Gieterijen passen steeds vaker datagestuurde procesautomatisering toe om langetermijndoelen te bereiken zoals hogere kwaliteit, minder afval, maximale uptime en minimale kosten. Volledig geïntegreerde digitale synchronisatie van giet- en vormprocessen (naadloos gieten) is met name waardevol voor gieterijen die te maken hebben met de uitdagingen van just-in-time productie, kortere cyclustijden en frequentere modelwijzigingen. Met geautomatiseerde vorm- en gietsystemen die naadloos op elkaar aansluiten, verloopt het gietproces sneller en worden onderdelen van hogere kwaliteit consistenter geproduceerd. Het geautomatiseerde gietproces omvat het bewaken van de giettemperatuur, het toevoeren van entmateriaal en het controleren van elke matrijs. Dit verbetert de kwaliteit van elk gietstuk en verlaagt het afvalpercentage. Deze uitgebreide automatisering vermindert ook de behoefte aan operators met jarenlange gespecialiseerde ervaring. De processen worden ook veiliger omdat er in totaal minder werknemers bij betrokken zijn. Deze visie is geen toekomstvisie; dit gebeurt nu. Hulpmiddelen zoals gieterijautomatisering en robotica, dataverzameling en -analyse zijn in de loop der decennia geëvolueerd, maar de vooruitgang is recentelijk versneld door de ontwikkeling van betaalbare high-performance computing en geavanceerde Industrie 4.0-netwerksensoren en compatibele besturingssystemen. Oplossingen en partners stellen gieterijen nu in staat een robuuste, intelligente infrastructuur te creëren ter ondersteuning van ambitieuzere projecten, door meerdere, voorheen onafhankelijke subprocessen samen te brengen om hun inspanningen te coördineren. Het opslaan en analyseren van procesgegevens die door deze geautomatiseerde, geïntegreerde systemen worden verzameld, opent ook de deur naar een positieve cyclus van datagestuurde, continue verbetering. Gieterijen kunnen procesparameters verzamelen en analyseren door historische gegevens te onderzoeken om correlaties tussen deze parameters en procesresultaten te vinden. Het geautomatiseerde proces biedt vervolgens een transparante omgeving waarin eventuele door de analyse geïdentificeerde verbeteringen grondig en snel kunnen worden getest, gevalideerd en, waar mogelijk, geïmplementeerd.
Uitdagingen bij naadloos gieten Door de trend naar just-in-time productie moeten klanten die DISAMATIC®-vormlijnen gebruiken, vaak regelmatig van model wisselen tussen kleine batches. Met apparatuur zoals een Automatic Powder Changer (APC) of een Quick Powder Changer (QPC) van DISA kunnen mallen in slechts één minuut worden gewisseld. Bij snelle patroonwisselingen verschuift de bottleneck in het proces vaak naar het gieten: de tijd die nodig is om de verdeelbak handmatig te verplaatsen om te gieten na een patroonwisseling. Naadloos gieten is de beste manier om deze stap in het gietproces te verbeteren. Hoewel gieten vaak al gedeeltelijk geautomatiseerd is, vereist volledige automatisering een naadloze integratie van de besturingssystemen van de vormlijn en de vulapparatuur, zodat ze in alle mogelijke bedrijfssituaties volledig synchroon werken. Om dit betrouwbaar te bereiken, moet de gietunit precies weten waar het veilig is om de volgende mal te gieten en, indien nodig, de positie van de vulunit aanpassen. Het bereiken van efficiënt automatisch vullen in een stabiel productieproces van dezelfde mal is niet zo moeilijk. Elke keer dat een nieuwe mal wordt gemaakt, beweegt de malkolom over dezelfde afstand (maldikte). Op deze manier kan de vulunit op dezelfde positie blijven staan, klaar om de volgende lege mal te vullen nadat de productielijn is gestopt. Slechts kleine aanpassingen aan de gietpositie zijn nodig om veranderingen in maldikte te compenseren die worden veroorzaakt door veranderingen in de samendrukbaarheid van het zand. De noodzaak voor deze fijne aanpassingen is onlangs verder verminderd dankzij nieuwe functies van de gietlijn, waardoor de gietposities consistenter blijven tijdens een consistente productie. Nadat elke gieting is voltooid, beweegt de gietlijn opnieuw één slag, waarbij de volgende lege mal op zijn plaats wordt gezet om de volgende gieting te beginnen. Terwijl dit gebeurt, kan het vulapparaat worden bijgevuld. Bij het wijzigen van het model kan de dikte van de mal veranderen, wat complexe automatisering vereist. In tegenstelling tot het horizontale sandbox-proces, waarbij de hoogte van de sandbox vastligt, kan het verticale DISAMATIC®-proces de dikte van de mal aanpassen aan de exacte dikte die nodig is voor elke set modellen om een constante zand/ijzerverhouding te behouden en rekening te houden met de hoogte van het model. Dit is een groot voordeel voor het garanderen van optimale gietkwaliteit en resourcebenutting, maar variërende matrijsdiktes maken automatische gietcontrole een grotere uitdaging. Na een modelwijziging begint de DISAMATIC®-machine met de productie van de volgende batch mallen met dezelfde dikte, maar de vulmachine op de lijn vult nog steeds de mallen van het vorige model, die mogelijk een andere maldikte hebben. Om dit te voorkomen, moeten de gietlijn en de vulinstallatie naadloos samenwerken als één gesynchroniseerd systeem, waarbij mallen van één dikte worden geproduceerd en een andere dikte veilig wordt gegoten. Naadloos gieten na patroonwijziging. Na patroonwijziging blijft de dikte van de resterende mal tussen de gietmachines hetzelfde. De gieteenheid van het vorige model blijft hetzelfde, maar omdat de nieuwe mal die uit de gietmachine komt dikker of dunner kan zijn, kan de hele streng in elke cyclus met verschillende afstanden worden verplaatst – naar de dikte van de nieuwe vorm. Dit betekent dat het naadloze gietsysteem bij elke slag van de gietmachine de gietpositie moet aanpassen ter voorbereiding op de volgende gieting. Nadat de vorige batch mallen is gegoten, wordt de dikte van de mal weer constant en wordt de stabiele productie hervat. Als de nieuwe mal bijvoorbeeld 150 mm dik is in plaats van de 200 mm dikke mal die eerder werd gegoten, moet de gietinrichting bij elke slag van de gietmachine 50 mm terug naar de gietmachine bewegen om in de juiste gietpositie te komen. Om ervoor te zorgen dat een gietinstallatie zich kan voorbereiden op het gieten wanneer de malkolom stopt met bewegen, moet de controller van de vulinstallatie precies weten in welke mal er wordt gegoten en wanneer en waar deze in het gietgebied zal aankomen. Met een nieuw model dat dikke mallen produceert en tegelijkertijd dunne mallen giet, zou het systeem twee mallen in één cyclus moeten kunnen gieten. Bijvoorbeeld, bij het maken van een mal met een diameter van 400 mm en het gieten van een mal met een diameter van 200 mm, moet de gietinrichting voor elke gemaakte mal 200 mm van de gietmachine verwijderd zijn. Op een gegeven moment zal de slag van 400 mm twee ongevulde mallen met een diameter van 200 mm uit het mogelijke gietgebied duwen. In dit geval moet de gietmachine wachten tot het vulapparaat klaar is met het gieten van de twee mallen van 200 mm voordat hij doorgaat naar de volgende slag. Of, bij het maken van dunne mallen, moet de schenker het gieten volledig kunnen overslaan in de cyclus terwijl er nog steeds dikke mallen worden gegoten. Bijvoorbeeld, bij het maken van een mal met een diameter van 200 mm en het gieten van een mal met een diameter van 400 mm, betekent het plaatsen van een nieuwe mal met een diameter van 400 mm in het gietgebied dat er twee mallen met een diameter van 200 mm moeten worden gemaakt. De tracking, berekeningen en gegevensuitwisseling die nodig zijn voor een geïntegreerd giet- en gietsysteem om probleemloos geautomatiseerd te gieten, zoals hierboven beschreven, vormden in het verleden een uitdaging voor veel apparatuurleveranciers. Maar dankzij moderne machines, digitale systemen en best practices kan (en is) naadloos gieten snel worden bereikt met minimale instellingen. De belangrijkste vereiste is een vorm van "boekhouding" van het proces, waarbij realtime informatie wordt verstrekt over de locatie van elke mal. Het Monitizer®|CIM-systeem (Computer Integrated Module) van DISA bereikt dit doel door elke gemaakte matrijs te registreren en de beweging ervan door de productielijn te volgen. Als procestimer genereert het een reeks datastromen met tijdstempel die elke seconde de positie van elke matrijs en het bijbehorende mondstuk op de productielijn berekenen. Indien nodig wisselt het realtime gegevens uit met het besturingssysteem van de vulinstallatie en andere systemen voor een nauwkeurige synchronisatie. Het DISA-systeem extraheert belangrijke gegevens voor elke matrijs uit de CIM-database, zoals de dikte van de matrijs en de hoeveelheid die wel/niet gegoten kan worden, en stuurt deze naar het besturingssysteem van de vulinstallatie. Met behulp van deze nauwkeurige gegevens (gegenereerd nadat de matrijs is geëxtrudeerd) kan de schenker de gietconstructie naar de juiste positie verplaatsen voordat de matrijs arriveert, en vervolgens beginnen met het openen van de stopstang terwijl de matrijs nog beweegt. De matrijs arriveert op tijd om het ijzer van de gietinstallatie te ontvangen. Deze ideale timing is cruciaal, d.w.z. dat de smelt de gietbeker nauwkeurig bereikt. De giettijd is een veelvoorkomend knelpunt in de productiviteit. Door de start van het gieten perfect te timen, kunnen de cyclustijden met enkele tienden van een seconde worden verkort. Het DISA-gietsysteem stuurt ook relevante gegevens van de gietmachine, zoals de huidige matrijsgrootte en injectiedruk, evenals bredere procesgegevens zoals de samendrukbaarheid van het zand, naar de Monitizer®|CIM. Monitizer®|CIM ontvangt en slaat op zijn beurt kwaliteitskritische parameters voor elke matrijs op van de vulinstallatie, zoals de giettemperatuur, de giettijd en het succes van de giet- en inoculatieprocessen. Dit maakt het mogelijk om individuele vormen als slecht te markeren en te scheiden voordat ze in het schudsysteem worden gemengd. Naast het automatiseren van gietmachines, gietlijnen en gietstukken, biedt Monitizer®|CIM een Industry 4.0-conform raamwerk voor acquisitie, opslag, rapportage en analyse. Het gieterijmanagement kan gedetailleerde rapporten bekijken en dieper ingaan op gegevens om kwaliteitsproblemen te volgen en mogelijke verbeteringen aan te sturen. De naadloze gietervaring van Ortrander. Ortrander Eisenhütte is een familiegieterij in Duitsland die gespecialiseerd is in de productie van hoogwaardige gietijzeren gietstukken in middelgrote volumes voor auto-onderdelen, zware houtkachels en infrastructuur, en algemene machineonderdelen. De gieterij produceert grijs gietijzer, nodulair gietijzer en compact grafiet en produceert ongeveer 27.000 ton hoogwaardig gietwerk per jaar, in twee ploegendiensten, vijf dagen per week. Ortrander beschikt over vier inductiesmeltovens met een capaciteit van 6 ton en drie DISA-vormlijnen, die ongeveer 100 ton gietwerk per dag produceren. Dit omvat korte productieruns van één uur, soms minder voor belangrijke klanten, waardoor de mal regelmatig moet worden gewijzigd. Om de kwaliteit en efficiëntie te optimaliseren, heeft CEO Bernd H. Williams-Book aanzienlijk geïnvesteerd in de implementatie van automatisering en analyse. De eerste stap was het automatiseren van het ijzersmelt- en doseerproces door drie bestaande gietovens te upgraden met het nieuwste pourTECH-systeem, inclusief 3D-lasertechnologie, incubatie en temperatuurregeling. Ovens, vorm- en gietlijnen worden nu digitaal aangestuurd en gesynchroniseerd en werken bijna volledig automatisch. Wanneer de vormmachine van model verandert, raadpleegt de pourTECH-gietcontroller het DISA Monitizer®|CIM-systeem voor de nieuwe matrijsafmetingen. Op basis van de DISA-gegevens berekent de gietcontroller waar het gietknooppunt voor elke gieting moet worden geplaatst. De controller weet precies wanneer de eerste nieuwe matrijs bij de vulinstallatie aankomt en schakelt automatisch over naar de nieuwe gietvolgorde. Als de mal op enig moment het einde van zijn slag bereikt, stopt de DISAMATIC®-machine en keert de mal automatisch terug. Wanneer de eerste nieuwe mal uit de machine wordt verwijderd, wordt de operator gewaarschuwd, zodat hij visueel kan controleren of deze zich in de juiste positie bevindt. De voordelen van naadloos gieten. Traditionele handmatige gietprocessen of minder complexe geautomatiseerde systemen kunnen leiden tot productieverlies tijdens modelwisselingen, wat onvermijdelijk is, zelfs bij snelle matrijswisselingen op een vormmachine. Het handmatig resetten van de gieter en gietmallen is trager, vereist meer operators en is gevoelig voor fouten zoals flare. Ortrander ontdekte dat zijn medewerkers bij het handmatig bottelen uiteindelijk moe werden, hun concentratie verloren en fouten maakten, zoals verslappen. Naadloze integratie van vormen en gieten maakt snellere, consistentere en kwalitatief hoogwaardigere processen mogelijk, terwijl afval en stilstand worden verminderd. Met Ortrander elimineert automatisch vullen de drie minuten die voorheen nodig waren om de positie van de vulunit aan te passen tijdens modelwisselingen. Het hele conversieproces duurde voorheen 4,5 minuut, aldus de heer Williams-Book. Tegenwoordig minder dan twee minuten. Door tussen de 8 en 12 modellen per shift te wisselen, besteden de medewerkers van Ortrander nu ongeveer 30 minuten per shift, de helft minder dan voorheen. De kwaliteit is verbeterd door een grotere consistentie en de mogelijkheid om processen continu te optimaliseren. Ortrander verminderde het afval met ongeveer 20% door de introductie van naadloos gieten. Naast de vermindering van de stilstand bij modelwisselingen, vereist de hele vorm- en gietlijn slechts twee mensen in plaats van de vorige drie. In sommige shifts kunnen drie mensen twee complete productielijnen bedienen. Monitoring is bijna het enige dat deze medewerkers doen: behalve het selecteren van het volgende model, het beheren van zandmengsels en het transporteren van de smelt, hebben ze weinig handmatige taken. Een ander voordeel is de verminderde behoefte aan ervaren medewerkers, die moeilijk te vinden zijn. Hoewel automatisering enige training van de operator vereist, voorziet het mensen van de cruciale procesinformatie die ze nodig hebben om goede beslissingen te nemen. In de toekomst zullen machines mogelijk alle beslissingen nemen. Datadividend van naadloos gieten Bij het verbeteren van een proces zeggen gieterijen vaak: "We doen hetzelfde op dezelfde manier, maar met andere resultaten." Dus gieten ze 10 seconden lang op dezelfde temperatuur en hetzelfde niveau, maar sommige gietstukken zijn goed en andere slecht. Door geautomatiseerde sensoren toe te voegen, tijdstempelgegevens over elke procesparameter te verzamelen en de resultaten te monitoren, creëert een geïntegreerd naadloos gietsysteem een keten van gerelateerde procesgegevens, waardoor het gemakkelijker wordt om de onderliggende oorzaken te identificeren wanneer de kwaliteit begint af te nemen. Als er bijvoorbeeld onverwachte insluitsels optreden in een partij remschijven, kunnen managers snel controleren of de parameters binnen acceptabele grenzen liggen. Omdat controllers voor de gietmachine, gieterij en andere functies zoals ovens en zandmengers samenwerken, kunnen de gegenereerde gegevens worden geanalyseerd om verbanden gedurende het hele proces te identificeren, van zandeigenschappen tot de uiteindelijke oppervlaktekwaliteit van het gietstuk. Een mogelijk voorbeeld is hoe het gietniveau en de temperatuur de vulling van de mal voor elk individueel model beïnvloeden. De resulterende database legt ook de basis voor toekomstig gebruik van geautomatiseerde analysetechnieken zoals machine learning en kunstmatige intelligentie (AI) om processen te optimaliseren. Ortrander verzamelt procesgegevens in realtime via machine-interfaces, sensormetingen en testmonsters. Voor elke gietmal worden ongeveer duizend parameters verzameld. Voorheen registreerde het alleen de tijd die nodig was voor elke gieting, maar nu weet het elke seconde precies wat het niveau van de gietmond is, waardoor ervaren personeel kan onderzoeken hoe deze parameter andere indicatoren en de uiteindelijke kwaliteit van het gietstuk beïnvloedt. Wordt de vloeistof uit de gietmond afgevoerd tijdens het vullen van de mal, of is de gietmond tijdens het vullen vrijwel constant gevuld? Ortrander produceert drie tot vijf miljoen mallen per jaar en heeft een enorme hoeveelheid gegevens verzameld. Ortrander slaat ook meerdere afbeeldingen van elke gieting op in de pourTECH-database voor het geval er kwaliteitsproblemen optreden. Het vinden van een manier om deze afbeeldingen automatisch te beoordelen is een toekomstig doel. Conclusie. Simultaan geautomatiseerd vormen en gieten resulteert in snellere processen, een consistentere kwaliteit en minder afval. Dankzij soepel gieten en automatische patroonwisseling werkt de productielijn effectief autonoom, met minimale handmatige inspanning. Omdat de operator een toezichthoudende rol vervult, is er minder personeel nodig. Naadloos gieten wordt tegenwoordig op veel plaatsen ter wereld toegepast en kan in alle moderne gieterijen worden toegepast. Elke gieterij heeft een iets andere oplossing nodig, afgestemd op haar behoeften, maar de technologie om deze te implementeren is beproefd en momenteel beschikbaar via DISA en haar partner pour-tech AB, en vereist niet veel werk. Maatwerk is mogelijk. Het toenemende gebruik van kunstmatige intelligentie en intelligente automatisering in gieterijen bevindt zich nog in de testfase, maar naarmate gieterijen en OEM's de komende twee tot drie jaar meer data en ervaring verzamelen, zal de overgang naar automatisering aanzienlijk versnellen. Deze oplossing is momenteel echter optioneel, aangezien data-intelligentie de beste manier is om processen te optimaliseren en de winstgevendheid te verbeteren. Meer automatisering en dataverzameling worden standaardpraktijk in plaats van een experimenteel project. Vroeger waren de grootste troeven van een gieterij het model en de ervaring van haar medewerkers. Nu naadloos gieten wordt gecombineerd met meer automatisering en Industrie 4.0-systemen, worden data snel de derde pijler van het succes van gieterijen.
—Wij danken pour-tech en Ortrander Eisenhütte hartelijk voor hun opmerkingen tijdens de voorbereiding van dit artikel.
Ja, ik wil graag de tweewekelijkse Foundry-Planet nieuwsbrief ontvangen met het laatste nieuws, tests en rapporten over producten en materialen. Plus speciale nieuwsbrieven – allemaal met gratis annulering op elk gewenst moment.
Plaatsingstijd: 5 oktober 2023