HP Molded Fiber Advanced
Tooling Solution
Macrotrends del mercado de los embalajes
El mercado de los embalajes está sustituyendo la espuma/plástico por la celulosa moldeada (también conocida como pulpa moldeada) por razones de sostenibilidad. Los embalajes ecológicos (es decir, que sustituyen la espuma por el papel) favorecen el crecimiento de este segmento.
El mercado mundial de embalajes de celulosa moldeada está valorado en 8000 millones de dólares, y es el segmento de más rápido crecimiento en el sector, impulsado por la creciente demanda por parte de los consumidores de soluciones de embalaje sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, así como por la expansión de actividades como la comida para llevar y el comercio electrónico1.
Los países de Asia-Pacífico (APAC) suponen el mayor mercado geográfico, sobre todo China, Hong Kong y Taiwán. Esta región está experimentando el crecimiento más rápido y se espera que se convierta en el mayor mercado en 2024. Dicho crecimiento es atribuible a la creciente importancia de los embalajes desechables2, así como al menor coste de la producción de moldes en estas zonas, lo que supone una importante ventaja de precio respecto a otras regiones.
Actualmente, los segmentos que lideran el crecimiento son el de alimentación y bebidas, y el de la electrónica. El uso cada vez mayor de productos de celulosa moldeada para el embalaje de todo tipo de productos electrónicos (como teléfonos móviles y accesorios, ordenadores, impresoras, módems, máquinas de afeitar y proyectores, entre otros) debido
a su comodidad, mayor sostenibilidad y bajo coste, es uno de los factores que contribuyen al crecimiento de este segmento2.
Fabricación de celulosa moldeada
Se espera que el crecimiento del segmento de los moldes de termoformado supere al de otros segmentos, impulsado por el aumento de la demanda por parte de los consumidores de embalajes de celulosa moldeada de alta calidad y la innovación continuada, que reduce los costes de fabricación de los embalajes termoformados.
Las continuas mejoras operativas reducirán el coste de la producción de embalajes y eliminarán las barreras para los nuevos actores.
Los grandes fabricantes de productos de celulosa moldeada están integrados verticalmente, pero por debajo de ellos existe bastante fragmentación, con una mayoría de proveedores regionales y locales ubicados en Asia. Los principales fabricantes se inclinan por realizar internamente el mecanizado y la fabricación de los moldes, por considerarlo una fuente de ventaja competitiva; otros prefieren subcontratar estos procesos, apoyándose en proveedores con experiencia global en el suministro de moldes y maquinaria.
Los productos de celulosa moldeada son, en gran medida, artículos estandarizados con escasa diferenciación entre los distintos artículos del mismo tipo. Además, actualmente las tiradas cortas personalizadas no son rentables, lo que supone una barrera para la adopción de productos personalizados de celulosa moldeada en la industria del embalaje.
Tendencias y retos del mercado
En los últimos 20 años, este sector no ha experimentado prácticamente cambios, a pesar de que los fabricantes de productos de celulosa moldeada buscan nuevas formas de mejorar los procesos actuales y hacerlos más eficientes.
La fabricación de moldes es un factor importante que influye en la eficiencia del proceso. Sin embargo, actualmente presenta importantes limitaciones, como el tiempo de inactividad (planificado y no planificado), el tiempo de sustitución de los moldes (paradas y arranques), los productos rechazados (mallas desgastadas que producen piezas defectuosas) y los costes de mano de obra semicualificada para el mantenimiento.
En la actualidad, los fabricantes de productos de celulosa moldeada suelen producir las mallas manualmente. Se trata de un proceso que requiere mucho tiempo y presenta varias limitaciones, debido a las restricciones intrínsecas del diseño.
Algunos fabricantes también están intentando optimizar el proceso de producción de las mallas mediante el uso
de robots; pero se requiere mano de obra altamente cualificada para las tareas de programación, lo que a su vez incrementa significativamente los costes laborales.
La subcontratación de servicios de fabricación de moldes mediante CNC puede ser una opción rentable cuando se recurre a proveedores de bajo coste, normalmente situados en Asia, pero también implica largos plazos de entrega.
Los fabricantes de productos de celulosa moldeada han intentado mejorar la eficiencia de la producción de moldes mediante nuevas tecnologías, como la impresión 3D. Sin embargo, hasta ahora no estaba disponible ninguna solución óptima que cumpliera los principales requisitos, por lo que en el sector prevalecía una cierta decepción.
Adopción limitada de la impresión 3D en los moldes para celulosa moldeada
Los fabricantes de productos de celulosa moldeada han estado utilizando tecnologías de impresión 3D, principalmente el modelado por deposición fundida (FDM), con poco éxito hasta la fecha. La falta de una tecnología de impresión 3D óptima que ayude a resolver algunas de las principales dificultades del sector de la celulosa moldeada ha generado escepticismo en cuanto a la utilidad de la impresión 3D, más allá de la creación de prototipos.
Los moldes elaborados mediante FDM se utilizan principalmente para la creación de prototipos. También se han aplicado otras técnicas para este fin, desde el mecanizado de materiales porosos hasta las fundiciones temporales, entre otras; pero no son soluciones aptas para la producción.
Una nueva solución para resolver los problemas de la fabricación de moldes
Cuando HP investigó este mercado, identificó los principales problemas del sector de la celulosa moldeada. También evidenció que las tecnologías de impresión 3D existentes no se estaban utilizando para la fabricación de moldes de producción, ya que no permitían alcanzar dos objetivos importantes: la reducción de la mano de obra necesaria y la eliminación de otros inconvenientes asociados a las mallas; junto con la preservación de su funcionalidad durante el tiempo suficiente para soportar grandes volúmenes de producción. Por eso, HP adoptó un enfoque diferente, que imitaba la arquitectura de los moldes que ha funcionado durante décadas, al tiempo que empleaba las capacidades únicas de impresión 3D de HP para sustituir las mallas de alambre por mallas impresas con HP Multi Jet Fusion (MJF).
Al utilizar las capacidades de diseño digital y de HP MJF, hemos podido ofrecer avances significativos en el sector
de la fabricación de productos de celulosa moldeada. Estos avances incluyen la ampliación de las capacidades de producción de moldes, tanto para aumentar la eficiencia de la fabricación de productos de celulosa moldeada como para mejorar el rendimiento de los productos. Por ejemplo, las HP SmartScreens se imprimen en una sola pieza que mantiene su forma, lo cual significa que las piezas no presentan las costuras o imperfecciones habituales en las mallas de alambre. También cuentan con características integradas, como marcos, bloqueos y marcas de piezas que mejoran la calidad de los productos en comparación con los moldes tradicionales. Otras características reducen el tiempo de inactividad de la producción, como las sujeciones a presión que permiten sustituir las mallas en la máquina. Además, la uniformidad de los moldes impresos mediante la tecnología 3D de HP elimina las diferencias de rendimiento entre los moldes tradicionales, cuya producción requiere asimismo mucha mano de obra. HP Molded Fiber Advanced Tooling Solution resuelve los problemas habituales de suministro y mantenimiento de moldes, lo que permite a los fabricantes centrarse en la eficiencia de la producción y no en la fabricación de los moldes.
Productos de celulosa moldeada más rápidos y de calidad
3Tradicionalmente, la fabricación de moldes sigue un proceso necesariamente secuencial: en primer lugar, el molde se mecaniza mediante CNC y se perfora manualmente; a continuación, el molde se corta, se perfila y se le fija manualmente una malla por encima. Sin embargo, con HP Molded Fiber Advanced Tooling Solution, que emplea el proceso de fabricación digital de HP, no se requiere ninguna de estas operaciones. Los moldes y las mallas se imprimen al mismo tiempo, lo que permite que los moldes estén listos para ser enviados, en tan solo dos semanas4 y ser utilizados para producción.
La fabricación eficiente de piezas de celulosa moldeada permite que las fibras de la pulpa se aspiren desde la mezcla hasta la malla (en el conformado) y se elimine el exceso de agua de la pieza conformada lo más rápidamente posible, evitando al mismo tiempo que se obstruya el molde con fibras. Para lograrlo, es esencial un buen flujo transversal y lateral del agua. Esto reduce los atascos, que provocan tiempos de inactividad para la limpieza de la máquina, y permite aumentar la productividad.
El equipo de expertos de HP emplea la tecnología digital propia de HP y aplica un proceso de diseño para crear conjuntos de moldes con flujos que permiten aprovechar al máximo las fibras más importantes de la mezcla. El resultado es la producción eficiente de piezas de calidad.
La plataforma en línea segura5 de HP permite aumentar aún más eficiencia. Esto se debe a que, al tener almacenados en un repositorio digital los diseños digitales de los moldes, se pueden realizar cambios e iteraciones de diseño con rapidez.
La plataforma ofrece protección de la propiedad intelectual mediante contraseña y control de acceso cifrado.
Mejora de la eficiencia general de los equipos (OEE) y reducción del tiempo de inactividad
3Debido a que las mallas de los moldes de celulosa moldeada de HP no están sujetas a la corrosión6 o la calcificación7 en el agua (un problema común en los moldes metálicos), los fabricantes pueden mantener sus máquinas
en funcionamiento, al reducir la necesidad de un mantenimiento que requiere mucho tiempo.
Los moldes para celulosa moldeada producidos con las poliamidas de nylon de alta reutilización HP 3D se probaron durante 5 días a 50 °C (122 °F) con cuatro disolventes diferentes (agua del grifo, una solución saturada de CaCO3, una solución al 5 % de sulfato de aluminio y potasio, y agua desionizada como control negativo de la prueba) y no presentaron señales visuales de corrosión.
Se realizó un estudio complementario para verificar la presencia de señales de calcificación. Otros moldes para celulosa moldeada producidos con las poliamidas de nylon de alta reutilización HP 3D se probaron durante 17 días a temperatura ambiente utilizando 3 soluciones diferentes (una solución sobresaturada de CaCO3, agua del grifo y agua desionizada como control negativo). No se detectaron señales visibles de calcificaciones7.
Ambos estudios se llevaron a cabo en condiciones representativas de entornos corrosivos extremos (y no extremos) o sujetos a calcificación en instalaciones de fabricación de celulosa moldeada.
Además de reducir el mantenimiento, la solución de HP también ayuda a aumentar la eficacia operativa mediante el desprendimiento suave de las piezas y la reducción de los atascos provocados por las piezas que se quedan pegadas al molde de conformado, así como mediante la reducción de las paradas gracias a la mejora del flujo de los moldes. Los atascos suelen producirse cuando las fibras se enganchan en las costuras, las mallas rotas y los espacios intermedios entre la malla y el anillo del marco o los bloqueos. Las HP SmartScreens reducen esta posibilidad porque no tienen costuras y porque integran características como el anillo del marco y los bloqueos, que son puntos de contacto habituales. Por lo tanto, a diferencia de los moldes tradicionales, prácticamente no se requieren tiempos de baño químico para disolver las acumulaciones de fibras.
Los moldes convencionales requieren un mantenimiento periódico de los equipos, la mayor parte del cual está relacionado con las mallas. Sin embargo, las mallas fabricadas con HP Molded Fiber Advanced Tooling Solution no requieren
prácticamente ningún mantenimiento, lo que ahorra tiempo de mano de obra semicualificada. Si se desea o se requiere sustituir una malla HP SmartScreen (por ejemplo, para convertir rápidamente una tirada de producción de artículos básicos en una tirada de producción de mayor valor, personalizada con el logotipo de un cliente que paga un precio adicional por ello), se pueden sustituir en minutos8 sin tener que retirar los moldes de la máquina. Esto es posible porque mantienen su forma, se ensamblan de arriba a abajo y utilizan cierres a presión integrados para sujetarse firmemente al molde de conformado.
Por el contrario, para sustituir la malla de un molde tradicional, es necesario extraer el molde de la máquina, desmontarlo y volverlo a montar mediante operarios con formación en la fabricación de mallas. Esto puede llevar días, lo que proporciona a la tecnología de HP una ventaja competitiva de velocidad en comparación con los moldes convencionales.
La HP Molded Fiber Advanced Tooling Solution también permite otras mejoras de la eficacia de las operaciones. Una de ellas es no tener que disponer de un inventario de seguridad de moldes de repuesto para evitar los retrasos en la producción que ocurren cuando se retira un molde tradicional para realizar el mantenimiento de la malla. Además, con las HP SmartScreens la sustitución se realiza incluso más rápidamente que con las mallas estándar, porque se pueden reemplazar en caliente y no requieren ningún tipo de hardware para acoplarse a la malla del molde. Por otro lado, la HP Molded Fiber Advanced Tooling Solution ofrece un conjunto de moldes fabricados con plástico ligero, que aumenta la eficiencia el cambio de moldes cuando es necesario iniciar la producción de otros artículos9. Finalmente, el servicio de diseño de moldes de HP descarga al personal de la empresa productora de esta tarea y permite la entrega de moldes listos para la producción en tan solo dos semanas, tras ultimar las especificaciones de diseño con el equipo de ingeniería de HP4.
Mayor retención de las fibras para aumentar la productividad
Un centro independiente de investigación y pruebas, Innofibre10, llevó a cabo un análisis de la productividad cuando se utiliza la solución de HP en comparación con los moldes convencionales. Para ello, realizó un experimento con múltiples variables, utilizando como constantes celulosa de papel de periódico reciclado a 45 °C y una consistencia del 0,8 % en una máquina rotativa recíproca de producción. Las variables fueron la intensidad del vacío, el tiempo de conformado y el tiempo de drenaje, además del propio molde (moldes HP frente a una malla de 50). Los resultados fueron el peso del producto seco, su contenido de humedad tras el drenaje y la resistencia a la compresión con una deformación del 10 % (para medir la resistencia de las piezas de celulosa).
Las conclusiones fueron muy positivas para los moldes de HP, que mostraron un mayor rendimiento y una mejor retención de las fibras en general, además de una retención significativamente mayor de las fibras más importantes para las propiedades mecánicas de las piezas de celulosa. Los resultados indican que el uso HP de la Molded Fiber Advanced Tooling Solution ofrece flexibilidad para conseguir una mejora significativa de la eficiencia del proceso y una reducción del volumen de fibras de celulosa utilizada, así como en el tiempo de ciclo y el consumo de energía asociados a la operación de secado.
La solución también está optimizada para diferentes prioridades como:
• Eficiencia del proceso: los moldes de HP utilizaron un 15 % menos de material (9,72 g), un 15 % menos de agua a secar por pieza (29,2 g) y 10 segundos menos de tiempo de ciclo (8,25 segundos de tiempo de conformado + 2,5 segundos de tiempo de drenaje), logrando a la vez la misma resistencia a la compresión en la pieza de celulosa.
• Resistencia de la pieza: el uso de los moldes de HP dio como resultado un producto >10 % más resistente, un tiempo de ciclo 2,6 segundos más corto (3,26 segundos menos de tiempo de conformado, pero 0,6 segundos más de tiempo de drenaje) y una compensación de un 1,6 % más de humedad en el producto (14,1 g), a la vez que logró el mismo peso seco de 60 g.
Nuevas mejoras de productividad con la HP AdvancedPro Transfer Tool
La HP AdvancedPro Transfer Tool supone un paso más en la mejora de la productividad de los fabricantes de celulosa moldeada. Al incorporar más perforaciones en el contramolde (Transfer Tool) y cubrirlo con una malla HP SmartScreen, de la misma manera que se hace en el molde de conformado, el fabricante tiene la capacidad de obtener acabados equivalentes en el lado del contramolde de transferencia de las piezas de celulosa moldeada de Tipo II, sin necesidad de prensado posterior, así como producir piezas con ángulos de inclinación reducidos. Estas características son especialmente adecuadas para los OEM/marcas, ya que al disponer de marcas de piezas en el lado del contramolde de transferencia cuentan con un importante factor de diferenciación de la marca.
La HP AdvancedPro Transfer Tool también se dirige a los productores que quieren llevar la productividad al siguiente nivel, mediante la reducción del tiempo de conformado o el contenido de humedad de las piezas cuando salen del proceso húmedo, gracias a un mejor drenaje. Esto tiene un claro efecto de mejora de la OEE. En este sentido, se llevó a cabo un experimento con celulosa BCTMP (0,3 % de consistencia) a 45 °C, con un tiempo de conformado constante de 40 segundos pero un tiempo de drenaje variable, con la HP AdvancedPro Transfer Tool y sin ella (y con una intensidad de vacío variable).
Los resultados fueron el tiempo de ciclo y el contenido de humedad después del drenaje (ver gráfico).
En el proceso convencional de la celulosa moldeada, la reducción del tiempo de ciclo se ve limitada por la necesidad de esperar a que el drenaje del molde de conformado alcance el contenido de humedad óptimo antes de volver a introducirlo en la mezcla para fabricar la siguiente pieza. Con la HP AdvancedPro Transfer Tool, la mayor parte de ese retraso en el retorno del molde de conformado a la mezcla puede evitarse o compensarse con una mejora de la transferencia.
En las condiciones del estudio, esto supuso una reducción del 30 % en el tiempo de ciclo (de 60 a 42 segundos).
75,5%
75,0%
74,5%
74,0%
73,5%
73,0%
72,5%
72,0%
71,5%
70
60 60 60
50
42 40
42
30
20
10
0
72,8%
75,1%
73,4%
Creación de nuevas fuentes de ingresos con tiradas cortas económicamente viables
Los moldes convencionales suelen requerir tiradas de producción superiores a 50 000 o 100 000 unidades para ser económicamente viables. Además del coste de los moldes, el coste del desarrollo de nuevos productos también es un factor importante (por ejemplo, el tiempo dedicado al diseño del embalaje y al desarrollo del negocio, los recursos de mano de obra semicualificada necesarios para montar y realizar el mantenimiento de los moldes, los costes fijos de logística, etc.). Aparte de eso, iniciar la fabricación de un nuevo producto requiere tiempo, lo que puede que no merezca la pena si la producción es reducida.
Finalmente, la velocidad y la facilidad de sustitución que proporciona HP Molded Fiber Advanced Tooling Solution permite realizar tiradas de producción cortas y personalizadas, de mayor valor, de una forma rentable. La plataforma en línea segura de HP (almacén digital)5 proporciona nuevos niveles de agilidad y versatilidad para el diseño y la fabricación de moldes.
Es posible adaptarse fácilmente a los requisitos cambiantes de los clientes con iteraciones rápidas de diseño y modificaciones ágiles del mismo conjunto de moldes, mejoradas aún más con la HP AdvancedPro Transfer Tool.
Nuestro flujo de trabajo digital permite cambiar los diseños de malla de forma rápida y sencilla para convertir un producto básico en un producto de marca de alto valor. Los fabricantes pueden ofrecer un valor adicional a sus clientes con
características de personalización rápidas y rentables, como logotipos de marca en relieve, números de modelo, información de trazabilidad o incluso imágenes personalizadas. Ahora este tipo de marcas se pueden realizar en ambas caras de la pieza de celulosa moldeada, con relieve o sin relieve.
Gráfico 1: Aumento de la productividad con la HP AdvancedPro Transfer Tool 40 s de conformado
+ 20 s de drenaje 40 s de conformado
+ 2 s de drenaje 40 s de conformado + 20 s de drenaje + 20 s drenaje ET
Conformado y drenaje (segundos)
Contenido de humedad vs. drenaje
Tiempo de conformado Tiempo de drenaje Tiempo de drenaje compensado Contenido de humedad
La reinvención de los moldes de producción para el sector de la celulosa moldeada
HP Molded Fiber Advanced Tooling Solution amplía las capacidades de producción de moldes para los fabricantes de productos de celulosa moldeada, con el fin de conseguir una mayor eficiencia en la producción y oportunidades de diseño.
El servicio integral de HP permite una mayor rentabilidad al combinar la tecnología de moldes exclusiva y nuestra experiencia en ingeniería para ayudar a acortar los plazos de entrega, reducir el tiempo de mantenimiento y permitir tiradas cortas personalizadas.
© Copyright 2021 HP Development Company, L.P.
La información que contiene este documento se ofrece solo con fines informativos. Los únicos términos y condiciones que rigen la venta de soluciones de impresión 3D de HP son los establecidos en un contrato de venta por escrito. Las únicas garantías de los productos y servicios de HP quedan establecidas en las declaraciones de garantía expresa que acompañan a dichos productos y servicios. Nada de lo aquí indicado debe interpretarse como una garantía adicional, ni como términos y condiciones adicionales de carácter vinculante. HP no se responsabiliza de errores u omisiones técnicos o editoriales que puedan existir en esta información, que está sujeta a cambios sin aviso previo.
4AA7-7869SPL, agosto de 2021
1. Ver futuremarketinsights.com/reports/moulded-fibre-pulp-packaging-market.
2. Ver marketsandmarkets.com/Market-Reports/molded-pulp-packaging-market-36997090.html.
3. En comparación con los procesos tradicionales de mecanizado CNC y manual a fecha de junio de 2020. Basado en el análisis y las pruebas internas de HP, incluyendo entrevistas con expertos y una revisión de los informes de mercado publicados. Plazo medio de fabricación de 4 a 6 semanas cuando se produce mediante CNC.
4. Entrega en tan solo 2 semanas, después de que HP reciba el archivo de diseño, las especificaciones detalladas, la aprobación del presupuesto del diseño de la molde, la orden de compra y el comprobante del primer pago. Plazo de envío no incluido.
5. Plataforma en línea segura que ofrece una protección de la propiedad intelectual mediante contraseña y un control de acceso cifrado.
6. Las poliamidas del material HP 3D High Reusability PA 11 no sufren corrosión en el agua (un problema habitual en los moldes metálicas). Basado en pruebas internas de HP, agosto de 2020. Los moldes de HP producidos con el material HP 3D High Reusability PA 11 se probaron durante 5 días a 50 °C (122 °F) con disolventes diferentes (agua desionizada - control, agua del grifo, una solución saturada de CaCO3 y 5 wt % de sulfato de potasio) y no presentaron señales visuales de corrosión.
7. Las poliamidas del material HP 3D High Reusability PA 11 no presentan señales de calcificación en el agua (un problema habitual en los moldes de aluminio). Basado en pruebas internas de HP, noviembre de 2020. Los moldes de HP producidos con el material HP 3D High Reusability PA 11 se probaron durante 17 días a temperatura ambiente con 3 disolventes diferentes (agua desionizada - control, agua del grifo y una solución supersaturada de CaCO3) y no presentaron señales visuales de calcificación o variaciones de peso.
8. Las HP hot swap SmartScreens se pueden reemplazar en unos segundos.
9. No requieren mecanizado, taladrado o fabricación de mallas manual.
10. En comparación con los procesos tradicionales de mecanizado CNC y manual. Basado en pruebas encargadas por HP y realizadas por Innofibre, febrero de 2021.
Más información en
hp.com/mx/MoldedFiberTooling
