Evaluating the effectiveness of 3D printed molds in the thermoforming process

Abstract

Thermoforming is an essential manufacturing method in the package industry as it has numerous advantages from cost-efficient tooling to the ability to fabricate multi-layered materials. There is still a need for more advanced methods for manufacturing tools for the thermoforming process. Additive manufacturing (AM) has become widespread rapidly as the availability of processes has improved and new uses for AM are being invented at a quick pace. Using AM for manufacturing thermoforming mold could have several benefits, e.g. speed in prototyping and small batch manufacturing.

This thesis investigated the process from designing an AM mold to producing thermoformed products with the mold, while comparing its restrictions, performance, and benefits to traditionally produced thermoforming mold. The AM mold was produced with fused filament fabrication (FFF) process, and it was experimented with multilayer plastic and paperboard to gain results with different thermoforming materials. Based on the research, the FFF process could be utilized in the thermoforming tooling to manufacture the mold, when the production speed of the thermoformed product or the surface texture of the thermoformed sheet are not limiting factors.

Lämpömuovaus on pakkausteollisuuden olennainen valmistusmenetelmä, jolla on lukuisia etuja kustannustehokkaista työvälineistä mahdollisuuteen valmistaa monikerroksisia materiaaleja. Teollisuudessa on silti tarve kehittyneemmille metodeille, joilla valmistaa lämpömuovausprosessin työvälineitä. Lisäävä valmistus (eng. additive manufacturing, AM) on yleistynyt nopeasti, kun AM-prosessien saatavuus on parantunut ja prosessille kehitetään uusia käyttötapoja nopeaan tahtiin. Lisäävän valmistuksen käytöllä lämpömuovausmuottien valmistuksessa voisi olla useita etuja, mm. nopeus prototyyppien tai pienten erien valmistuksessa.

Tässä diplomityössä tarkasteltiin prosessia AM-muotin suunnittelusta lämpömuovattujen tuotteiden valmistukseen muotilla, samalla kun verrattiin sen rajoituksia, suorituskykyä ja etuja perinteisesti valmistettuun lämpömuovausmuottiin. AM-muotti valmistettiin FFF-prosessilla (eng. fused filament fabrication), ja sitä kokeiltiin monikerroksisella muovilla ja kartongilla, jotta voitiin saada tuloksia eri lämpömuovausmateriaalien käytöstä. Tutkimuksen perusteella FFF-prosessia voitaisiin hyödyntää lämpömuovaustyövälineissä, nimenomaan muotin valmistuksessa, kun lämpömuovatun tuotteen valmistusnopeus tai lämpömuovatun levyn pintarakenne eivät ole rajoittavia tekijöitä.