Литейные заводы всё чаще внедряют автоматизацию процессов на основе данных для достижения долгосрочных целей: повышения качества, снижения отходов, максимального времени безотказной работы и минимизации затрат. Полностью интегрированная цифровая синхронизация процессов заливки и формовки (бесшовное литьё) особенно ценна для литейных заводов, сталкивающихся с проблемами производства «точно в срок», сокращения времени цикла и более частой смены моделей. Благодаря автоматизированным системам формовки и литья, которые бесшовно взаимодействуют друг с другом, процесс литья ускоряется, а качество деталей повышается, и производство становится более стабильным. Автоматизированный процесс заливки включает в себя контроль температуры заливки, подачу модифицирующего материала и проверку каждой формы. Это повышает качество каждой отливки и снижает процент брака. Такая комплексная автоматизация также снижает потребность в операторах с многолетним опытом работы в специализированных областях. Производство также становится безопаснее, поскольку сокращается общее количество рабочих. Это видение не является видением будущего; это происходит уже сейчас. Такие инструменты, как автоматизация литейного производства и робототехника, сбор и анализ данных, развивались десятилетиями, но в последнее время прогресс ускорился благодаря появлению доступных высокопроизводительных вычислений, передовых сетевых датчиков и совместимых систем управления «Индустрии 4.0». Решения и партнёры теперь позволяют литейным заводам создавать надёжную интеллектуальную инфраструктуру для поддержки более амбициозных проектов, объединяя множество ранее независимых подпроцессов для координации их усилий. Хранение и анализ данных о процессах, собираемых этими автоматизированными интегрированными системами, также открывает путь к эффективному циклу непрерывного совершенствования на основе данных. Литейные заводы могут собирать и анализировать параметры процесса, изучая исторические данные для поиска корреляций между ними и результатами процесса. Автоматизированный процесс обеспечивает прозрачную среду, в которой любые улучшения, выявленные в ходе анализа, могут быть тщательно и быстро протестированы, проверены и, при возможности, внедрены.
Проблемы бесшовной формовки. В связи с тенденцией к производству «точно вовремя» клиентам, использующим формовочные линии DISAMATIC®, часто приходится часто менять модели между небольшими партиями. Используя такое оборудование, как устройство автоматической смены порошка (APC) или устройство быстрой смены порошка (QPC) от DISA, шаблоны можно менять всего за одну минуту. В условиях высокоскоростной смены моделей узким местом процесса становится заливка — время, необходимое для ручного перемещения промежуточного ковша для заливки после смены модели. Бесшовная формовка — лучший способ улучшить этот этап литейного процесса. Хотя литье часто уже частично автоматизировано, полная автоматизация требует полной интеграции систем управления формовочной линии и оборудования для заливки, чтобы они работали полностью синхронно во всех возможных рабочих ситуациях. Для достижения этой надёжной цели заливочный агрегат должен точно знать, где безопасно заливать следующую форму, и при необходимости корректировать положение узла заливки. Добиться эффективного автоматического заполнения в стабильном процессе производства одной и той же формы не так уж сложно. При каждом изготовлении новой формы колонна формы перемещается на одно и то же расстояние (толщину формы). Таким образом, узел заливки может оставаться в том же положении, готовый к заполнению следующей пустой формы после остановки производственной линии. Для компенсации изменений толщины формы, вызванных изменением сжимаемости песка, требуется лишь незначительная корректировка положения заливочной формы. Необходимость в такой точной корректировке недавно была дополнительно снижена благодаря новым функциям формовочной линии, которые позволяют поддерживать более стабильное положение заливочной формы при стабильном производстве. После завершения каждой заливки формовочная линия снова перемещается на один ход, устанавливая следующую пустую форму на место для начала следующей заливки. В это время можно пополнять устройство заливки. При смене модели толщина формы может изменяться, что требует сложной автоматизации. В отличие от процесса в горизонтальной песочной форме, где высота песочной формы фиксирована, вертикальный процесс DISAMATIC® позволяет точно регулировать толщину формы, поддерживая постоянное соотношение песка и чугуна и учитывая высоту модели. Это существенное преимущество для обеспечения оптимального качества литья и использования ресурсов, однако различная толщина форм усложняет автоматическое управление литьем. После смены модели машина DISAMATIC® начинает изготавливать следующую партию форм той же толщины, но заливочная машина на линии продолжает заполнять формы предыдущей модели, толщина которых может быть другой. Чтобы избежать этого, формовочная линия и заливочная установка должны работать слаженно, как единая синхронизированная система, изготавливая формы одной толщины и безопасно заливая другую. Бесперебойная заливка после смены модели. После смены модели толщина оставшейся формы между формовочными машинами остается неизменной. Заливочный узел, изготовленный из предыдущей модели, остается прежним, но поскольку новая форма, выходящая из формовочной машины, может быть толще или тоньше, вся цепочка может продвигаться на разное расстояние за каждый цикл – на толщину новой формы. Это означает, что с каждым ходом формовочной машины система бесшовного литья должна корректировать положение отливки для подготовки к следующей отливке. После заливки предыдущей партии форм толщина формы снова становится постоянной, и возобновляется стабильное производство. Например, если новая форма имеет толщину 150 мм вместо формы толщиной 200 мм, которая все еще заливалась ранее, заливочное устройство должно перемещаться на 50 мм назад к формовочной машине с каждым ходом формовочной машины, чтобы находиться в правильном положении заливки. . Для того, чтобы заливочная установка была готова к заливке, когда колонна формы перестанет двигаться, контроллер заливочной установки должен точно знать, в какую форму она будет заливать, когда и куда она прибудет в зону заливки. Используя новую модель, которая производит толстые формы при литье тонких форм, система должна иметь возможность отливать две формы за один цикл. Например, при изготовлении формы диаметром 400 мм и заливке формы диаметром 200 мм заливочное устройство должно находиться на расстоянии 200 мм от формовочной машины для каждой изготовленной формы. В какой-то момент ход на 400 мм вытолкнет две незаполненные формы диаметром 200 мм из возможной зоны заливки. В этом случае формовочная машина должна дождаться, пока заливочное устройство завершит заливку двух форм диаметром 200 мм, прежде чем переходить к следующему циклу. Или, при изготовлении тонких форм, заливщик должен иметь возможность полностью пропустить заливку в цикле, продолжая заливку толстых форм. Например, при изготовлении формы диаметром 200 мм и заливке формы диаметром 400 мм, размещение новой формы диаметром 400 мм в зоне заливки означает необходимость изготовления двух форм диаметром 200 мм. Отслеживание, расчеты и обмен данными, необходимые для интегрированной системы формования и заливки, обеспечивающей бесперебойную автоматизированную заливку, как описано выше, в прошлом представляли собой сложную задачу для многих поставщиков оборудования. Но благодаря современным машинам, цифровым системам и передовому опыту, бесшовная заливка может быть (и была) достигнута быстро и с минимальной настройкой. Основным требованием является некая форма «учета» процесса, предоставляющая информацию о местоположении каждой формы в режиме реального времени. Система DISA Monitizer®|CIM (Computer Integrated Module) достигает этой цели, регистрируя каждую изготовленную форму и отслеживая её перемещение по производственной линии. Работая как таймер процесса, она генерирует ряд потоков данных с временными метками, которые ежесекундно рассчитывают положение каждой формы и её сопла на производственной линии. При необходимости она обменивается данными в режиме реального времени с системой управления разливочного цеха и другими системами для достижения точной синхронизации. Система DISA извлекает важные данные для каждой формы из базы данных CIM, такие как толщина формы и возможность/невозможность заливки, и отправляет их в систему управления разливочного цеха. Используя эти точные данные (полученные после экструзии формы), заливщик может переместить литейный узел в нужное положение до прибытия формы, а затем начать открывать стопорный стержень, пока форма ещё движется. Форма поступает вовремя для получения чугуна с разливочного цеха. Этот идеальный момент имеет решающее значение, т.е. расплав точно попадает в литьевую чашу. Время заливки является распространённым узким местом производительности, и благодаря точному расчёту времени начала заливки время цикла можно сократить на несколько десятых секунды. Система формования DISA также передаёт соответствующие данные с формовочной машины, такие как текущий размер формы и давление впрыска, а также более общие данные о процессе, такие как сжимаемость песка, в Monitizer®|CIM. Monitizer®|CIM, в свою очередь, получает и хранит критически важные для качества параметры для каждой формы с линии заливки, такие как температура заливки, время заливки и успешность процессов заливки и модифицирования. Это позволяет отмечать отдельные формы как бракованные и отделять их перед смешиванием в системе встряхивания. Помимо автоматизации формовочных машин, формовочных линий и литья, Monitizer®|CIM предоставляет совместимую с Индустрией 4.0 структуру для сбора, хранения, отчётности и анализа данных. Руководство литейного цеха может просматривать подробные отчёты и анализировать данные для отслеживания проблем качества и разработки потенциальных улучшений. Опыт Ortrander в бесшовном литье Ortrander Eisenhütte — семейный литейный завод в Германии, специализирующийся на производстве среднесерийных высококачественных чугунных отливок для автомобильных компонентов, мощных дровяных печей и инфраструктуры, а также деталей общего машиностроения. Литейный завод производит серый чугун, ковкий чугун и чугун с вермикулярным графитом, производя около 27 000 тонн высококачественного литья в год, работая в две смены пять дней в неделю. Ortrander эксплуатирует четыре 6-тонные индукционные плавильные печи и три формовочные линии DISA, производя около 100 тонн литья в день. Это включает в себя короткие производственные циклы в один час, иногда меньше для важных клиентов, поэтому шаблон приходится часто менять. Для оптимизации качества и эффективности генеральный директор Бернд Х. Уильямс-Бук вложил значительные ресурсы во внедрение автоматизации и аналитики. Первым шагом стала автоматизация процесса плавки и дозирования чугуна. Три существующие литейные печи были модернизированы с помощью новейшей системы pourTECH, включающей в себя 3D-лазерную технологию, инкубацию и контроль температуры. Печи, формовочные и литейные линии теперь управляются и синхронизируются цифровым способом, работая практически полностью автоматически. При смене модели формовочной машины контроллер заливки pourTECH запрашивает у системы DISA Monitizer®|CIM новые размеры формы. На основе данных DISA контроллер заливки рассчитывает местоположение узла заливки для каждой заливки. Он точно знает, когда первая новая форма поступает на линию заливки, и автоматически переключается на новую последовательность заливки. Если кондуктор достигает конца своего хода, машина DISAMATIC® останавливается, и кондуктор автоматически возвращается в исходное положение. При снятии первой новой формы с машины оператор получает уведомление, позволяющее ему визуально проверить правильность её положения. Преимущества бесшовного литья. Традиционные процессы ручного литья или менее сложные автоматизированные системы могут приводить к потерям производственного времени при смене моделей, что неизбежно даже при быстрой смене форм на литьевой машине. Ручная перенастройка заливочного устройства и заливочных форм занимает больше времени, требует больше операторов и подвержена ошибкам, таким как расплескивание. Ортрандер обнаружил, что при ручном розливе его сотрудники со временем устают, теряют концентрацию и допускают ошибки, например, ленятся. Полная интеграция формовки и заливки обеспечивает более быстрые, стабильные и качественные процессы, сокращая при этом отходы и простои. Благодаря Ortrander автоматическое наполнение устраняет три минуты, которые ранее требовались для регулировки положения наполнительного узла при смене моделей. По словам г-на Уильямса-Бука, весь процесс переналадки раньше занимал 4,5 минуты. Сегодня же – менее двух минут. Меняя от 8 до 12 моделей за смену, сотрудники Ortrander теперь тратят на смену около 30 минут, что вдвое меньше, чем раньше. Качество повышается за счет большей согласованности и возможности непрерывной оптимизации процессов. Ortrander сократил отходы примерно на 20% благодаря внедрению бесшовного литья. Помимо сокращения простоев при смене моделей, вся формовочно-заливочная линия требует всего двух человек вместо прежних трёх. В некоторые смены три человека могут обслуживать две полноценные производственные линии. Эти рабочие практически полностью заняты мониторингом: помимо выбора следующей модели, управления песчаными смесями и транспортировки расплава, им приходится выполнять мало ручных операций. Ещё одним преимуществом является снижение потребности в опытных сотрудниках, которых сложно найти. Хотя автоматизация требует определённой подготовки операторов, она предоставляет людям критически важную информацию о процессе, необходимую для принятия правильных решений. В будущем машины, возможно, будут принимать все решения. Дивиденды данных от бесшовного литья. Пытаясь улучшить процесс, литейные заводы часто говорят: «Мы делаем то же самое, но с разными результатами». Поэтому они отливают при одной и той же температуре и уровне в течение 10 секунд, но некоторые отливки получаются хорошими, а некоторые — плохими. Благодаря добавлению автоматизированных датчиков, сбору данных с временными метками по каждому параметру процесса и мониторингу результатов, интегрированная система бесшовного литья создаёт цепочку связанных данных о процессе, что упрощает выявление первопричин снижения качества. Например, если в партии тормозных дисков обнаруживаются непредвиденные включения, менеджеры могут быстро проверить соответствие параметров допустимым пределам. Поскольку контроллеры формовочной машины, литейного цеха и других компонентов, таких как печи и смесители для формовки, работают согласованно, генерируемые ими данные можно анализировать для выявления взаимосвязей на протяжении всего процесса, от свойств песка до конечного качества поверхности отливки. Одним из возможных примеров является влияние уровня заливки и температуры на заполнение формы для каждой отдельной модели. Полученная база данных также закладывает основу для будущего использования автоматизированных методов анализа, таких как машинное обучение и искусственный интеллект (ИИ), для оптимизации процессов. Ortrander собирает данные о процессе в режиме реального времени через интерфейсы машин, показания датчиков и тестовые образцы. Для каждой отливки формы собирается около тысячи параметров. Раньше система регистрировала только время, необходимое для каждой заливки, но теперь она точно знает уровень заливочного сопла каждую секунду, что позволяет опытному персоналу анализировать влияние этого параметра на другие показатели, а также на конечное качество отливки. Сливается ли жидкость из заливочного сопла во время заполнения формы или же заливочный сопло заполняется практически до постоянного уровня во время заполнения? Компания Ortrander производит от трёх до пяти миллионов форм в год и накопила огромный объём данных. Ortrander также хранит несколько изображений каждой отливки в базе данных pourTECH на случай возникновения проблем с качеством. В будущем планируется разработать способ автоматической оценки этих изображений. Заключение. Одновременная автоматическая формовка и заливка ускоряют процессы, повышают стабильность качества и сокращают количество отходов. Благодаря плавному литью и автоматической смене моделей производственная линия работает эффективно автономно, требуя лишь минимального ручного труда. Поскольку оператор выполняет функцию контроля, требуется меньше персонала. Бесшовное литьё в настоящее время используется во многих местах по всему миру и может быть применено на всех современных литейных заводах. Каждому литейному заводу потребуется своё решение, адаптированное к его потребностям, но технология для его внедрения хорошо зарекомендовала себя, в настоящее время доступна у DISA и её партнёра pour-tech AB и не требует больших трудозатрат. Возможно выполнение индивидуальных заказов. Расширение использования искусственного интеллекта и интеллектуальной автоматизации в литейном производстве всё ещё находится на этапе тестирования, но по мере накопления литейными заводами и производителями оригинального оборудования дополнительных данных и опыта в течение следующих двух-трёх лет переход к автоматизации значительно ускорится. Однако в настоящее время это решение является опциональным, поскольку анализ данных — лучший способ оптимизировать процессы и повысить рентабельность, а более эффективная автоматизация и сбор данных становятся стандартной практикой, а не экспериментальным проектом. Раньше главными активами литейного производства были его модель и опыт сотрудников. Теперь, когда бесшовное литье сочетается с более высокой автоматизацией и системами Индустрии 4.0, данные быстро становятся третьим столпом успеха литейного производства.
—Мы искренне благодарим pour-tech и Ortrander Eisenhütte за их комментарии во время подготовки этой статьи.
Да, я хочу получать новостную рассылку Foundry-Planet раз в две недели со всеми последними новостями, результатами испытаний и отчётами о продуктах и материалах. Кроме того, я хочу получать специальные рассылки — с возможностью бесплатной отмены в любое время.
Время публикации: 05.10.2023