Case Study: PepsiCo nutzt ultraschnellen 3D-Druck für die Flaschenentwicklung

PepsiCo arbeitete mit dem Nexa3D-Partner Dynamism zusammen, um den NXE 400 und das xPEEK147-Material als ideal für ihre Blasformanwendung zu validieren, bei der es auf Geschwindigkeit und Haltbarkeit ankommt.

Hintergrund

Die Produkte von PepsiCo werden täglich mehr als eine Milliarde Mal in mehr als 200 Ländern und Gebieten auf der ganzen Welt konsumiert. PepsiCo erwirtschaftete im Jahr 2021 einen Nettoumsatz von mehr als 79 Milliarden US-Dollar, der von einem Portfolio an Getränken und Fertiggerichten wie Lay’s, Doritos, Cheetos, Gatorade, Pepsi-Cola, Mountain Dew, Quaker und SodaStream getragen wurde. Das Produktportfolio von PepsiCo umfasst eine breite Palette von Lebensmitteln und Getränken, darunter viele ikonische Marken, die jeweils einen geschätzten Jahresumsatz von mehr als 1 Milliarde US-Dollar im Einzelhandel erzielen.

Herausforderung

Eine schnelle Markteinführung war in der Konsumgüterbranche noch nie so wichtig wie heute, da die Markeninhaber bestrebt sind, neue Flaschen- und Verpackungsdesigns zu entwickeln, um die sich ständig ändernden Kundenwünsche zu erfüllen. Die Herstellung herkömmlicher Metallwerkzeuge für das Blasformen von Flaschen ist jedoch ein teures und zeitaufwändiges Unterfangen. Sobald eine CAD-Datei des Verpackungsdesigns erstellt ist, kann es bis zu vier Wochen dauern, bis ein Metallwerkzeug hergestellt ist, und dann noch einmal zwei Wochen, bis eine Probeeinheit für das eigentliche Blasformen zur Verfügung steht. Laut Max Rodriguez, Senior Manager of Global Packaging R&D, Advanced Engineering and Design, im Valhalla-Forschungszentrum von PepsiCo, kann die Herstellung eines einzigen Metallwerkzeugsatzes je nach Komplexität leicht bis zu 10.000 US-Dollar kosten.

Dies hat viele dazu veranlasst, den 3D-Druck einzusetzen, um diesen Prozess zu verkürzen, aber frühere Rapid-Tooling-Ansätze hatten auch ihre Unzulänglichkeiten. Es dauerte zwei bis drei Tage, um ein einzelnes Blasformwerkzeug aus Digital ABS (einem teuren Material) auf einer 250.000 $ teuren PolyJet 3D-Druckmaschine zu drucken. Dennoch war das Werkzeug nicht sehr haltbar und konnte nur etwa 100 Flaschen produzieren, bevor die Form versagte. Dies veranlasste Rodriguez und sein Team dazu, einen hybriden Ansatz zu prüfen, bei dem Teile einer herkömmlichen Metallform mit 3D-gedruckten Einsätzen kombiniert werden.

Lösung

Bei diesem Hybridmodell, das PepsiCo Ende 2020 patentieren ließ, wird eine universelle äußere Metallform verwendet, die in die meisten kommerziellen Blasformmaschinen passt. PepsiCo untersuchte dann den Einsatz der additiven Fertigung, um nur die wesentlichen Innenteile der Form zu drucken, die die Geometrie des Endprodukts ergeben. Durch die Zusammenarbeit mit Dynamism lernte das PepsiCo-Team industrielle Lösungen für den 3D-Druck kennen, die seine Anforderungen erfüllen konnten.

PepsiCo entschied sich für xPEEK147 von Henkel Loctite für die 3D-gedruckten Werkzeugeinsätze aufgrund der Festigkeit des Materials und seiner beeindruckenden Leistungsfaktoren, einschließlich seiner sehr hohen Wärmeformbeständigkeit. Dieser hybride Ansatz ist maschinenunabhängig, d. h. es können verschiedene Arten von 3D-Druckern verwendet werden. PepsiCo hat jedoch festgestellt, dass der ultraschnelle, durchsatzstarke Nexa3D NXE 400-Drucker und die damit verbundene Materialleistung ideal für die Herstellung der benötigten Formkomponenten sind. Ein kompletter Formsatz kann in 12 Stunden hergestellt werden, wobei 8 Stunden für den 3D-Druck und 4 Stunden für die Aushärtung benötigt werden. Diese in Hybridbauweise hergestellten Formen können dann erfolgreich für mehr als 10.000 Flaschen verwendet werden, bevor sie versagen – bei einer Kostenreduzierung von bis zu 96 % im Vergleich zu herkömmlichen Metallwerkzeugen.

Das Team versah die gedruckten Einsätze mit einer Unterlage aus Dentalgips, um den Formhohlräumen die Druckfestigkeit zu verleihen, die für das Blasformen mit bis zu 40 bar Druck erforderlich ist. Für die Herstellung der eigentlichen Flaschen wurde dann eine modifizierte BLOWscan-Streckblasmaschine im Labormaßstab von Blow Moulding Technologies (BMT) aus Nordirland verwendet. BMT ist seit fünf Jahren ein strategischer Dienstleister und zuverlässiger Partner für PepsiCo, so Rodriguez.

PepsiCo habe die überarbeitete BLOWscan-Streckblasmaschine im Labormaßstab Anfang des Jahres in Valhalla in Empfang genommen und produziere seit einigen Monaten täglich Flaschen mit dem hybriden Werkzeugkonzept.

“Zeit und Kosten sind natürlich wichtig”, räumt Rodriguez ein. “Aber noch wichtiger ist es, dass wir die Flexibilität haben, eine Reihe verschiedener Design-Iterationen in Rekordtempo zu durchlaufen, damit wir die Leistung bei allen nachgelagerten Aktivitäten bewerten können. Das ist es, was uns wirklich hilft, schneller zu werden.”

Zu diesen nachgelagerten Aktivitäten gehört die Überprüfung der Leistung der Flasche in den Verpackungslinien, Verkaufsautomaten und im Vertriebsnetz von PepsiCo.

Dieser Ansatz “erleichtert uns auch die Validierung unserer virtuellen Werkzeuge, weil wir sie jetzt mit physischen Ergebnissen verknüpfen können”, fügte er hinzu.

Dies unterstützt PepsiCo bei der Materialcharakterisierung, der Leistungsanalyse und den physischen Tests.

“Durch die Nutzung dieser Möglichkeiten”, so Rodriguez, “erwarten wir
dass sich unser Entwicklungszyklus um 30 Prozent verbessern wird.

Ein kompletter Formsatz kann in 12 Stunden hergestellt werden, wobei 8 Stunden für den 3D-Druck und 4 Stunden für die Aushärtung benötigt werden. Diese in Hybridbauweise hergestellten Formen können dann erfolgreich für mehr als 10.000 Flaschen verwendet werden, bevor sie versagen – bei einer Kostenreduzierung von bis zu 96 % im Vergleich zu herkömmlichen Metallwerkzeugen.

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