Gieterijen passen steeds vaker datagestuurde procesautomatisering toe om hun langetermijndoelen te bereiken: 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 modelwisselingen. Met geautomatiseerde vorm- en gietsystemen die naadloos op elkaar aansluiten, verloopt het gietproces sneller en worden consistent hoogwaardigere onderdelen geproduceerd. Het geautomatiseerde gietproces omvat het bewaken van de giettemperatuur, het toevoeren van entmateriaal en het controleren van elke mal. Dit verbetert de kwaliteit van elk gietstuk en verlaagt het afvalpercentage. Deze uitgebreide automatisering vermindert ook de behoefte aan operators met jarenlange specialistische ervaring. De werkzaamheden worden bovendien veiliger omdat er minder werknemers bij betrokken zijn. Deze visie is geen toekomstvisie; dit gebeurt nu al. Hulpmiddelen zoals gieterijautomatisering en robotica, dataverzameling en -analyse zijn in de loop der decennia geëvolueerd, maar de vooruitgang is de laatste tijd versneld door de ontwikkeling van betaalbare high-performance computing en geavanceerde Industry 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. Meerdere voorheen onafhankelijke subprocessen worden zo samengebracht om hun inspanningen te coördineren. Het opslaan en analyseren van procesgegevens die door deze geautomatiseerde, geïntegreerde systemen worden verzameld, opent bovendien de deur naar een positieve cyclus van datagestuurde continue verbetering. Gieterijen kunnen procesparameters verzamelen en analyseren door historische gegevens te onderzoeken en correlaties te vinden tussen deze parameters en procesresultaten. Het geautomatiseerde proces biedt vervolgens een transparante omgeving waarin alle verbeteringen die uit de analyse naar voren komen, 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 frequent van model wisselen tussen kleine series. Met apparatuur zoals een Automatic Powder Changer (APC) of een Quick Powder Changer (QPC) van DISA kunnen mallen in slechts één minuut worden verwisseld. Naarmate de patronen sneller wisselen, verschuift het knelpunt 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 gieteenheid precies weten waar het veilig is om de volgende mal te gieten en, indien nodig, de positie van de vuleenheid aanpassen. Het realiseren van efficiënt automatisch vullen in een stabiel productieproces van dezelfde mal is niet zo moeilijk. Telkens wanneer een nieuwe mal wordt gemaakt, beweegt de malkolom dezelfde afstand (maldikte). Op deze manier kan de vulunit in dezelfde positie blijven, klaar om de volgende lege mal te vullen nadat de productielijn is gestopt. Slechts kleine aanpassingen aan de gietpositie zijn nodig om veranderingen in de maldikte, veroorzaakt door veranderingen in de samendrukbaarheid van het zand, te compenseren. De noodzaak voor deze fijne aanpassingen is recentelijk verder verminderd dankzij nieuwe functies van de vormlijn, waardoor de gietposities consistenter blijven tijdens een continue productie. Nadat elke storting is voltooid, beweegt de vormlijn één slag verder om de volgende lege mal op zijn plaats te zetten voor de volgende storting. Terwijl dit gebeurt, kan de vulunit worden bijgevuld. Bij het wisselen van model kan de dikte van de mal veranderen, wat complexe automatisering vereist. In tegenstelling tot het horizontale zandbakproces, waarbij de hoogte van de zandbak 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 efficiënt gebruik van grondstoffen, maar variërende matrijsdiktes maken automatische gietcontrole lastiger. Na een modelwissel begint de DISAMATIC®-machine met de productie van de volgende batch matrijzen met dezelfde dikte, maar de vulmachine op de lijn vult nog steeds de matrijzen van het vorige model, die een andere dikte kunnen hebben. Om dit te voorkomen, moeten de vormlijn en de vulinstallatie naadloos samenwerken als één gesynchroniseerd systeem, waarbij matrijzen van de ene dikte worden geproduceerd en tegelijkertijd veilig een andere dikte wordt gegoten. Naadloos gieten na modelwissel. Na een modelwissel blijft de dikte van de resterende matrijs tussen de vormmachines gelijk. De gieteenheid die van het vorige model is gemaakt, blijft hetzelfde, maar omdat de nieuwe matrijs die uit de vormmachine komt dikker of dunner kan zijn, kan de hele gietlijn in elke cyclus over verschillende afstanden bewegen – tot de dikte van de nieuwe vorm. Dit betekent dat het naadloze gietsysteem bij elke slag van de vormmachine 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 nog werd gegoten, moet het gietmechanisme bij elke slag van de vormmachine 50 mm terugschuiven richting de vormmachine om in de juiste gietpositie te komen. Om een gietinstallatie voor te bereiden op het gieten wanneer de malkolom stopt met bewegen, moet de besturingseenheid van de vulinstallatie precies weten in welke mal er gegoten moet worden en wanneer en waar deze zich in het gietgebied bevindt. Met een nieuw model dat dikke mallen produceert terwijl er dunne mallen worden gegoten, zou het systeem in staat moeten zijn om twee mallen in één cyclus te 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 het gietmechanisme 200 mm van de vormmachine verwijderd zijn voor elke gemaakte mal. Op een gegeven moment zal de slag van 400 mm twee ongevulde mallen met een diameter van 200 mm buiten het mogelijke gietgebied duwen. In dit geval moet de spuitgietmachine wachten tot het vulapparaat klaar is met het gieten van de twee mallen van 200 mm voordat de volgende slag kan worden uitgevoerd. Of, bij het maken van dunne mallen, moet de gieter de gietfase volledig kunnen overslaan 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 spuitgiet- en gietsysteem om probleemloos geautomatiseerd gieten te garanderen, zoals hierboven beschreven, hebben in het verleden voor veel leveranciers van apparatuur een uitdaging gevormd. Maar dankzij moderne machines, digitale systemen en best practices kan naadloos gieten snel en met minimale voorbereiding worden gerealiseerd (en is dat ook al gebeurd). De belangrijkste vereiste is een vorm van "registratie" van het proces, die realtime informatie verschaft over de locatie van elke mal. Het Monitizer®|CIM-systeem (Computer Integrated Module) van DISA bereikt dit doel door elke gemaakte mal te registreren en de beweging ervan door de productielijn te volgen. Als procestimer genereert het systeem een reeks tijdgestempelde datastromen die elke seconde de positie van elke mal en de bijbehorende spuitmond op de productielijn berekenen. Indien nodig wisselt het systeem realtime gegevens uit met het besturingssysteem van de vulinstallatie en andere systemen om een nauwkeurige synchronisatie te garanderen. Het DISA-systeem haalt belangrijke gegevens voor elke mal uit de CIM-database, zoals de maldikte en of de mal wel of niet kan worden gegoten, en stuurt deze naar het besturingssysteem van de vulinstallatie. Met behulp van deze nauwkeurige gegevens (gegenereerd nadat de mal is geëxtrudeerd) kan de gieter de gietinrichting naar de juiste positie verplaatsen voordat de mal arriveert, en vervolgens de stopstang openen terwijl de mal nog in beweging is. De mal arriveert op tijd om het ijzer van de gietinstallatie te ontvangen. Deze ideale timing is cruciaal, zodat het gesmolten metaal de gietbeker nauwkeurig bereikt. De giettijd is een veelvoorkomend knelpunt in de productiviteit. Door het begin van het gieten perfect te timen, kunnen de cyclustijden met enkele tienden van een seconde worden verkort. Het DISA-vormsysteem stuurt relevante gegevens van de vormmachine, zoals de huidige matrijsgrootte en injectiedruk, en bredere procesgegevens zoals de samendrukbaarheid van het zand, door naar de Monitizer®|CIM. De Monitizer®|CIM ontvangt en bewaart vervolgens kwaliteitskritische parameters voor elke matrijs van de vulinstallatie, zoals de giettemperatuur, de giettijd en het succes van het giet- en inoculatieproces. Hierdoor kunnen individuele vormen als defect worden gemarkeerd en gescheiden voordat ze in het schudsysteem worden gemengd. Naast het automatiseren van vormmachines, vormlijnen en gietprocessen, biedt Monitizer®|CIM een Industry 4.0-compatibel raamwerk voor acquisitie, opslag, rapportage en analyse. Het management van de gieterij kan gedetailleerde rapporten bekijken en inzoomen op gegevens om kwaliteitskwesties te traceren en potentiële verbeteringen door te voeren. De naadloze gietervaring van Ortrander. Ortrander Eisenhütte is een familiebedrijf in Duitsland dat gespecialiseerd is in de productie van hoogwaardige ijzeren gietstukken voor middelgrote volumes, bestemd voor auto-onderdelen, zware houtkachels, infrastructuur en algemene machineonderdelen. De gieterij produceert grijs gietijzer, nodulair gietijzer en compact grafietijzer en produceert jaarlijks circa 27.000 ton hoogwaardige gietstukken, in twee ploegen, vijf dagen per week. Ortrander beschikt over vier inductieovens van 6 ton en drie DISA-vormlijnen, waarmee dagelijks circa 100 ton gietstukken worden geproduceerd. Dit omvat korte productieruns van één uur, soms zelfs korter voor belangrijke klanten, waardoor de mal regelmatig moet worden vervangen. Om de kwaliteit en efficiëntie te optimaliseren, heeft CEO Bernd H. Williams-Book aanzienlijke middelen geïnvesteerd in automatisering en data-analyse. De eerste stap was het automatiseren van het smelt- en doseerproces van ijzer, waarbij drie bestaande gietovens werden geüpgraded met het nieuwste pourTECH-systeem, dat 3D-lasertechnologie, incubatie en temperatuurregeling omvat. Ovens, vorm- en gietlijnen worden nu digitaal aangestuurd en gesynchroniseerd en werken vrijwel volledig automatisch. Wanneer de vormmachine van model verandert, vraagt de pourTECH-gietcontroller de nieuwe matrijsafmetingen op bij het DISA Monitizer®|CIM-systeem. Op basis van de DISA-gegevens berekent de gietcontroller waar het gietknooppunt voor elke gieting moet worden geplaatst. Het systeem weet precies wanneer de eerste nieuwe matrijs bij de vulinstallatie aankomt en schakelt automatisch over naar de nieuwe gietvolgorde. Als de matrijs op enig moment het einde van zijn slag bereikt, stopt de DISAMATIC®-machine en keert de matrijs automatisch terug. Wanneer de eerste nieuwe matrijs van 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 opnieuw instellen van de gieter en gietmatrijzen is trager, vereist meer operators en is gevoelig voor fouten zoals overloop. Ortrander ontdekte dat medewerkers bij het handmatig bottelen uiteindelijk moe werden, hun concentratie verloren en fouten maakten, zoals de kantjes eraf lopen. Naadloze integratie van vormen en gieten maakt snellere, consistentere en kwalitatief betere 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 bij modelwisselingen. Het hele conversieproces duurde voorheen 4,5 minuten, aldus de heer Williams-Book. Nu minder dan twee minuten. Door 8 tot 12 modellen per shift te wisselen, besteden Ortrander-medewerkers nu ongeveer 30 minuten per shift, de helft minder dan voorheen. De kwaliteit wordt verbeterd door grotere consistentie en de mogelijkheid om processen continu te optimaliseren. Ortrander verminderde de verspilling met ongeveer 20% door de introductie van naadloos gieten. Naast het verminderen van stilstand bij modelwisselingen, zijn er voor de gehele vorm- en gietlijn nu slechts twee mensen nodig in plaats van de voorheen drie. In sommige shifts kunnen drie mensen twee complete productielijnen bedienen. Deze medewerkers houden zich vrijwel uitsluitend bezig met monitoring: afgezien van het selecteren van het volgende model, het beheren van zandmengsels en het transporteren van het gesmolten metaal, 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 operators vereist, levert het mensen de cruciale procesinformatie die ze nodig hebben om goede beslissingen te nemen. In de toekomst zullen machines wellicht alle beslissingen nemen. Datavoordelen van naadloos gieten. Bij het verbeteren van een proces zeggen gieterijen vaak: "We doen hetzelfde op dezelfde manier, maar met verschillende resultaten." Ze gieten bijvoorbeeld op dezelfde temperatuur en niveau gedurende 10 seconden, maar sommige gietstukken zijn goed en andere slecht. Door geautomatiseerde sensoren toe te voegen, tijdgestempelde gegevens over elke procesparameter te verzamelen en de resultaten te monitoren, creëert een geïntegreerd naadloos gietsysteem een keten van gerelateerde procesgegevens. Dit maakt het gemakkelijker om de oorzaken te achterhalen wanneer de kwaliteit begint te verslechteren. Als er bijvoorbeeld onverwachte insluitingen in een partij remschijven voorkomen, kunnen managers snel controleren of de parameters binnen acceptabele grenzen vallen. Omdat de controllers voor de vormmachine, de gieterij en andere functies zoals ovens en zandmixers samenwerken, kunnen de gegenereerde gegevens worden geanalyseerd om verbanden in 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 matrijsvulling voor elk individueel model beïnvloeden. De resulterende database vormt tevens 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 matrijs worden ongeveer duizend parameters verzameld. Voorheen registreerde het systeem alleen de benodigde tijd voor elke storting, maar nu weet het precies wat het niveau van de gietmond elke seconde is. Hierdoor kan ervaren personeel 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 matrijs, of blijft de gietmond tijdens het vullen vrijwel constant gevuld? Ortrander produceert drie tot vijf miljoen matrijzen per jaar en heeft een enorme hoeveelheid data verzameld. Ortrander slaat ook meerdere afbeeldingen van elke storting op in de pourTECH-database voor het geval er kwaliteitsproblemen zijn. Het automatisch beoordelen van deze afbeeldingen is een toekomstig doel. Conclusie: Gelijktijdig geautomatiseerd vormen en gieten resulteert in snellere processen, een consistentere kwaliteit en minder afval. Dankzij het soepele gietproces en de automatische modelwisseling werkt de productielijn effectief autonoom en vereist slechts minimale handmatige inspanning. Omdat de operator een toezichthoudende rol vervult, is er minder personeel nodig. Naadloos gieten wordt nu wereldwijd op veel plaatsen toegepast en kan in alle moderne gieterijen worden gebruikt. Elke gieterij heeft een iets andere oplossing nodig die is afgestemd op de specifieke behoeften, maar de technologie om dit te implementeren is beproefd, momenteel beschikbaar via DISA en partner pour-tech AB, en vereist weinig 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 optioneel, maar aangezien data-analyse de beste manier is om processen te optimaliseren en de winstgevendheid te verbeteren, wordt meer automatisering en dataverzameling steeds meer de standaardpraktijk in plaats van een experimenteel project. In het verleden waren de grootste troeven van een gieterij het model en de ervaring van de medewerkers. Nu naadloos gieten wordt gecombineerd met meer automatisering en Industry 4.0-systemen, wordt data snel de derde pijler van succes in de gieterij.
—Wij willen pour-tech en Ortander Eisenhütte hartelijk bedanken voor hun commentaar tijdens de voorbereiding van dit artikel.
Ja, ik ontvang graag de tweewekelijkse Foundry-Planet nieuwsbrief met al het laatste nieuws, tests en rapporten over producten en materialen. Plus speciale nieuwsbrieven – allemaal met de mogelijkheid om je op elk moment kosteloos af te melden.
Geplaatst op: 05-10-2023