki jak:

Adidas, American Eagle, Armani Exchange, Benetton, Brooks Brothers, Burberry, Eddie Bauer, Gap, Liz Claiborne, Macy’s, Marks & Spencer, Nautica, Next, Puma, Ralph Lauren, Target i Tommy Hilfiger.

W przeszłości SML nie była w stanie konkurować na rynku opakowań z pulpy formowanej w USA, ponieważ czas i koszt wykonania konwencjonalnych metalowych narzędzi uniemożliwiały szybkie dostarczenie prototypu klientowi.

Tradycyjne narzędzia do formowania pulpy powstają poprzez obróbkę metalu w lustrzany kształt gotowego opakowania. Narzędzie jest następnie wiercone, a do jego powierzchni montowana jest siatka. Narzędzie zanurza się w zawiesinie papierowej i za pomocą podciśnienia formuje się kształt. Koszt takiego narzędzia to około 30 000 USD, a czas wykonania wynosi około 2 tygodni (dla formatu 250 × 300 mm).

Rozwiązanie

„Zdecydowaliśmy się współpracować ze Stratasys, by sprawdzić, czy możliwe jest wykonanie narzędzia w technologii FDM” – mówi Jeremy Wolf, projektant opakowań strukturalnych w SML.

Stratasys RedEye (dział usługowy) opracował serię narzędzi FDM, które zoptymalizowały wzór wewnętrznego wypełnienia umożliwiający efektywne działanie podciśnienia.

„Całe narzędzie FDM jest porowate, co rozprasza podciśnienie i zapewnia czystsze opakowanie oraz lepszą jakość powierzchni” – dodaje Wolf.

Rezultaty

„Możemy teraz wykonać narzędzie FDM za jedyne 600 USD w ciągu około tygodnia” – mówi Wolf.

„Przy tej cenie i czasie realizacji możemy bez problemu przygotować prototypy dla firm zainteresowanych opakowaniem z pulpy. Prototypy są bardzo ważne, ponieważ wielu producentów oryginalnych urządzeń (OEM) pokazuje je swoim sprzedawcom.”

„Użyliśmy narzędzi FDM do produkcji opakowań z pulpy dla dwóch klientów – producenta i sprzedawcy  elektroniki” – dodaje Wolf.

„Technologia FDM otworzyła przed nami nowe możliwości biznesowe, umożliwiając produkcję małoseryjną opakowań z pulpy, co wcześniej było nieopłacalne.”

Porównanie FDM i metod tradycyjnych (dla SML Group)