Odlewnie coraz częściej wdrażają automatyzację procesów opartą na danych, aby osiągnąć długoterminowe cele, takie jak wyższa jakość, mniejsza ilość odpadów, maksymalny czas sprawności i minimalne koszty. W pełni zintegrowana cyfrowa synchronizacja procesów odlewania i formowania (odlewanie bezszwowe) jest szczególnie cenna dla odlewni, które borykają się z wyzwaniami związanymi z produkcją just-in-time, skróconymi cyklami i częstszymi zmianami modeli. Dzięki zautomatyzowanym systemom formowania i odlewania, które są płynnie ze sobą połączone, proces odlewania staje się szybszy, a produkcja elementów o wyższej jakości jest bardziej spójna. Zautomatyzowany proces odlewania obejmuje monitorowanie temperatury odlewania, a także podawanie materiału do modyfikacji i kontrolę każdej formy. Poprawia to jakość każdego odlewu i zmniejsza liczbę braków. Ta kompleksowa automatyzacja zmniejsza również zapotrzebowanie na operatorów z wieloletnim doświadczeniem specjalistycznym. Operacje stają się również bezpieczniejsze, ponieważ zaangażowanych jest mniej pracowników. Ta wizja nie jest wizją przyszłości; dzieje się już teraz. Narzędzia takie jak automatyzacja odlewni i robotyka, gromadzenie i analiza danych ewoluowały przez dekady, ale postęp przyspieszył ostatnio dzięki rozwojowi niedrogich, wysokowydajnych komputerów, zaawansowanych czujników sieciowych Przemysłu 4.0 i kompatybilnych systemów sterowania. Rozwiązania i partnerzy umożliwiają obecnie odlewniom tworzenie solidnej, inteligentnej infrastruktury wspierającej ambitniejsze projekty, łącząc wiele dotychczas niezależnych podprocesów w celu koordynowania ich działań. Przechowywanie i analizowanie danych procesowych gromadzonych przez te zautomatyzowane, zintegrowane systemy otwiera również drogę do samowystarczalnego cyklu ciągłego doskonalenia opartego na danych. Odlewnie mogą gromadzić i analizować parametry procesów, analizując dane historyczne w celu znalezienia korelacji między nimi a wynikami procesu. Zautomatyzowany proces zapewnia następnie transparentne środowisko, w którym wszelkie usprawnienia zidentyfikowane w analizie mogą zostać dokładnie i szybko przetestowane, zweryfikowane i, w miarę możliwości, wdrożone.
Wyzwania związane z formowaniem bezszwowym Ze względu na trend produkcji just-in-time, klienci korzystający z linii formierskich DISAMATIC® często muszą często wymieniać modele między małymi partiami. Używając urządzeń takich jak Automatyczna Zmieniacz Proszku (APC) lub Szybka Zmieniacz Proszku (QPC) firmy DISA, szablony można wymienić w zaledwie jedną minutę. W miarę jak zachodzą szybkie zmiany form, wąskie gardło w procesie ma tendencję do przesuwania się w kierunku odlewania — czasu potrzebnego na ręczne przesunięcie kadzi pośredniej w celu zalania po zmianie formowania. Odlewanie bezszwowe to najlepszy sposób na usprawnienie tego etapu procesu odlewania. Chociaż odlewanie jest często częściowo zautomatyzowane, pełna automatyzacja wymaga płynnej integracji systemów sterowania linii formierskiej i urządzeń napełniających, tak aby działały one w pełni synchronicznie we wszystkich możliwych sytuacjach operacyjnych. Aby osiągnąć to niezawodnie, jednostka odlewnicza musi dokładnie wiedzieć, gdzie bezpiecznie zlać kolejną formę i, w razie potrzeby, dostosować położenie jednostki napełniającej. Osiągnięcie wydajnego automatycznego napełniania w stabilnym procesie produkcyjnym tej samej formy nie jest takie trudne. Za każdym razem, gdy wykonywana jest nowa forma, kolumna formy przesuwa się o tę samą odległość (grubość formy). Dzięki temu jednostka napełniająca może pozostać w tej samej pozycji, gotowa do napełnienia kolejnej pustej formy po zatrzymaniu linii produkcyjnej. Wymagane są jedynie drobne korekty położenia wlewu, aby skompensować zmiany grubości formy spowodowane zmianami ściśliwości masy formierskiej. Potrzeba tych drobnych korekt została ostatnio dodatkowo ograniczona dzięki nowym funkcjom linii formierskiej, które pozwalają na zachowanie większej spójności pozycji wlewu podczas produkcji. Po zakończeniu każdego zlewu linia formierska przesuwa się o jeden krok, umieszczając kolejną pustą formę na miejscu, aby rozpocząć kolejne zlewanie. W tym czasie można ponownie napełnić urządzenie napełniające. Podczas zmiany modelu grubość formy może ulec zmianie, co wymaga złożonej automatyzacji. W przeciwieństwie do procesu poziomego w piaskownicy, gdzie wysokość piaskownicy jest stała, pionowy proces DISAMATIC® pozwala na regulację grubości formy do dokładnej grubości potrzebnej dla każdego zestawu modeli, aby utrzymać stały stosunek piasku do żelaza i uwzględnić wysokość modelu. Jest to istotna zaleta w zapewnieniu optymalnej jakości odlewów i wykorzystania zasobów, jednak zmienna grubość formy utrudnia automatyczną kontrolę odlewów. Po zmianie modelu maszyna DISAMATIC® rozpoczyna produkcję kolejnej partii form o tej samej grubości, ale napełniarka na linii nadal napełnia formy poprzedniego modelu, które mogą mieć inną grubość. Aby temu zaradzić, linia formująca i napełniarka muszą działać płynnie jako jeden zsynchronizowany system, produkując formy o jednej grubości i bezpiecznie zalewając kolejne. Zalewanie bezszwowe po zmianie wzoru. Po zmianie wzoru grubość pozostałej formy między formami pozostaje taka sama. Jednostka zalewowa wykonana z poprzedniego modelu pozostaje taka sama, ale ponieważ nowa forma wychodząca z formy może być grubsza lub cieńsza, cały ciąg może przesuwać się na różne odległości w każdym cyklu – do grubości nowej formy. Oznacza to, że z każdym skokiem formy, system odlewania bezszwowego musi korygować położenie odlewu w celu przygotowania do kolejnego odlewu. Po zalaniu poprzedniej partii form, grubość formy ponownie się stabilizuje, a stabilna produkcja zostaje wznowiona. Na przykład, jeśli nowa forma ma 150 mm grubości zamiast 200 mm, która była wcześniej zalewana, urządzenie wlewowe musi przesuwać się o 50 mm do tyłu w kierunku maszyny formującej przy każdym skoku maszyny formującej, aby znaleźć się w prawidłowej pozycji odlewania. Aby linia odlewnicza mogła przygotować się do odlewania, gdy kolumna formy przestanie się poruszać, sterownik instalacji napełniającej musi dokładnie wiedzieć, do której formy będzie wlewana masa oraz kiedy i gdzie dotrze ona do obszaru odlewania. Używając nowego modelu, który produkuje grube formy, a jednocześnie odlewa cienkie formy, system powinien być w stanie odlać dwie formy w jednym cyklu. Na przykład, podczas wytwarzania formy o średnicy 400 mm i zalewania formy o średnicy 200 mm, urządzenie wlewowe musi być oddalone o 200 mm od maszyny formującej dla każdej wykonanej formy. W pewnym momencie skok 400 mm wypchnie dwie niewypełnione formy o średnicy 200 mm poza możliwy obszar odlewania. W tym przypadku maszyna formująca musi poczekać, aż urządzenie napełniające zakończy zalewanie dwóch form o średnicy 200 mm, zanim przejdzie do następnego suwu. Lub, podczas produkcji cienkich form, rozlewaczka musi być w stanie całkowicie pominąć zalewanie w cyklu, nadal zalewając formy grube. Na przykład, podczas produkcji formy o średnicy 200 mm i zalewania formy o średnicy 400 mm, umieszczenie nowej formy o średnicy 400 mm w obszarze zalewania oznacza, że należy wykonać dwie formy o średnicy 200 mm. Śledzenie, obliczenia i wymiana danych wymagane dla zintegrowanego systemu formowania i zalewania w celu zapewnienia bezproblemowego zautomatyzowanego zalewania, jak opisano powyżej, stanowiły wyzwanie dla wielu dostawców sprzętu w przeszłości. Jednak dzięki nowoczesnym maszynom, systemom cyfrowym i najlepszym praktykom, bezproblemowe zalewanie może być (i zostało) osiągnięte szybko przy minimalnej konfiguracji. Głównym wymogiem jest jakaś forma „rozliczania” procesu, dostarczająca informacji o położeniu każdej formy w czasie rzeczywistym. System Monitizer®|CIM (Computer Integrated Module) firmy DISA osiąga ten cel, rejestrując każdą wykonaną formę i śledząc jej ruch na linii produkcyjnej. Jako licznik czasu procesu, generuje on serię strumieni danych ze znacznikami czasu, które co sekundę obliczają położenie każdej formy i jej dyszy na linii produkcyjnej. W razie potrzeby wymienia dane w czasie rzeczywistym z systemem sterowania napełnialnią i innymi systemami, aby zapewnić precyzyjną synchronizację. System DISA wyodrębnia z bazy danych CIM ważne dane dla każdej formy, takie jak grubość formy i czy można/nie można zalać, i przesyła je do systemu sterowania napełnialnią. Korzystając z tych dokładnych danych (generowanych po wytłoczeniu formy), rozlewarka może ustawić zespół odlewniczy we właściwej pozycji przed dostarczeniem formy, a następnie rozpocząć otwieranie pręta zatyczki, gdy forma jest jeszcze w ruchu. Forma dociera na czas, aby odebrać żelazo z rozlewni. Ten idealny czas ma kluczowe znaczenie, tj. stop precyzyjnie dociera do kubka wlewowego. Czas wlewania jest częstym wąskim gardłem wydajności, a dzięki idealnemu momentowi rozpoczęcia wlewania, czas cyklu można skrócić o kilka dziesiątych sekundy. System formowania DISA przesyła również istotne dane z maszyny formującej, takie jak aktualny rozmiar formy i ciśnienie wtrysku, a także szersze dane procesowe, takie jak ściśliwość masy formierskiej, do systemu Monitizer®|CIM. Z kolei Monitizer®|CIM odbiera i przechowuje parametry krytyczne dla jakości dla każdej formy z napełnialni, takie jak temperatura wlewania, czas wlewania oraz powodzenie procesów wlewania i szczepienia. Pozwala to na oznaczenie poszczególnych form jako wadliwych i oddzielenie ich przed wymieszaniem w systemie wstrząsania. Oprócz automatyzacji maszyn formujących, linii formierskich i odlewania, Monitizer®|CIM zapewnia zgodną z Przemysłem 4.0 platformę do gromadzenia, przechowywania, raportowania i analizy danych. Kierownictwo odlewni może przeglądać szczegółowe raporty i analizować dane, aby śledzić problemy z jakością i wprowadzać potencjalne ulepszenia. Doświadczenie Ortrander w odlewaniu bezszwowo Ortrander Eisenhütte to rodzinna odlewnia w Niemczech, specjalizująca się w produkcji wysokiej jakości odlewów żeliwnych o średniej wielkości produkcji do podzespołów samochodowych, pieców opalanych drewnem o dużej wytrzymałości, elementów infrastruktury oraz części maszyn ogólnego przeznaczenia. Odlewnia produkuje żeliwo szare, sferoidalne i żeliwo z grafitem zwartym, wytwarzając rocznie około 27 000 ton wysokiej jakości odlewów, pracując na dwie zmiany pięć dni w tygodniu. Ortrander posiada cztery 6-tonowe piece indukcyjne do topienia oraz trzy linie formierskie DISA, produkując około 100 ton odlewów dziennie. Obejmuje to krótkie serie produkcyjne trwające godzinę, a czasami krócej dla ważnych klientów, co wymaga częstej wymiany szablonu. Aby zoptymalizować jakość i wydajność, prezes Bernd H. Williams-Book zainwestował znaczne środki we wdrożenie automatyzacji i analityki. Pierwszym krokiem była automatyzacja procesu topienia i dozowania żelaza, poprzez modernizację trzech istniejących pieców odlewniczych przy użyciu najnowszego systemu pourTECH, który obejmuje technologię laserową 3D, inkubację i kontrolę temperatury. Piece, linie formowania i odlewania są teraz sterowane cyfrowo i synchronizowane, działając niemal całkowicie automatycznie. Gdy maszyna formująca zmienia model, sterownik pourTECH wysyła zapytanie do systemu DISA Monitizer®|CIM o nowe wymiary formy. Na podstawie danych DISA sterownik oblicza, gdzie umieścić węzeł zalewowy dla każdego zalewu. Dokładnie wie, kiedy pierwsza nowa forma dociera do napełniarki i automatycznie przełącza się na nową sekwencję zalewania. Jeśli przyrząd do odlewania osiągnie koniec swojego skoku, maszyna DISAMATIC® zatrzymuje się, a przyrząd automatycznie powraca. Gdy pierwsza nowa forma zostanie zdjęta z maszyny, operator jest powiadamiany, aby mógł wizualnie sprawdzić, czy znajduje się ona we właściwej pozycji. Zalety odlewania bezszwowego Tradycyjne procesy odlewania ręcznego lub mniej złożone systemy zautomatyzowane mogą skutkować stratą czasu produkcji podczas zmian modelu, co jest nieuniknione nawet przy szybkiej wymianie formy w maszynie formierskiej. Ręczne przestawianie nalewaka i form jest wolniejsze, wymaga większej liczby operatorów i jest podatne na błędy, takie jak flarowanie. Ortrander odkrył, że podczas ręcznego butelkowania jego pracownicy z czasem się męczyli, tracili koncentrację i popełniali błędy, takie jak obijanie się. Bezproblemowa integracja formowania i nalewania umożliwia szybsze, bardziej spójne i wysokiej jakości procesy, jednocześnie redukując ilość odpadów i przestojów. Dzięki Ortrander automatyczne napełnianie eliminuje trzy minuty, które wcześniej były potrzebne na regulację położenia jednostki napełniającej podczas zmiany modelu. Cały proces konwersji trwał 4,5 minuty, powiedział pan Williams-Book. Dziś mniej niż dwie minuty. Dzięki wymianie od 8 do 12 modeli na zmianę, pracownicy Ortrander spędzają teraz około 30 minut na zmianę, czyli o połowę krócej niż wcześniej. Jakość poprawia się dzięki większej spójności i możliwości ciągłej optymalizacji procesów. Ortrander zredukował ilość odpadów o około 20% dzięki wprowadzeniu odlewania bezszwowego. Oprócz skrócenia przestojów podczas zmiany modeli, cała linia formowania i zalewania wymaga tylko dwóch osób zamiast poprzednich trzech. Na niektórych zmianach trzy osoby mogą obsługiwać dwie kompletne linie produkcyjne. Monitorowanie to prawie wszystko, co robią ci pracownicy: poza wyborem kolejnego modelu, zarządzaniem mieszankami masowymi i transportem stopu, wykonują niewiele zadań manualnych. Kolejną korzyścią jest mniejsze zapotrzebowanie na doświadczonych pracowników, których trudno znaleźć. Chociaż automatyzacja wymaga pewnego przeszkolenia operatorów, dostarcza ludziom kluczowych informacji procesowych, których potrzebują do podejmowania trafnych decyzji. W przyszłości wszystkie decyzje mogą być podejmowane przez maszyny. Korzyści z danych z odlewania bezszwowego Próbując ulepszyć proces, odlewnie często mówią: „Robimy to samo w ten sam sposób, ale z różnymi rezultatami”. Odlewają więc w tej samej temperaturze i na tym samym poziomie przez 10 sekund, ale niektóre odlewy są dobre, a niektóre złe. Dodając zautomatyzowane czujniki, gromadząc dane z sygnaturą czasową dla każdego parametru procesu i monitorując wyniki, zintegrowany system odlewania bezszwowego tworzy łańcuch powiązanych danych procesowych, ułatwiając identyfikację przyczyn, gdy jakość zaczyna się pogarszać. Na przykład, jeśli w partii tarcz hamulcowych wystąpią nieoczekiwane wtrącenia, menedżerowie mogą szybko sprawdzić, czy parametry mieszczą się w dopuszczalnych granicach. Ponieważ sterowniki maszyny formierskiej, odlewni i innych funkcji, takich jak piece i mieszalniki piasku, działają w sposób skoordynowany, generowane przez nie dane można analizować w celu identyfikacji zależności w całym procesie, od właściwości piasku po ostateczną jakość powierzchni odlewu. Jednym z możliwych przykładów jest wpływ poziomu i temperatury zalewania na wypełnienie formy dla każdego modelu. Powstała baza danych stanowi również podstawę do przyszłego wykorzystania zautomatyzowanych technik analizy, takich jak uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja (AI), w celu optymalizacji procesów. Ortrander gromadzi dane procesowe w czasie rzeczywistym za pomocą interfejsów maszynowych, pomiarów czujników i próbek testowych. Dla każdego odlewu formy gromadzonych jest około tysiąca parametrów. Wcześniej system rejestrował jedynie czas potrzebny na każde zalanie, ale teraz dokładnie wie, jaki jest poziom dyszy wlewowej co sekundę, umożliwiając doświadczonemu personelowi badanie, jak ten parametr wpływa na inne wskaźniki, a także na ostateczną jakość odlewu. Czy ciecz jest odprowadzana z dyszy wlewowej podczas napełniania formy, czy też dysza wlewowa jest napełniana do niemal stałego poziomu podczas napełniania? Ortrander produkuje od trzech do pięciu milionów form rocznie i zgromadził ogromną ilość danych. Ortrander przechowuje również wiele obrazów każdego odlewu w bazie danych pourTECH na wypadek problemów z jakością. Znalezienie sposobu na automatyczną ocenę tych obrazów to cel na przyszłość. Wnioski. Jednoczesne zautomatyzowane formowanie i odlewanie przekłada się na szybsze procesy, bardziej spójną jakość i mniejszą ilość odpadów. Dzięki płynnemu odlewaniu i automatycznej zmianie formowania, linia produkcyjna działa efektywnie autonomicznie, wymagając jedynie minimalnego nakładu pracy ręcznej. Ponieważ operator pełni rolę nadzorczą, potrzeba mniej personelu. Odlewy bezszwowe są obecnie stosowane w wielu miejscach na świecie i mogą być stosowane we wszystkich nowoczesnych odlewniach. Każda odlewnia będzie wymagała nieco innego rozwiązania, dostosowanego do jej potrzeb, ale technologia jego wdrożenia jest sprawdzona, obecnie dostępna w DISA i jej partnerze pour-tech AB, i nie wymaga dużego nakładu pracy. Możliwe jest również wykonanie prac niestandardowych. Rosnące wykorzystanie sztucznej inteligencji i inteligentnej automatyzacji w odlewniach jest wciąż w fazie testów, ale w miarę jak odlewnie i producenci OEM będą gromadzić więcej danych i zdobywać dodatkowe doświadczenie w ciągu najbliższych dwóch do trzech lat, przejście na automatyzację znacznie przyspieszy. To rozwiązanie jest obecnie opcjonalne, jednak ponieważ inteligencja danych to najlepszy sposób na optymalizację procesów i poprawę rentowności, większa automatyzacja i gromadzenie danych stają się standardem, a nie jedynie eksperymentem. W przeszłości największym atutem odlewni był model i doświadczenie pracowników. Teraz, gdy odlewy bezszwowe łączą się z większą automatyzacją i systemami Przemysłu 4.0, dane szybko stają się trzecim filarem sukcesu odlewni.
—Serdecznie dziękujemy pour-tech i Ortrander Eisenhütte za uwagi udzielone podczas przygotowywania tego artykułu.
Tak, chcę otrzymywać dwutygodniowy newsletter Foundry-Planet ze wszystkimi najnowszymi wiadomościami, testami i raportami dotyczącymi produktów i materiałów. Dodatkowo, specjalne newslettery – wszystkie z możliwością bezpłatnego anulowania w dowolnym momencie.
Czas publikacji: 05.10.2023