Gjuterier använder i allt högre grad datadriven processautomation för att uppnå långsiktiga mål om högre kvalitet, mindre avfall, maximal drifttid och minimala kostnader. Helt integrerad digital synkronisering av gjutnings- och formningsprocesser (sömlös gjutning) är särskilt värdefull för gjuterier som står inför utmaningarna med just-in-time-produktion, minskade cykeltider och mer frekventa modellbyten. Med automatiserade gjutnings- och gjutsystem som sömlöst kopplas samman blir gjutprocessen snabbare och delar av högre kvalitet produceras mer konsekvent. Den automatiserade gjutprocessen inkluderar övervakning av gjuttemperaturen, samt matning av inokuleringsmaterial och kontroll av varje form. Detta förbättrar kvaliteten på varje gjutform och minskar kassationsgraden. Denna omfattande automatisering minskar också behovet av operatörer med många års specialiserad erfarenhet. Verksamheten blir också säkrare eftersom färre arbetare är inblandade totalt sett. Denna vision är inte en framtidsvision; detta händer nu. Verktyg som gjuteriautomation och robotik, datainsamling och analys har utvecklats under årtionden, men framstegen har accelererat nyligen med utvecklingen av prisvärd högpresterande datoranvändning och avancerade Industri 4.0-nätverkssensorer och kompatibla styrsystem. Lösningar och partners gör det nu möjligt för gjuterier att skapa en robust och intelligent infrastruktur för att stödja mer ambitiösa projekt, genom att sammanföra flera tidigare oberoende delprocesser för att koordinera sina insatser. Att lagra och analysera processdata som samlats in av dessa automatiserade, integrerade system öppnar också dörren till en positiv cykel av datadriven kontinuerlig förbättring. Gjuterier kan samla in och analysera processparametrar genom att undersöka historisk data för att hitta korrelationer mellan dem och processresultat. Den automatiserade processen ger sedan en transparent miljö där eventuella förbättringar som identifierats genom analysen kan testas noggrant och snabbt, valideras och, där det är möjligt, implementeras.
Utmaningar med sömlös gjutning På grund av trenden mot just-in-time-produktion måste kunder som använder DISAMATIC®-gjutningslinjer ofta byta modeller mellan små batcher. Med hjälp av utrustning som en automatisk pulverväxlare (APC) eller en snabb pulverväxlare (QPC) från DISA kan mallar bytas på så lite som en minut. När mönsterbyten sker med hög hastighet tenderar flaskhalsen i processen att förskjutas mot gjutning – den tid som krävs för att manuellt flytta gjutlådan till gjutning efter ett mönsterbyte. Sömlös gjutning är det bästa sättet att förbättra detta steg i gjutningsprocessen. Även om gjutning ofta redan är delvis automatiserad kräver full automatisering en sömlös integration av styrsystemen för gjutningslinjen och fyllningsutrustningen så att de fungerar helt synkront i alla möjliga driftssituationer. För att uppnå detta tillförlitligt måste gjutningsenheten veta exakt var det är säkert att gjuta nästa form och, om nödvändigt, justera påfyllningsenhetens position. Att uppnå effektiv automatisk fyllning i en stabil produktionsprocess av samma form är inte så svårt. Varje gång en ny form tillverkas förflyttas formpelaren samma sträcka (formtjocklek). På så sätt kan fyllningsenheten förbli i samma position, redo att fylla nästa tomma form efter att produktionslinjen har stoppats. Endast mindre justeringar av gjutningspositionen krävs för att kompensera för förändringar i formens tjocklek orsakade av förändringar i sandens kompressibilitet. Behovet av dessa finjusteringar har nyligen minskats ytterligare tack vare nya funktioner i gjutningslinjen som gör att gjutningspositionerna kan förbli mer konsekventa under konsekvent produktion. Efter att varje gjutning är klar rör sig gjutningslinjen ett slag igen och placerar nästa tomma form på plats för att påbörja nästa gjutning. Medan detta händer kan fyllningsanordningen fyllas på. Vid modellbyte kan formens tjocklek ändras, vilket kräver komplex automatisering. Till skillnad från den horisontella sandlådeprocessen, där sandlådehöjden är fast, kan den vertikala DISAMATIC®-processen justera formens tjocklek till den exakta tjocklek som behövs för varje uppsättning modeller för att bibehålla ett konstant förhållande mellan sand och järn och ta hänsyn till modellens höjd. Detta är en stor fördel för att säkerställa optimal gjutningskvalitet och resursutnyttjande, men varierande formtjocklekar gör automatisk gjutningskontroll mer utmanande. Efter ett modellbyte börjar DISAMATIC®-maskinen producera nästa sats formar med samma tjocklek, men fyllningsmaskinen på linjen fyller fortfarande formarna från den tidigare modellen, vilka kan ha en annan formtjocklek. För att motverka detta måste formningslinjen och fyllningsanläggningen fungera sömlöst som ett synkroniserat system, som producerar formar med en tjocklek och säkert gjuter en annan. Sömlös gjutning efter mönsterbyte. Efter mönsterbytet förblir tjockleken på den återstående formen mellan formningsmaskinerna densamma. Gjutenheten som tillverkats av den tidigare modellen förblir densamma, men eftersom den nya formen som kommer ut ur formningsmaskinen kan vara tjockare eller tunnare, kan hela strängen förflyttas på olika avstånd i varje cykel – till tjockleken på den nya formen. Detta innebär att med varje slag av formningsmaskinen måste det sömlösa gjutningssystemet justera gjutningspositionen som förberedelse för nästa gjutning. Efter att den föregående satsen formar har gjutits blir formens tjocklek konstant igen och en stabil produktion återupptas. Om till exempel den nya formen är 150 mm tjock istället för den 200 mm tjocka formen som fortfarande gjöts tidigare, måste gjutanordningen röra sig 50 mm tillbaka mot formningsmaskinen med varje slag av formningsmaskinen för att vara i rätt gjutposition. För att en gjutanläggning ska kunna förbereda sig för gjutning när formpelaren slutar röra sig, måste fyllningsanläggningens styrenhet veta exakt vilken form den kommer att gjutas i och när och var den kommer att anlända till gjutningsområdet. Med en ny modell som producerar tjocka formar samtidigt som tunna formar gjuts, bör systemet kunna gjuta två formar i en cykel. Till exempel, när man tillverkar en form med 400 mm diameter och gjuter en form med 200 mm diameter, måste gjutanordningen vara 200 mm från formningsmaskinen för varje form som tillverkas. Vid någon tidpunkt kommer 400 mm-slaget att trycka ut två ofyllda formar med 200 mm diameter från det möjliga gjutningsområdet. I det här fallet måste formningsmaskinen vänta tills fyllningsanläggningen har avslutat gjutningen av de två 200 mm-formarna innan den går vidare till nästa slag. Eller, när man tillverkar tunna formar, måste gjutaren kunna hoppa över gjutningen helt i cykeln samtidigt som tjocka formar fortfarande gjuts. Till exempel, när man tillverkar en form med 200 mm diameter och gjuter en form med 400 mm diameter, innebär placeringen av en ny form med 400 mm diameter i gjutningsområdet att två formar med 200 mm diameter måste tillverkas. Spårningen, beräkningarna och datautbytet som krävs för att ett integrerat gjutnings- och gjutningssystem ska kunna ge problemfri automatiserad gjutning, som beskrivits ovan, har tidigare inneburit utmaningar för många utrustningsleverantörer. Men tack vare moderna maskiner, digitala system och bästa praxis kan (och har) sömlös gjutning uppnås snabbt med minimal installation. Huvudkravet är någon form av "redovisning" av processen, vilket ger information om varje forms plats i realtid. DISAs Monitizer®|CIM (Computer Integrated Module)-system uppnår detta mål genom att registrera varje tillverkad form och spåra dess rörelse genom produktionslinjen. Som en processtimer genererar den en serie tidsstämplade dataströmmar som beräknar positionen för varje form och dess munstycke på produktionslinjen varje sekund. Vid behov utbyter den data i realtid med fyllningsanläggningens styrsystem och andra system för att uppnå exakt synkronisering. DISA-systemet extraherar viktiga data för varje form från CIM-databasen, såsom formens tjocklek och om den kan/inte kan hällas, och skickar den till fyllningsanläggningens styrsystem. Med hjälp av dessa korrekta data (genererade efter att formen har extruderats) kan hällaren flytta hällaggregatet till rätt position innan formen anländer, och sedan börja öppna stoppstången medan formen fortfarande rör sig. Formen anländer i tid för att ta emot järnet från hällningsanläggningen. Denna ideala timing är avgörande, dvs. smältan når hällkoppen korrekt. Hälltiden är en vanlig flaskhals i produktiviteten, och genom att perfekt tima början av hällningen kan cykeltiderna minskas med flera tiondels sekunder. DISA-gjutningssystemet överför också relevant data från formmaskinen, såsom aktuell formstorlek och injektionstryck, samt bredare processdata såsom sandkompressibilitet, till Monitizer®|CIM. Monitizer®|CIM tar i sin tur emot och lagrar kvalitetskritiska parametrar för varje gjutform från fyllningsanläggningen, såsom gjuttemperatur, gjuttid och hur framgångsrika gjut- och inympningsprocesserna är. Detta gör att enskilda formar kan markeras som dåliga och separeras innan de blandas i skaksystemet. Förutom att automatisera gjutmaskiner, gjutlinjer och gjutning tillhandahåller Monitizer®|CIM ett Industri 4.0-kompatibelt ramverk för anskaffning, lagring, rapportering och analys. Gjuteriledningen kan se detaljerade rapporter och öka detaljnivån i data för att spåra kvalitetsproblem och driva potentiella förbättringar. Ortranders erfarenhet av sömlös gjutning Ortrander Eisenhütte är ett familjeägt gjuteri i Tyskland som specialiserar sig på produktion av medelstora, högkvalitativa gjutjärnsgods för bilkomponenter, tunga vedspisar och infrastruktur samt allmänna maskindelar. Gjuteriet producerar gråjärn, segjärn och kompakterat grafitjärn och producerar cirka 27 000 ton högkvalitativt gjutjärn per år, med två skift fem dagar i veckan. Ortrander driver fyra 6-tons induktionssmältugnar och tre DISA-gjutlinjer, som producerar cirka 100 ton gjutgods per dag. Detta inkluderar korta produktionsserier på en timme, ibland mindre för viktiga kunder, så mallen måste bytas ofta. För att optimera kvalitet och effektivitet har VD Bernd H. Williams-Book investerat betydande resurser i att implementera automatisering och analys. Det första steget var att automatisera järnsmältnings- och doseringsprocessen genom att uppgradera tre befintliga gjutugnar med det senaste pourTECH-systemet, vilket inkluderar 3D-laserteknik, inkubation och temperaturkontroll. Ugnar, gjutlinjer och gjutlinjer styrs nu digitalt och synkroniseras, och fungerar nästan helt automatiskt. När gjutmaskinen byter modell frågar pourTECH-gjutstyrenheten DISA Monitizer®|CIM-systemet efter de nya gjutformsdimensionerna. Baserat på DISA-data beräknar gjutstyrenheten var gjutnoden ska placeras för varje gjutning. Den vet exakt när den första nya formen anländer till fyllningsanläggningen och växlar automatiskt till den nya gjutsekvensen. Om jiggen når slutet av sitt slag när som helst stannar DISAMATIC®-maskinen och jiggen återgår automatiskt. När den första nya formen tas bort från maskinen varnas operatören så att hen visuellt kan kontrollera att den är i rätt position. Fördelarna med sömlös gjutning Traditionella handgjutningsprocesser eller mindre komplexa automatiserade system kan resultera i förlorad produktionstid vid modellbyten, vilket är oundvikligt även vid snabba formbyten på en formningsmaskin. Att manuellt återställa häll- och hällformarna är långsammare, kräver fler operatörer och är benäget för fel som översvängning. Ortrander fann att vid manuell buteljering blev hans anställda så småningom trötta, tappade koncentrationen och gjorde misstag, som att slacka. Sömlös integration av gjutning och hällning möjliggör snabbare, mer konsekventa och högre kvalitetsprocesser samtidigt som det minskar avfall och stilleståndstid. Med Ortrander eliminerar automatisk fyllning de tre minuter som tidigare krävdes för att justera påfyllningsenhetens position under modellbyten. Hela konverteringsprocessen brukade ta 4,5 minuter, sa Williams-Book. Mindre än två minuter idag. Genom att byta mellan 8 och 12 modeller per skift spenderar Ortrander-anställda nu cirka 30 minuter per skift, hälften så mycket som tidigare. Kvaliteten förbättras genom större konsekvens och möjligheten att kontinuerligt optimera processer. Ortrander minskade avfallet med cirka 20 % genom att införa sömlös gjutning. Förutom att minska driftstopp vid modellbyte kräver hela gjutnings- och gjutningslinjen endast två personer istället för de tidigare tre. I vissa skift kan tre personer driva två kompletta produktionslinjer. Övervakning är nästan allt dessa arbetare gör: förutom att välja nästa modell, hantera sandblandningar och transportera smältan har de få manuella uppgifter. En annan fördel är det minskade behovet av erfarna anställda, som är svåra att hitta. Även om automatisering kräver viss operatörsutbildning ger det människor den kritiska processinformation de behöver för att fatta bra beslut. I framtiden kan maskiner fatta alla beslut. Datautdelningar från sömlös gjutning När gjuterier försöker förbättra en process säger de ofta: "Vi gör samma sak på samma sätt, men med olika resultat." Så de gjuter vid samma temperatur och nivå i 10 sekunder, men vissa gjutgods är bra och vissa är dåliga. Genom att lägga till automatiserade sensorer, samla in tidsstämplade data för varje processparameter och övervaka resultaten skapar ett integrerat sömlöst gjutningssystem en kedja av relaterade processdata, vilket gör det lättare att identifiera grundorsaker när kvaliteten börjar försämras. Om till exempel oväntade inneslutningar uppstår i en sats bromsskivor kan chefer snabbt kontrollera att parametrarna ligger inom acceptabla gränser. Eftersom styrenheter för formmaskinen, gjuteriet och andra funktioner som ugnar och sandblandare samarbetar kan den data de genererar analyseras för att identifiera samband genom hela processen, från sandegenskaper till gjutgodsets slutliga ytkvalitet. Ett möjligt exempel är hur gjutnivå och temperatur påverkar formfyllningen för varje enskild modell. Den resulterande databasen lägger också grunden för framtida användning av automatiserade analystekniker som maskininlärning och artificiell intelligens (AI) för att optimera processer. Ortrander samlar in processdata i realtid via maskingränssnitt, sensormätningar och testprover. För varje gjutgods samlas cirka tusen parametrar in. Tidigare registrerade den bara den tid som krävdes för varje gjutning, men nu vet den exakt vad nivån på gjutmunstycket är varje sekund, vilket gör det möjligt för erfaren personal att undersöka hur denna parameter påverkar andra indikatorer, såväl som gjutgodsets slutliga kvalitet. Dräneras vätskan från gjutmunstycket medan formen fylls, eller fylls gjutmunstycket till en nästan konstant nivå under fyllningen? Ortrander producerar tre till fem miljoner formar per år och har samlat in en enorm mängd data. Ortrander lagrar också flera bilder av varje gjutning i pourTECH-databasen i händelse av kvalitetsproblem. Att hitta ett sätt att automatiskt betygsätta dessa bilder är ett framtida mål. Slutsats. Samtidig automatiserad formning och gjutning resulterar i snabbare processer, jämnare kvalitet och mindre avfall. Med smidig gjutning och automatisk mönsterväxling fungerar produktionslinjen effektivt autonomt och kräver endast minimal manuell ansträngning. Eftersom operatören spelar en övervakande roll krävs färre anställda. Sömlös gjutning används nu på många platser runt om i världen och kan tillämpas på alla moderna gjuterier. Varje gjuteri kommer att kräva en något annorlunda lösning skräddarsydd för dess behov, men tekniken för att implementera den är väl beprövad, för närvarande tillgänglig från DISA och dess partner pour-tech AB, och kräver inte mycket arbete. Anpassat arbete kan utföras. Den ökade användningen av artificiell intelligens och intelligent automation i gjuterier är fortfarande i testfasen, men i takt med att gjuterier och OEM-tillverkare samlar in mer data och ytterligare erfarenhet under de kommande två till tre åren kommer övergången till automatisering att accelerera avsevärt. Denna lösning är för närvarande valfri, men eftersom dataintelligens är det bästa sättet att optimera processer och förbättra lönsamheten, håller ökad automatisering och datainsamling på att bli standardpraxis snarare än ett experimentprojekt. Tidigare var ett gjuteri största tillgångar dess modell och de anställdas erfarenhet. Nu när sömlös gjutning kombineras med ökad automatisering och Industri 4.0-system, blir data snabbt den tredje pelaren för gjuteriers framgång.
—Vi tackar uppriktigt pour-tech och Ortrander Eisenhütte för deras kommentarer under förberedelserna av denna artikel.
Ja, jag vill gärna få Foundry-Planets nyhetsbrev varannan vecka med de senaste nyheterna, tester och rapporter om produkter och material. Plus specialnyhetsbrev – allt med fri avbokning när som helst.
Publiceringstid: 5 oktober 2023