Packaging sostenibili stampati in 3D: perché soddisfano aziende e consumatori

Il packaging sostenibile è diventato una soluzione aziendale end-to-end, e sempre di più stiamo vedendo le possibilità di realizzare packaging stampati in 3D. Il ciclo di produzione della stampa 3D di progettazione digitale del packaging e l’utilizzo di materiali rispettosi dell’ambiente si traduce in prodotti di alta qualità che aiutano le aziende a raggiungere i loro obiettivi di sostenibilità aziendale. Tuttavia, ci sono alcune insidie lungo la strada. La ragione per cui le persone considerano la produzione additiva un metodo di produzione sostenibile è abbastanza semplice e deriva dai principi fondamentali della gestione ambientale: ridurre, riutilizzare, riciclare. Nella produzione additiva (AM), conosciuta anche come stampa 3D, la fabbricazione di parti e prodotti può portare al 70-90% in meno di scarti rispetto ai metodi tradizionali di produzione. Inoltre, ci sono state molte innovazioni nel riutilizzo dei materiali di produzione e nel riciclaggio dei rifiuti come le bottiglie di plastica, per creare nuovi materiali di stampa 3D. Evitare la plastica monouso e ottimizzare la quantità di materiale utilizzato nella produzione di imballaggi sono alcuni dei motivi principali per cui la stampa 3D viene utilizzata per creare imballaggi sostenibili.

Gli imballaggi sono a livello globale, una delle fonti principali di rifiuti. Elettrodomestici, cosmetici, contenitori per alimenti, la lista degli imballaggi che producono tonnellate di rifiuti è lunga. Nel 2018, la Cina ha vietato le importazioni di rifiuti, ciò ha significato per il Giappone, la Germania, il Regno Unito, il Belgio, la Spagna, l’Italia, la Francia e i Paesi Bassi una crisi nella gestione dei rifiuti, in quanto le infrastrutture di riciclaggio non sono state progettate per gestire volumi così importanti. Per ridurre i rifiuti e introdurre pratiche di produzione più sostenibili, molte aziende hanno iniziato a utilizzare le tecnologie di stampa 3D per i loro packaging.

La plastica e altri imballaggi sono tra le fonti principali di rifiuti nel mondo. Le tecnologie di stampa 3D stanno portando sul mercato alternative alla plastica monouso. (Crediti foto: Magda Ehlers/Pexels)

Cosa vuol dire imballaggio sostenibile?

Il termine “sostenibile” si è trasformato in una parola d’ordine del marketing che le aziende impiegano per segnalare ai consumatori che il prodotto con tale etichetta non è “dannoso per l’ambiente”. A volte, le aziende includono anche la “responsabilità sociale” nella sostenibilità – riferendosi al rispetto di salari equi e di condizioni di lavoro umane. Per la nostra analisi sul packaging sostenibile, esploreremo i metodi di produzione, le macchine e i materiali.

La ricerca Nielsen sui consumatori ha rivelato che il 73% dei consumatori millennial è disposto a pagare di più per prodotti sostenibili. (Foto: Krizjohn Rosales/Pexels)

Uno dei driver più forti negli investimenti aziendali per imballaggi più sostenibili, sembra essere il comportamento dei consumatori e le decisioni di acquisto. In un sondaggio su 550 consumatori, il 53% dei partecipanti ha dichiarato che i prodotti con etichette che indicano un imballaggio “ecologico” li aiutano a identificare un prodotto come sostenibile – anche più delle etichette “senza pesticidi” o “biologico”. Inoltre, secondo una ricerca sui consumatori di Nielsen, il 73% dei consumatori millennial è disposto a pagare di più per prodotti sostenibili (e il 66% dei consumatori in generale). Con queste cifre, diventa evidente il motivo per cui le aziende stanno investendo prontamente nel packaging sostenibile. “I nostri clienti ci chiedono regolarmente di riprogettare il packaging perché sia più ecologico. È qui che entra in gioco la stampa 3D. Ci permette di testare prototipi con parti più sottili o materiali più leggeri e assicurarci che la confezione rifletta ancora la qualità del prodotto all’interno“, ha spiegato James A. Kingswell, Innovation Manager di Toly Group.

Vantaggi degli imballaggi stampati in 3D

Uno studio della Michigan Technological University ha rivelato che per stampare un articolo in 3D è stato impiegato dal 41 al 64%  di energia in meno. Inoltre, anche una piccola riduzione della quantità di materiale utilizzato per l’imballaggio può comportare un significativo risparmio sui costi aziendali. Con la tecnologia di stampa 3D, le aziende possono ridurre la quantità di plastica negli imballaggi senza interferire con la qualità del prodotto. Intuizioni come questa sono probabilmente il motivo per cui vediamo organizzazioni come L’Oréal, UPS e FedEx investire in strutture interne di stampa 3D: il risparmio sui costi e la riduzione dei tempi di produzione sono alcuni dei vantaggi principali dell’utilizzo della stampa 3D per creare imballaggi. Come già sottolineato, inoltre, definire sostenibile il packaging spesso contribuisce alla buona vendita del prodotto, quando ci si rivolge a certi consumatori, oltre ad aiutare le aziende a raggiungere i loro obiettivi di sostenibilità.

Il packaging stampato in 3D offre alle aziende maggiore la libertà di progettazione e scalabilità, con la possibilità di creare prototipi prima di utilizzare materiali costosi. Questa tecnologia permette anche ai marchi di offrire imballaggi personalizzati per i clienti. Per esempio, Marchesini, azienda italiana fondata nel 1974 che produce una vasta gamma di imballaggi per vari settori, tra cui quello farmaceutico, cosmetico e alimentare, è uno dei maggiori clienti europei del leader mondiale dell’AM Stratasys.

Marchesini ha commissionato diverse stampanti FDM e PolyJet di Stratasys, compresi i cinque sistemi F270, quattro Fortus 450mc, una Fortus 900mc su larga scala e due stampanti 3D PolyJet multi-materiale. “Produrre parti complesse e personalizzate con i metodi di produzione tradizionali si è rivelato estremamente costoso e dispendioso in termini di tempo, il che non è più adatto alle crescenti esigenze dell’industria del packaging di oggi“, ha spiegato Mirko Fortunati, coordinatore delle officine meccaniche del Gruppo Marchesini. “La produzione additiva Stratasys ci ha permesso di superare queste problematiche e di adottare un modello di produzione personalizzato. Disporre di questa capacità di produzione on-demand consente ai nostri ingegneri di sfruttare la maggiore libertà di progettazione consentita dalla stampa 3D, che ha permesso al Gruppo Marchesini di ottenere risultati di qualità superiore“, ha continuato Fortunati.

Quadpack, produttore globale di soluzioni di imballaggio per la cosmetica, utilizza la stampante 3D J Series di Stratasys per le sue opzioni multi-materiale e a colori. (Crediti fotografici: Stratasys)

Inoltre, la produzione decentralizzata è un enorme vantaggio, ciò è stato ampiamente dimostrato durante la pandemia a causa del COVID-19, quando la catena di approvvigionamento globale è stata interrotta e le spedizioni bloccate. Utilizzando le tecnologie di stampa 3D, le aziende possono spostare i siti di produzione rapidamente, poiché si affidano a file digitali da stampare, non a enormi fabbriche immobili. I file digitali permettono anche il packaging stampato in 3D su richiesta. Per esempio, potrebbe essere possibile stampare gli imballaggi in base alla quantità esatta dell’ordine, riducendo così i rifiuti e il volume degli imballaggi che finiscono in discarica.

L’Òréal usa la Multi Jet Fusion di HP e la biomimetica per ridurre il volume del materiale usato nel packaging stampato in 3D. (Crediti foto: HP)

Stampaggio a iniezione e tecniche ibride di stampa 3D

Naturalmente, avere solo imballaggi stampati in 3D non è l’unica strada da percorrere per un imballaggio sostenibile. Ci sono anche molti metodi ibridi che si sono dimostrati promettenti. Per esempio, lo stampaggio a iniezione, che esiste dal 19° secolo, è un metodo di produzione tradizionale ben consolidato che viene spesso utilizzato insieme alla stampa 3D in modi innovativi. Inoltre, la stampa 3D sta guidando la sostenibilità in quel settore, poiché lo stampaggio a iniezione beneficia della scienza dei materiali utilizzata con le tecnologie 3D. La combinazione è utile perché lo stampaggio a iniezione permette alle aziende di progettare parti in grandi volumi, mentre la stampa 3D può essere limitata a lotti piccoli e medi a causa di una combinazione di costi e materiali. Anche se, come suggerisce il nome, l’iniezione richiede uno stampo e crearne uno è un’impresa piuttosto costosa, per non parlare del fatto che richiede molto più tempo. Ecco perché, invece di produrre uno stampo di metallo tradizionale, se ne può creare uno stampato in 3D usando le tecnologie FDM, sinterizzazione laser o stereolitografia. Usando queste tecnologie di stampa 3D, i costi si riducono sostanzialmente, e le aziende riducono il rischio di ritardi nella produzione. Dal punto di vista del design, la stampa 3D apre la possibilità di creare stampi più complessi, il che apre le possibilità per pezzi più ottimizzati e sostenibili grazie alla combinazione di questi due metodi di produzione.

Un altro modo in cui l’ibridazione della stampa 3D può essere utilizzata per un packaging più sostenibile è attraverso la creazione di strumenti specifici. Per esempio, sfruttando la tecnologia Binder Jetting a metallo di ExOne, il produttore svedese Celwise AB  crea contenitori e imballaggi alimentari rinnovabili e biodegradabili. Celwise riferisce che questo processo offre prodotti più ecologici riducendo i costi di produzione del 50%. “La nostra tecnologia brevettata offre un prodotto riciclabile, rinnovabile e biodegradabile che può essere fabbricato più velocemente e più convenientemente delle tecnologie tradizionali. Gli approcci di produzione avanzata, che si basano su utensili stampati in 3D da ExOne, sono una parte importante del nostro processo“, ha spiegato David Pierce, inventore e co-proprietario di Celwise.

Questo metodo di produzione di imballaggi di Celwise utilizza delle fibre come alternativa alla plastica monouso. Ci si aspetta che il metodo continui a crescere sul mercato, dato che Celwise ha già venduto questa soluzione di imballaggio ecologico ad aziende internazionali nel settore alimentare e delle bevande, dei cosmetici e dell’elettronica. Questo esempio mostra come, sebbene gli imballaggi sostenibili stampati in 3D siano in crescita, la tecnologia viene utilizzata anche per realizzare imballaggi più sostenibili attraverso metodi indiretti.

Gli imballaggi sostenibili di Celwise realizzati con la tecnologia binder jetting di ExOne. (Crediti fot: ExOne)

Materiali e prototipazione rapida

Un aspetto importante quando si parla di packaging sostenibile è il materiale utilizzato. Fino a poco tempo fa, la stampa 3D si è basata principalmente su materiali non biodegradabili come la plastica prodotta da combustibili fossili pericolosi per l’ambiente. Tuttavia, le innovazioni nei materiali plastici e le nuove alternative alla plastica stanno permettendo di utilizzare rifiuti per produrre di valore a costi bassissimi. Vale la pena notare che gli imballaggi compostabili sono più preziosi in quanto, a differenza degli imballaggi biodegradabili che si disintegrano in componenti naturali, se smaltiti correttamente, possono diventare nutrienti per il suolo. Pertanto, i materiali compostabili contribuiscono anche al miglioramento dell’ambiente, cosa che non sempre avviene con quelli biodegradabili.

Una recente conquista della scienza dei materiali nella stampa 3D è il Bluesint PA12 di Materialise. Questo materiale, usato per la sinterizzazione laser, è una polvere riciclata al 100% con proprietà meccaniche simili al tradizionale PA 12 (noto anche come Nylon 12).

Insieme allo studio dei materiali, i fornitori di servizi di imballaggio sono in grado di utilizzare simulazioni in 3D al computer per testare vari progetti di imballaggio e determinare i materiali ottimali. Questo è ciò che offre Dassault Systèmes, un’azienda nota per la sua 3DEXPERIENCE® che integra digitalmente design, simulazione e produzione. “Se i nuovi progetti di packaging possono essere simulati prima della realizzazione di qualsiasi campione, le iterazioni di progettazione di bottiglie e preforme avvengono in modo più rapido ed economico, accelerando l’intera catena di progettazione e determinando un time to market più rapido“, ha dichiarato Sumit Mukherjee, Chief Technology Officer di Plastic Technologies Inc, cliente di Dassault Systèmes.

Svantaggi della stampa 3D

Con l’aumento del numero di pezzi, le tecnologie di produzione tradizionali diventano molto più economiche rispetto alle soluzioni di stampa 3D disponibili. “Abbiamo condotto studi approfonditi che dimostrano che, per la produzione di volumi importanti, lo stampaggio a iniezione è ancora di gran lunga superiore alla stampa 3D dal punto di vista della sostenibilità. Questo è dovuto principalmente al fatto che lo stampaggio a iniezione può produrre migliaia di pezzi all’ora rispetto alle costruzioni di diverse ore tipiche della stampa 3D”, spiega Olaf Zahra, Chief Officer Technology & Sustainability di Toly Group. “Inoltre ci sono molte più opzioni sostenibili in termini di materiali per lo stampaggio a iniezione rispetto alla stampa 3D. Detto questo, la stampa 3D è efficace, economicamente e ambientalmente, dove sono richiesti volumi inferiori. La soglia al momento è tra 10.000 e 15.000 componenti. L’equilibrio si sposterà a favore della produzione additiva quando le stampe si velocizzeranno e saranno disponibili materiali bio-based e biodegradabili“.

Smaltire correttamente i nuovi materiali sostenibili rappresenta una sfida per i consumatori e per le infrastrutture di riciclaggio esistenti. (Crediti: Marcell Viragh / Unspalsh)

C’è un altro problema da considerare. Le bioplastiche non sono facilmente distinguibili dalla tradizionale plastica a base di petrolio. Di conseguenza, queste plastiche finiscono spesso per essere confuse da parte dei consumatori che le gettano insieme nella raccolta differenziata della plastica o nel contenitore dei rifiuti organici. Un’ulteriore sfida da affrontare nel percorso verso la sostenibilità.

Packaging sostenibili stampati in 3D: previsioni per il futuro

Sul mercato, i consumatori continueranno ad aspettarsi prodotti sostenibili e le aziende dovranno continuare a migliorare la loro offerta per soddisfare le preferenze di acquisto dei consumatori. D’altro canto secondo un sondaggio di Deloitte UK del 2021, il 22% dei consumatori non ha interesse ad acquistare prodotti sostenibili (il 15% ha detto di non avere abbastanza informazioni), e il 16% ha detto che i prodotti sostenibili sono troppo costosi. Poiché la tecnologia di stampa 3D continua a progredire e a spingere il costo di produzione verso il basso, in futuro bisognerà pensare a informare meglio i consumatori. Questo potrebbe richiedere la collaborazione con organizzazioni per ottenere certificazioni riconosciute ed affidabili per fornire un’etichettatura accurata dei prodotti (ad esempio eco-friendly, biodegradabile, ecc.). Nel processo verso l’eliminazione della plastica monouso, continueremo a vedere lo studio dei materiali guidare l’innovazione nel settore. Con le aziende che puntano all’efficienza della produzione e al risparmio dei costi, le tecnologie di stampa 3D sono in grado di mantenere la promessa della sostenibilità attraverso la selezione ottimizzata dei materiali, la produzione digitale decentralizzata e la scalabilità.

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Crediti copertina: Mali Maeder / Pexels