探索3D 打印可回收包装可行性

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可持续包装已成为端到端的业务解决方案,我们越来越多地看到 3D 打印在该领域的可能性。数字化设计包装和使用环保材料的 3D 打印制造周期可产生高质量的产品,帮助企业实现其企业可持续发展目标。但是,在此过程中存在一些陷阱。人们认为增材制造是一种可持续的生产方法的原因很简单。它源于环境管理的核心原则——减少、再利用、再循环。在增材制造(AM) 中,也称为 3D 打印,制造零件和产品可导致70-90%与传统的制造方法相比,废料更少。此外,已经有许多材料创新,在3D制造材料的再利用,以及印刷的废物回收利用,如塑料瓶,创造新材料。远离一次性塑料,优化包装生产中使用的材料数量是 3D 打印用于创建可持续包装的一些主要方式。

在全球范围内,最重要的废物来源之一是包装。从消费电器和化妆品到食品容器和运输用品,有成吨的包装垃圾被倾倒在垃圾填埋场。仅在美国,环境保护署 (EPA) 估计塑料和其他包装废物每年占该国总废物的近30% 。此外,在 2018 年,中国禁止废物进口,其可回收塑料进口量现已下降 99%,包括日本、德国、英国、比利时、西班牙、意大利、法国和荷兰在内的国家正在争先恐后地处理大量废物,同时苦苦挣扎的回收基础设施没有旨在处理这种音量。为了减少浪费并采用更可持续的制造实践,许多公司已经开始使用 3D 打印技术来重新构想包装。

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塑料和其他包装占美国每年垃圾总量的近30% ——3D 打印技术正在将一次性塑料的替代品推向市场。(照片来源:Magda Ehlers/Pexels)

如何定义可持续包装?

“可持续”一词已演变成公司使用的营销流行语,目的是向消费者表明贴有此类标签的产品不会“对环境有害”。有时,但并不经常,公司在可持续性的保护伞下包含“社会责任”——社会责任包括公平的工资和人性化的工作条件。对于可持续包装的这一特殊研究,我们将探索生产方法(例如注塑成型、粘合剂喷射等)、机械(例如 ExOne M-Flex、3D Systems ProJet)和材料(例如生物基树脂、木材纸浆)。除了营销条款和消费者偏好之外,还有第三方组织为这些 3D 打印包装物品提供验证和认证。Toly Group 为奢侈化妆品品牌生产 3D 打印高端包装,在可持续发展领域获得了多个权威机构的服务,包括ISO 14001(环境管理体系认证)、CDP(碳披露项目,比较二氧化碳和二氧化碳排放量)相当于各种实体)、ISCC(分析可持续材料的监管链)和Ecovadis(企业社会责任,包括环境问题)。

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尼尔森消费者研究显示,73% 的千禧一代消费者愿意为可持续产品支付更多费用——占总消费者的 66%。(照片来源:Krizjohn Rosales / Pexels)

考虑到公司投资可持续包装的商业案例的盈利能力,最强大的驱动因素之一似乎是消费者行为和购买决策。在对 550 名消费者进行的一项调查中,53% 的参与者表示,带有“环保”包装标签的产品帮助他们将产品定义为可持续的——高于无农药或有机等标签。此外,根据尼尔森的消费者研究,据报道,73% 的千禧一代消费者愿意为可持续产品支付更多费用(以及66% 的总体消费者)。有了这些数字,企业很容易投资可持续包装的原因就很明显了。“我们的客户经常要求我们重新设计包装,使其更加环保。这就是 3D 打印的用武之地。它使我们能够用更薄或中空的零件或重量更轻的材料测试原型,并确保包装仍然反映内部产品的优质质量,“Toly 创新经理 James A. Kingswell 解释道团体。

3D 打印包装的好处

密歇根理工大学的一项研究表明, 与在海外制造并将其运送到美国相比,用于 3D 打印物品的能源要少 41%到64%。此外,即使包装材料的使用量小幅减少,也可为公司带来显着的成本节约。借助 3D 打印技术,公司可以在不影响产品质量的情况下减少包装设计中的塑料用量。诸如此类的见解可能是我们看到欧莱雅、 UPS 和联邦快递等组织投资内部 3D 打印设施的原因。与跨行业的各种 3D 打印应用程序一样,成本节约和生产时间缩短是使用 3D 打印创建包装的一些主要好处。在针对某些消费者以及帮助公司实现其企业可持续发展目标时,将可持续方面添加到包装中通常有助于提高适销性。

除了 3D 打印包装的环境效益外,对于公司而言,设计自由度和可扩展性为公司提供了在使用昂贵材料之前进行原型设计的对冲。这项技术还使品牌能够为客户提供个性化的包装——无论是从一系列设计选项中进行选择,还是完全定制设计。 例如,Marchesini是一家成立于 1974 年的意大利公司,为制药、化妆品和食品包装等各个行业生产各种包装,并且它是全球 AM 领导者Stratasys的最大欧洲客户之一。

在其专用的 3D 打印设施中,Marchesini 已委托Stratasys使用多台FDM和PolyJet打印机,包括五台 F270 系统、四台 Fortus 450mc、一台大型 Fortus 900mc 以及两台 PolyJet 多材料 3D 打印机。“事实证明,使用传统制造方法生产复杂的定制零件极其昂贵且耗时,这已不再适合当今包装行业不断增长的需求, ”Marchesini Group 机械车间协调员 Mirko Fortunati 解释说。“ Stratasys 增材制造使我们能够克服这些问题并采用定制的生产模型。拥有这种按需生产能力,我们的工程师能够利用 3D 打印带来的更大设计自由度,从而使 Marchesini Group 能够实现更高质量的结果。”,福尔图纳蒂继续说道。

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Quadpack 是美容包装解决方案的全球制造商,使用 Stratasys 的 J 系列 3D 打印机实现全彩色、多材料功能。(照片来源:Stratasys)

此外,分散制造是一个巨大的好处,我们在 COVID-19 大流行期间见证了这一点,因为全球供应链中断和运输停止。在使用 3D 打印技术时,公司可以快速移动生产地点,因为他们依赖于要打印的数字文件,而不是庞大的固定工厂。数字文件还支持按需 3D 打印包装。例如,可以根据几乎精确的订单数量打印包装,从而减少浪费和最终进入垃圾填埋场的包装量。此外,时间敏感的销售机会,例如奥运会或鱿鱼比赛等文化时刻 可以从有针对性的有限批次 3D 打印包装中受益,同时降低过度生产的风险。

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L’Òréal 使用惠普的 Multi Jet Fusion 和仿生技术来减少 3D 打印包装中使用的材料量。(照片来源:惠普)

注塑成型和混合 3D 打印技术

当然,只有 3D 打印包装并不是可持续包装的唯一出路。还有许多混合方法已显示出前景。例如,自 19 世纪以来就存在的注塑成型是一种完善的传统制造方法,经常以创新方式与 3D 打印一起使用。此外,3D 打印正在推动该领域的可持续性,因为注塑成型受益于与 3D 技术结合使用的材料科学。这种组合非常有用,因为注塑成型使公司能够设计大量零件,而 3D 打印由于成本和材料的组合而可能仅限于中小批量。虽然顾名思义,注射需要一个模具,而创造一个模具是一项相当昂贵的工作,更不用说明显更耗时了。这就是为什么而不是生产传统的金属模具,可以使用FDM 、激光烧结或立体光刻技术创建 3D 打印模具。在使用这些 3D 打印技术时,成本大大降低,公司降低了生产延迟的风险。在设计方面,3D 打印为创建更复杂的模具提供了可能性,由于这两种制造方法的结合,这为更优化、更可持续的零件开辟了可能性。

将 3D 打印混合用于更可持续包装的另一种方式是通过创建特定工具。例如,利用ExOne 的金属粘合剂喷射技术,瑞典制造商 Celwise AB 使用精细的金属工具制造可再生、可生物降解的食品容器和包装。为了从 Celwise 制造这种获得专利的包装,每台机器中有三种类型的工具——成型、转移和压制。Celwise 报告称,该工艺可提供更环保的产品,同时将制造成本降低 50%。“我们的专利技术提供了一种可回收、可再生和可生物降解的产品,与传统技术相比,这种产品的制造速度更快、成本更低。先进的制造方法依赖于 ExOne 的 3D 打印工具,是我们流程的重要组成部分,” Celwise 的发明人兼共同所有者 David Pierce 解释说。

Celwise 的这种包装生产方法使用模塑纤维产品作为一次性塑料替代品,但这种模塑纤维产品只能通过增材制造制造,例如 ExOne 的粘合剂喷射技术。由于 Celwise 已经将这种环保包装解决方案出售给食品和饮料、化妆品和电子行业的国际公司,因此该方法有望在市场上继续增长。这个例子展示了尽管可持续的 3D 打印包装正在增长,但该技术也被用于通过间接方法制造更可持续的包装。

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Celwise 的可持续包装产品采用 ExOne 的粘合剂喷射技术制成。(照片来源:ExOne)

材料科学与模拟工具

谈论可持续包装时的一个重要考虑因素是使用的材料。直到最近,3D 打印还主要依赖于不可生物降解的材料,例如由对环境有害的化石燃料制成的塑料。然而,塑料材料的创新新的塑料替代品使废物能够以极低的成本印刷成有价值的产品。由玉米或蔗糖等天然材料制成的可生物降解塑料用于食品包装、一次性杯子、袋子。可堆肥和可生物降解材料有助于减少最终进入垃圾填埋场的废物量和海洋中的塑料污染水平。值得注意的是,可堆肥包装更有价值,因为与分解为天然成分的可生物降解包装不同,如果处理得当,可堆肥包装可以成为土壤的养分。因此,可堆肥材料也有助于改善环境,而可生物降解材料并非总是如此。

所有塑料最终都会被环境中的微生物分解,产生二氧化碳和生物质,然而,有些塑料需要数千年的时间。通过研究海洋回收塑料、生物塑料等环保材料,并改用可堆肥和可生物降解的塑料,工业界一直在多个方面与这种缓慢的分解周期作斗争。3D 打印领域的最新材料科学成就是Materialise 的 Bluesint PA12。这种用于激光烧结的材料是一种 100% 回收的粉末,其机械性能类似于传统的 PA 12(也称为尼龙 12)。过去几年,3D 打印创新一直是材料科学的主要驱动力,尤其是在可持续材料方面,这表明该技术以另一种方式促进了可持续包装的发展。结合材料科学,包装服务提供商能够使用 3D 计算机模拟来测试各种包装设计并确定最佳材料。这正是 Dassault Systèmes 提供的产品,Dassault Systèmes 以其3DEXPERIENCE ®而闻名,该公司以数字方式集成了设计、模拟和制造。 除了支持快速高效制造环保包装的 3D 打印机之外,软件还可以帮助现有产品的新包装设计快速周转。使用高级3D 建模,制造商可以在产品进入生产车间之前优化包装设计,并考虑哪种材料在哪种设计中表现最佳。“如果可以在制作任何样品之前模拟新的包装设计,瓶子和瓶坯设计迭代会更快、更便宜地进行,从而加快整个设计链并缩短上市时间”,Plastic Technologies Inc 首席技术官 Sumit Mukherjee .,达索系统的全球客户之一。

3D打印的缺点

随着零件数量的增加,与可用的 3D 打印解决方案相比,传统制造技术变得更加经济。“我们进行了广泛的研究,结果表明,对于批量生产,从可持续性的角度来看,注塑成型仍然远远优于 3D 打印。这主要是因为与 3D 打印典型的多小时构建相比,注塑成型每小时可以生产数千件, “ Toly Group 技术与可持续发展首席官 Olaf Zahra 解释说。“此外,与 3D 打印相比,在注塑成型材料方面还有更多可持续选择。话虽如此,3D 打印是有效的,经济和环保的,需要较小的体积。目前的阈值介于 10,000 到 15,000 个组件之间。当打印速度加快并且生物基和可生物降解材料可用时,平衡将转向增材制造。”

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正确处理新的可持续材料对消费者和现有的回收基础设施提出了挑战。(图片来源:Marcell Viragh / Unspalsh)

虽然可生物降解材料等被誉为可持续未来的产品,但这些材料带来了其他问题。这种新的生物塑料种类与传统的石油基塑料难以区分。因此,这些新塑料通常最终会被混合在塑料回收收集站或有机废物容器中供消费者回收利用。这破坏了塑料和堆肥的过程,在可持续发展的道路上引入了需要解决的新挑战。

可持续的前进之路

在市场上,消费者将继续期待可持续的产品和企业将不得不继续改进他们的产品以满足消费者的购买偏好。在消费者方面,根据德勤英国 2021 年的一项调查,22% 的消费者对购买可持续产品缺乏兴趣(15% 表示他们没有足够的信息),16% 表示这些可持续产品太贵。随着 3D 打印技术的不断进步并推动未来生产成本的下降,商业战的另一部分将是告知消费者。这可能需要与值得信赖的可持续认证组织合作​​,以提供准确的产品标签(即环保、可生物降解等),并简洁地解释为什么对消费者来说这项努力是值得的。在追求消除一次性塑料的过程中,我们将继续看到材料科学推动这一领域的创新。随着公司以提高生产效率和节约成本为目标,3D 打印技术能够通过优化材料选择、数字化分散制造和可扩展性来兑现可持续发展的承诺。

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