Odlewnie coraz częściej stosują automatyzację procesów opartą na danych, aby osiągnąć długoterminowe cele wyższej jakości, mniejszej ilości odpadów, maksymalnego czasu sprawności i minimalnych kosztów. W pełni zintegrowana cyfrowa synchronizacja procesów odlewania i formowania (odlewanie bezszwowe) jest szczególnie cenna dla odlewni, które stoją przed wyzwaniami związanymi z produkcją just-in-time, skróconymi czasami cykli i częstszymi zmianami modeli. Dzięki zautomatyzowanym systemom formowania i odlewania, które są ze sobą płynnie połączone, proces odlewania staje się szybszy, a wyższej jakości części są produkowane w bardziej spójny sposób. Zautomatyzowany proces odlewania obejmuje monitorowanie temperatury odlewania, a także podawanie materiału do szczepienia i sprawdzanie każdej formy. Poprawia to jakość każdego odlewu i zmniejsza wskaźnik złomu. Ta kompleksowa automatyzacja zmniejsza również potrzebę operatorów z wieloletnim doświadczeniem specjalistycznym. Operacje stają się również bezpieczniejsze, ponieważ ogólnie zaangażowanych jest mniej pracowników. Ta wizja nie jest wizją przyszłości; dzieje się to teraz. Narzędzia takie jak automatyzacja odlewni i robotyka, zbieranie i analiza danych ewoluowały przez dziesięciolecia, ale postęp przyspieszył ostatnio dzięki rozwojowi niedrogich, wysokowydajnych komputerów i zaawansowanych czujników sieciowych Przemysłu 4.0 oraz kompatybilnych systemów sterowania. Rozwiązania i partnerzy umożliwiają teraz odlewniom tworzenie solidnej, inteligentnej infrastruktury do obsługi bardziej ambitnych projektów, łącząc wiele wcześniej niezależnych podprocesów w celu koordynowania ich wysiłków. Przechowywanie i analizowanie danych procesowych zebranych przez te zautomatyzowane, zintegrowane systemy otwiera również drzwi do błędnego koła ciągłego doskonalenia opartego na danych. Odlewnie mogą zbierać i analizować parametry procesu, badając dane historyczne w celu znalezienia korelacji między nimi a wynikami procesu. Zautomatyzowany proces zapewnia następnie przejrzyste środowisko, w którym wszelkie usprawnienia zidentyfikowane przez analizę mogą być dokładnie i szybko testowane, weryfikowane i, jeśli to możliwe, wdrażane.
Wyzwania związane z formowaniem bezszwowym Ze względu na tendencję do produkcji just-in-time klienci korzystający z linii formujących DISAMATIC® często muszą często zmieniać modele między małymi partiami. Używając sprzętu, takiego jak Automatic Powder Changer (APC) lub Quick Powder Changer (QPC) firmy DISA, szablony można zmienić w ciągu zaledwie jednej minuty. Gdy zachodzą szybkie zmiany wzoru, wąskie gardło w procesie ma tendencję do przesuwania się w kierunku wlewania — czasu wymaganego do ręcznego przesunięcia kadzi w celu wlania po zmianie wzoru. Odlewanie bezszwowe jest najlepszym sposobem na ulepszenie tego etapu procesu odlewania. Chociaż odlewanie jest często już częściowo zautomatyzowane, pełna automatyzacja wymaga bezproblemowej integracji systemów sterowania linii formującej i urządzeń napełniających, aby działały one całkowicie synchronicznie we wszystkich możliwych sytuacjach operacyjnych. Aby osiągnąć to niezawodnie, jednostka wlewowa musi dokładnie wiedzieć, gdzie bezpiecznie jest wlać następną 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). W ten sposób 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 zrekompensować zmiany grubości formy spowodowane zmianami ściśliwości piasku. Potrzeba tych drobnych korekt została ostatnio jeszcze bardziej ograniczona dzięki nowym funkcjom linii formującej, które pozwalają na zachowanie bardziej spójnych pozycji wlewu podczas spójnej produkcji. Po zakończeniu każdego wlewu linia formująca przesuwa się o jeden skok ponownie, umieszczając kolejną pustą formę na miejscu, aby rozpocząć kolejne wlewanie. Podczas gdy to się dzieje, urządzenie napełniające może być ponownie napełniane. Podczas zmiany modelu grubość formy może się zmienić, co wymaga złożonej automatyzacji. W przeciwieństwie do procesu piaskownicy poziomej, w którym wysokość piaskownicy jest stała, pionowy proces DISAMATIC® może dostosować grubość formy do dokładnej grubości potrzebnej dla każdego zestawu modeli, aby utrzymać stały stosunek piasku do żelaza i uwzględnić wysokość modelu. Jest to główna zaleta zapewniająca optymalną jakość odlewu i wykorzystanie zasobów, ale zmienne grubości form utrudniają automatyczną kontrolę odlewów. Po zmianie modelu maszyna DISAMATIC® zaczyna produkować kolejną partię form o tej samej grubości, ale maszyna napełniająca na linii nadal napełnia formy poprzedniego modelu, które mogą mieć inną grubość formy. Aby temu zaradzić, linia formująca i zakład napełniający muszą działać bezproblemowo jako jeden zsynchronizowany system, produkując formy o jednej grubości i bezpiecznie zalewając inną. Bezproblemowe odlewanie po zmianie wzoru. Po zmianie wzoru grubość pozostałej formy między maszynami formującymi pozostaje taka sama. Jednostka odlewnicza wykonana z poprzedniego modelu pozostaje taka sama, ale ponieważ nowa forma wychodząca z maszyny formującej może być grubsza lub cieńsza, cały ciąg może przesuwać się na różne odległości w każdym cyklu – do grubości nowej formy. Oznacza to, że przy każdym skoku maszyny formującej system odlewania bezszwowego musi regulować położenie odlewu w przygotowaniu do następnego odlewu. Po zalaniu poprzedniej partii form grubość formy staje się ponownie stała i stabilna produkcja zostaje wznowiona. Na przykład, jeśli nowa forma ma grubość 150 mm zamiast 200 mm, która była wcześniej zalewana, urządzenie wlewowe musi się cofnąć o 50 mm w kierunku maszyny formującej przy każdym skoku maszyny formującej, aby znaleźć się w prawidłowej pozycji do zalewania. Aby linia do zalewania mogła przygotować się do zalewania, gdy kolumna formy przestanie się poruszać, sterownik linii napełniającej musi dokładnie wiedzieć, do której formy będzie wlewana masa oraz kiedy i gdzie dotrze ona do obszaru zalewania. 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 znajdować się w odległości 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 zalewania. 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, rozlewacz musi być w stanie całkowicie pominąć zalewanie w cyklu, nadal zalewając grube formy. 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 do 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 można (i zostało) osiągnięte szybko przy minimalnej konfiguracji. Głównym wymogiem jest jakaś forma „rozliczania” procesu, dostarczająca informacji o lokalizacji 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 procesu generuje serię strumieni danych z sygnaturą czasową, które obliczają położenie każdej formy i jej dyszy na linii produkcyjnej co sekundę. W razie potrzeby wymienia dane w czasie rzeczywistym z systemem sterowania zakładu napełniającego i innymi systemami, aby osiągnąć precyzyjną synchronizację. System DISA wyodrębnia ważne dane dla każdej formy z bazy danych CIM, takie jak grubość formy i czy można/nie można wlać, i wysyła je do systemu sterowania zakładu napełniającego. Korzystając z tych dokładnych danych (generowanych po wytłoczeniu formy), nalewacz może przesunąć zespół nalewający do właściwej pozycji przed przybyciem formy, a następnie rozpocząć otwieranie pręta zatyczki, gdy forma jest nadal w ruchu. Forma przybywa na czas, aby odebrać żelazo z zakładu napełniającego. Ten idealny czas ma kluczowe znaczenie, tj. stop dociera dokładnie do kubka nalewającego. Czas wlewania jest częstym wąskim gardłem produktywności, a dzięki idealnemu ustaleniu czasu rozpoczęcia wlewania, czasy cykli można skrócić o kilka dziesiątych sekundy. System formowania DISA przesyła również istotne dane z maszyny formującej, takie jak bieżący rozmiar formy i ciśnienie wtrysku, a także szersze dane procesowe, takie jak ściśliwość piasku, do Monitizer®|CIM. Z kolei Monitizer®|CIM odbiera i przechowuje parametry krytyczne dla jakości dla każdej formy z zakładu napełniającego, takie jak temperatura wlewania, czas wlewania oraz powodzenie procesów wlewania i szczepienia. Umożliwia to oznaczenie poszczególnych form jako złych i oddzielenie ich przed wymieszaniem w systemie wstrząsania. Oprócz automatyzacji maszyn formujących, linii formujących i odlewania, Monitizer®|CIM zapewnia zgodne z Przemysłem 4.0 ramy do akwizycji, przechowywania, raportowania i analizy. Kierownictwo odlewni może przeglądać szczegółowe raporty i przechodzić do danych w celu śledzenia problemów z jakością i wprowadzania potencjalnych ulepszeń. Doświadczenie Ortrander w odlewaniu bezszwowo Ortrander Eisenhütte to rodzinna odlewnia w Niemczech, która specjalizuje się w produkcji średniej wielkości, wysokiej jakości odlewów żeliwnych do podzespołów samochodowych, ciężkich pieców na drewno i infrastruktury oraz ogólnych części maszyn. Odlewnia produkuje żeliwo szare, żeliwo sferoidalne i żeliwo z grafitem zagęszczonym i produkuje około 27 000 ton wysokiej jakości odlewów rocznie, pracując na dwie zmiany pięć dni w tygodniu. Ortrander obsługuje cztery 6-tonowe piece indukcyjne do topienia i trzy linie formujące DISA, produkując około 100 ton odlewów dziennie. Obejmuje to krótkie serie produkcyjne trwające godzinę, czasami krócej dla ważnych klientów, więc szablon musi być często zmieniany. Aby zoptymalizować jakość i wydajność, dyrektor generalny Bernd H. Williams-Book zainwestował znaczne zasoby we wdrażanie automatyzacji i analiz. Pierwszym krokiem było zautomatyzowanie procesu topienia i dozowania żelaza, modernizując trzy istniejące piece odlewnicze 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 do formowania zmienia model, sterownik pourTECH Pour wysyła zapytanie do systemu DISA Monitizer®|CIM o nowe wymiary formy. Na podstawie danych DISA sterownik Pour oblicza, gdzie umieścić węzeł Pour dla każdego wylewania. Dokładnie wie, kiedy pierwsza nowa forma dociera do zakładu napełniania i automatycznie przełącza się na nową sekwencję odlewania. Jeśli przyrząd osiągnie koniec swojego skoku w dowolnym momencie, maszyna DISAMATIC® zatrzymuje się, a przyrząd automatycznie powraca. Gdy pierwsza nowa forma zostanie usunięta z maszyny, operator zostaje powiadomiony, aby mógł wizualnie sprawdzić, czy znajduje się ona we właściwej pozycji. Zalety odlewania bezszwowego Tradycyjne procesy odlewania ręcznego lub mniej złożone zautomatyzowane systemy mogą skutkować utratą czasu produkcji podczas zmian modelu, co jest nieuniknione nawet przy szybkich zmianach formy w maszynie do formowania. Ręczne resetowanie nalewaka i form do nalewania jest wolniejsze, wymaga większej liczby operatorów i jest podatne na błędy, takie jak flare. Ortrander odkrył, że podczas ręcznego butelkowania jego pracownicy w końcu się męczyli, tracili koncentrację i popełniali błędy, takie jak obijanie się. Bezproblemowa integracja formowania i nalewania umożliwia szybsze, bardziej spójne i wyższej jakości procesy przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości odpadów i przestojów. Dzięki Ortrander automatyczne napełnianie eliminuje trzy minuty, które wcześniej były potrzebne na dostosowanie położenia jednostki napełniającej podczas zmian modelu. Cały proces konwersji zajmował kiedyś 4,5 minuty, powiedział pan Williams-Book. Dzisiaj mniej niż dwie minuty. Zmieniając od 8 do 12 modeli na zmianę, pracownicy Ortrander spędzają teraz około 30 minut na zmianę, czyli połowę tego, co wcześniej. Jakość jest zwiększona dzięki większej spójności i możliwości ciągłej optymalizacji procesów. Ortrander zmniejszył ilość odpadów o około 20%, wprowadzając odlewanie bezszwowe. 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 piasku i transportem stopu, wykonują niewiele zadań manualnych. Inną korzyścią jest mniejsze zapotrzebowanie na doświadczonych pracowników, których trudno znaleźć. Chociaż automatyzacja wymaga pewnego przeszkolenia operatorów, dostarcza ludziom kluczowych informacji o procesie, których potrzebują, aby podejmować dobre decyzje. W przyszłości wszystkie decyzje mogą podejmować maszyny. Dywidendy danych z odlewania bezszwowego Próbując ulepszyć proces, odlewnie często mówią: „Robimy to samo w ten sam sposób, ale z różnymi wynikami”. Dlatego odlewają w tej samej temperaturze i na tym samym poziomie przez 10 sekund, ale niektóre odlewy są dobre, a niektóre złe. Poprzez dodanie zautomatyzowanych czujników, zbieranie danych z sygnaturą czasową dla każdego parametru procesu i monitorowanie wyników, zintegrowany system odlewania bezszwowego tworzy łańcuch powiązanych danych procesowych, ułatwiając identyfikację przyczyn źródłowych, gdy jakość zaczyna się pogarszać. Na przykład, jeśli w partii tarcz hamulcowych wystąpią nieoczekiwane wtrącenia, kierownicy mogą szybko sprawdzić, czy parametry mieszczą się w dopuszczalnych granicach. Ponieważ sterowniki maszyny do formowania, odlewni i innych funkcji, takich jak piece i mieszalniki piasku, działają wspólnie, generowane przez nie dane można analizować w celu zidentyfikowania zależności w całym procesie, od właściwości piasku po końcową jakość powierzchni odlewu. Jednym z możliwych przykładów jest to, jak poziom i temperatura wlewu wpływają na wypełnienie formy dla każdego indywidualnego 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 zbiera dane procesowe w czasie rzeczywistym za pomocą interfejsów maszynowych, pomiarów czujników i próbek testowych. Dla każdego odlewu formy zbieranych jest około tysiąca parametrów. Wcześniej rejestrował tylko czas potrzebny na każde wlanie, ale teraz dokładnie wie, jaki jest poziom dyszy wlewowej co sekundę, co pozwala doświadczonemu personelowi zbadać, jak ten parametr wpływa na inne wskaźniki, a także na końcową jakość odlewu. Czy ciecz jest odprowadzana z dyszy wlewowej podczas napełniania formy, czy też dysza wlewowa jest napełniana do prawie stałego poziomu podczas napełniania? Ortrander produkuje od trzech do pięciu milionów form rocznie i zebrał ogromną ilość danych. Ortrander przechowuje również wiele obrazów każdego wylewania w bazie danych pourTECH na wypadek problemów z jakością. Znalezienie sposobu na automatyczną ocenę tych obrazów jest przyszłym celem. Wnioski. Jednoczesne automatyczne formowanie i wylewanie skutkuje szybszymi procesami, bardziej spójną jakością i mniejszą ilością odpadów. Dzięki płynnemu odlewaniu i automatycznej zmianie wzoru linia produkcyjna działa skutecznie autonomicznie, wymagając jedynie minimalnego wysiłku ręcznego. Ponieważ operator pełni rolę nadzorczą, potrzeba mniej personelu. Odlewanie bezszwowe jest obecnie stosowane w wielu miejscach na całym świecie i może być stosowane we wszystkich nowoczesnych odlewniach. Każda odlewnia będzie wymagała nieco innego rozwiązania dostosowanego do jej potrzeb, ale technologia jego wdrożenia jest dobrze sprawdzona, obecnie dostępna w DISA i jej partnerze pour-tech AB i nie wymaga wiele pracy. Można wykonywać prace niestandardowe. Zwiększone wykorzystanie sztucznej inteligencji i inteligentnej automatyzacji w odlewniach jest nadal w fazie testowania, 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 jest najlepszym sposobem na optymalizację procesów i poprawę rentowności, większa automatyzacja i gromadzenie danych stają się standardową praktyką, a nie eksperymentalnym projektem. W przeszłości największymi atutami odlewni były jej model i doświadczenie jej pracowników. Teraz, gdy odlewanie bezszwowe łączy się z większą automatyzacją i systemami Przemysłu 4.0, dane szybko stają się trzecim filarem sukcesu odlewni.
—Serdecznie dziękujemy firmom pour-tech i Ortrander Eisenhütte za uwagi przekazane podczas przygotowywania tego artykułu.
Tak, chciałbym otrzymywać dwutygodniowy newsletter Foundry-Planet ze wszystkimi najnowszymi wiadomościami, testami i raportami na temat produktów i materiałów. Oraz specjalne newslettery – wszystkie z możliwością bezpłatnego anulowania w dowolnym momencie.
Czas publikacji: 05-paź-2023