Литейные заводы все чаще внедряют автоматизацию процессов на основе данных для достижения долгосрочных целей: повышения качества, сокращения отходов, максимального времени безотказной работы и минимизации затрат. Полностью интегрированная цифровая синхронизация процессов заливки и формовки (бесшовное литье) особенно ценна для литейных заводов, сталкивающихся с проблемами производства «точно в срок», сокращения циклов и более частой смены моделей. Благодаря автоматизированным системам формовки и литья, которые бесшовно связаны между собой, процесс литья становится быстрее, а детали более высокого качества производятся более стабильно. Автоматизированный процесс заливки включает в себя мониторинг температуры заливки, а также подачу инокуляционного материала и проверку каждой формы. Это повышает качество каждой отливки и снижает процент брака. Такая комплексная автоматизация также снижает потребность в операторах с многолетним специализированным опытом. Кроме того, операции становятся безопаснее, поскольку в целом задействовано меньше рабочих. Это не видение будущего; это происходит уже сейчас. Такие инструменты, как автоматизация литейного производства и робототехника, сбор и анализ данных, развивались на протяжении десятилетий, но в последнее время прогресс ускорился благодаря разработке доступных высокопроизводительных вычислительных систем и передовых сетевых датчиков Industry 4.0 и совместимых систем управления. Благодаря современным решениям и партнерам, литейные предприятия теперь могут создавать надежную интеллектуальную инфраструктуру для поддержки более амбициозных проектов, объединяя множество ранее независимых подпроцессов для координации их работы. Хранение и анализ технологических данных, собранных этими автоматизированными интегрированными системами, также открывает путь к замкнутому циклу непрерывного совершенствования на основе данных. Литейные предприятия могут собирать и анализировать параметры процесса, изучая исторические данные для выявления корреляций между ними и результатами процесса. Затем автоматизированный процесс обеспечивает прозрачную среду, в которой любые улучшения, выявленные в ходе анализа, могут быть тщательно и быстро протестированы, подтверждены и, по возможности, внедрены.
Проблемы бесшовного литья. В связи с тенденцией к производству «точно в срок», клиентам, использующим линии литья DISAMATIC®, часто приходится часто менять модели между небольшими партиями. Использование такого оборудования, как автоматическая смена порошка (APC) или быстрая смена порошка (QPC) от DISA, позволяет менять шаблоны всего за одну минуту. Поскольку смена моделей происходит на высокой скорости, узким местом в процессе, как правило, становится заливка — время, необходимое для ручного перемещения разливочного ковша для заливки после смены модели. Бесшовное литье — лучший способ улучшить этот этап процесса литья. Хотя литье часто уже частично автоматизировано, полная автоматизация требует бесшовной интеграции систем управления линии литья и заправочного оборудования, чтобы они работали полностью синхронно во всех возможных рабочих ситуациях. Для надежного достижения этого заправочный узел должен точно знать, где безопасно заливать следующую форму, и при необходимости корректировать положение заправочного узла. Эффективное автоматическое заполнение в стабильном производственном процессе одной и той же формы не представляет особой сложности. При каждом изготовлении новой формы колонна формы перемещается на одинаковое расстояние (толщина формы). Таким образом, заполняющий узел может оставаться в том же положении, готовый заполнить следующую пустую форму после остановки производственной линии. Для компенсации изменений толщины формы, вызванных изменением сжимаемости песка, требуется лишь незначительная корректировка положения заливки. Необходимость в этих точных корректировках недавно была еще больше снижена благодаря новым функциям формовочной линии, которые позволяют сохранять более стабильное положение заливки при постоянном 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 заполняющее устройство может быть пополнено. При смене модели толщина формы может изменяться, что требует сложной автоматизации. В отличие от горизонтального процесса с песочницей, где высота песочницы фиксирована, вертикальный процесс DISAMATIC® может регулировать толщину формы до точной толщины, необходимой для каждого набора моделей, чтобы поддерживать постоянное соотношение песка и железа и учитывать высоту модели. Это существенное преимущество, обеспечивающее оптимальное качество литья и рациональное использование ресурсов, однако изменение толщины форм усложняет автоматическое управление литьем. После смены модели машина DISAMATIC® начинает производство следующей партии форм той же толщины, но заливочная машина на линии продолжает заполнять формы предыдущей модели, которые могут иметь другую толщину. Для решения этой проблемы формовочная линия и заливочная машина должны работать слаженно, как единая синхронизированная система, производя формы одной толщины и безопасно заливая другую. Бесшовное заполнение после смены модели. После смены модели толщина оставшейся формы между формовочными машинами остается неизменной. Заливочный узел, изготовленный из предыдущей модели, остается тем же, но поскольку новая форма, выходящая из формовочной машины, может быть толще или тоньше, вся цепочка может продвигаться на разные расстояния в каждом цикле – до толщины новой формы. Это означает, что с каждым ходом формовочной машины система бесшовного литья должна корректировать положение отливки в подготовке к следующему отливу. После заливки предыдущей партии форм толщина формы снова становится постоянной, и возобновляется стабильное производство. Например, если новая форма имеет толщину 150 мм вместо ранее использовавшейся формы толщиной 200 мм, то разливочное устройство должно перемещаться на 50 мм назад к формовочной машине с каждым ходом формовочной машины, чтобы занять правильное положение для заливки. Для того чтобы разливочная установка могла подготовиться к заливке, когда колонна формовочной машины остановится, контроллер разливочной установки должен точно знать, в какую форму будет производиться заливка, а также когда и где она окажется в зоне заливки. Используя новую модель, которая производит толстые формы, одновременно отливая тонкие, система должна быть способна отливать две формы за один цикл. Например, при изготовлении формы диаметром 400 мм и заливке формы диаметром 200 мм, разливочное устройство должно находиться на расстоянии 200 мм от формовочной машины для каждой изготовленной формы. В какой-то момент ход в 400 мм вытолкнет две незаполненные формы диаметром 200 мм за пределы возможной зоны заливки. В этом случае формовочная машина должна дождаться, пока заполняющее устройство завершит заливку двух 200-миллиметровых форм, прежде чем переходить к следующему ходу. Или, при изготовлении тонких форм, заливщик должен иметь возможность полностью пропустить заливку в цикле, продолжая при этом 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, что необходимо изготовить две формы 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 проблему для многих поставщиков оборудования. Но благодаря современным машинам, цифровым системам и передовым методам, бесперебойная заливка может быть (и уже была) достигнута быстро с минимальной настройкой. Главное требование — это 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 ее перемещение по производственной линии. В качестве таймера процесса она генерирует серию потоков данных с временными метками, которые каждую секунду вычисляют положение каждой формы и ее сопла на производственной линии. При необходимости она обменивается данными в режиме реального времени с системой управления разливочным цехом 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 разливочным цехом. Используя эти точные данные (полученные после экструзии формы), оператор разливочного цеха может переместить разливочный узел в правильное положение до прибытия формы, а затем начать открывать стопорный стержень, пока форма еще движется. Форма прибывает вовремя, чтобы получить железо из разливочного цеха. Это идеальное время имеет решающее значение, то есть расплав точно достигает разливочной чашки. Время заливки является распространенным узким местом в процессе производства, и, идеально рассчитав время начала заливки, можно сократить цикл на несколько десятых секунды. Система формования DISA также передает соответствующие данные с формовочной машины, такие как текущий размер формы и давление впрыска, а также более общие данные процесса, такие как сжимаемость песка, в Monitizer®|CIM. В свою очередь, Monitizer®|CIM получает и хранит критически важные параметры качества для каждой формы с линии розлива, такие как температура заливки, время заливки и успешность процессов заливки и инокуляции. Это позволяет помечать отдельные формы как бракованные и отделять их до смешивания в системе встряхивания. В дополнение к автоматизации формовочных машин, линий формования и литья, Monitizer®|CIM предоставляет соответствующую требованиям Индустрии 4.0 структуру для сбора, хранения, отчетности и анализа данных. Руководство литейного производства может просматривать подробные отчеты и углубляться в данные для отслеживания проблем качества и поиска потенциальных путей улучшения. Опыт компании Ortrander в области бесшовного литья. Ortrander Eisenhütte — это семейный литейный завод в Германии, специализирующийся на производстве высококачественных чугунных отливок средних объемов для автомобильных компонентов, мощных дровяных печей и инфраструктурных объектов, а также деталей машин и оборудования. Завод производит серый чугун, высокопрочный чугун и чугун с компактным графитом, выпуская около 27 000 тонн высококачественных отливок в год, работая в две смены пять дней в неделю. Ortrander использует четыре индукционные плавильные печи мощностью 6 тонн и три формовочные линии DISA, производя около 100 тонн отливок в день. Это включает в себя короткие производственные циклы продолжительностью один час, иногда меньше, для важных клиентов, поэтому шаблон приходится часто менять. Для оптимизации качества и эффективности генеральный директор Бернд Х. Вильямс-Бук вложил значительные ресурсы во внедрение автоматизации и аналитики. Первым шагом стала автоматизация процесса плавки и дозирования железа путем модернизации трех существующих литейных печей с использованием новейшей системы pourTECH, включающей 3D-лазерную технологию, инкубацию и контроль температуры. Печи, формовочные и литейные линии теперь управляются и синхронизируются в цифровом виде, работая практически полностью в автоматическом режиме. 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 разливочный завод, и автоматически переключается на новую последовательность заливки. Если в какой-либо момент времени приспособление достигает конца своего хода, машина DISAMATIC® останавливается, и приспособление автоматически возвращается в исходное положение. Когда первая новая форма извлекается из машины, оператор получает оповещение, чтобы он мог визуально проверить ее правильность положения. Преимущества бесшовного литья. Традиционные процессы ручного литья или менее сложные автоматизированные системы могут приводить к потере производственного времени во время смены моделей, что неизбежно даже при быстрой смене форм на литьевой машине. Ручная перенастройка разливочного устройства и форм для заливки занимает больше времени, требует больше операторов и подвержена ошибкам, таким как разбрызгивание. Ортрандер обнаружил, что при ручном розливе его сотрудники в конечном итоге уставали, теряли концентрацию и совершали ошибки, например, ленились. Бесшовная интеграция формования и заливки обеспечивает более быстрые, стабильные и высококачественные процессы, одновременно сокращая отходы и время простоя. Благодаря автоматической подаче Ortrander исключается необходимость тратить три минуты, которые ранее требовались для регулировки положения разливочного устройства во время смены моделей. Весь процесс переналадки раньше занимал 4,5 минуты, сказал г-н Уильямс-Бук. Сегодня это занимает менее двух минут. Благодаря смене от 8 до 12 моделей за смену, сотрудники Ortrander теперь тратят около 30 минут за смену, что вдвое меньше, чем раньше. Качество повышается за счет большей стабильности и возможности непрерывной оптимизации процессов. Ortrander сократил количество отходов примерно на 20% благодаря внедрению бесшовного литья. Помимо сокращения времени простоя при смене моделей, для работы всей линии формовки и заливки требуется всего два человека вместо прежних трех. В некоторые смены три человека могут управлять двумя полными производственными линиями. Мониторинг — это практически все, что делают эти работники: помимо выбора следующей модели, управления песчаными смесями и транспортировки расплава, у них мало ручных задач. Еще одно преимущество — снижение потребности в опытных сотрудниках, которых трудно найти. Хотя автоматизация требует некоторой подготовки операторов, она предоставляет людям критически важную информацию о процессе, необходимую для принятия правильных решений. В будущем все решения могут принимать машины. Преимущества данных от бесшовного литья. При попытке улучшить процесс литейные цеха часто говорят: «Мы делаем одно и то же одним и тем же способом, 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 отметками времени по каждому параметру процесса и мониторингу результатов, интегрированная система бесшовного литья создает цепочку связанных данных о процессе, что упрощает выявление первопричин ухудшения качества. Например, если в партии тормозных дисков обнаруживаются неожиданные включения, менеджеры могут быстро проверить, находятся ли параметры в допустимых пределах. Поскольку контроллеры формовочной машины, литейного цеха и других функций, таких как печи и смесители песка, работают согласованно, генерируемые ими данные могут быть проанализированы для выявления взаимосвязей на протяжении всего процесса, от свойств песка до конечного качества поверхности отливки. Один из возможных примеров — 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, измерения датчиков и тестовые образцы. Для каждой отливки в форму собирается около тысячи параметров. Ранее регистрировалось только время, необходимое для каждой заливки, но теперь точно известно, каков уровень жидкости в заливочном сопле каждую секунду, что позволяет опытному персоналу изучать, как этот параметр влияет на другие показатели, а также на конечное качество отливки. Сливается ли жидкость из заливочного сопла во время заполнения формы или заливочное сопло заполняется почти до постоянного уровня во время заполнения? Компания Ortrander производит от трех до пяти миллионов форм в год и собрала огромный объем данных. Ortrander также хранит множество изображений каждой заливки в базе данных pourTECH на случай проблем с качеством. Разработка способа автоматической оценки этих изображений является задачей на будущее. Вывод. Одновременная автоматизированная формовка и заливка приводят к ускорению процессов, повышению качества и уменьшению отходов. Благодаря плавному литью и автоматической смене моделей производственная линия работает практически автономно, требуя лишь минимальных ручных усилий. Поскольку оператор выполняет надзорную роль, требуется меньше персонала. Бесшовное литье сейчас используется во многих местах по всему миру и может применяться на всех современных литейных заводах. Каждому литейному заводу потребуется немного отличающееся решение, адаптированное к его потребностям, но технология для ее внедрения хорошо зарекомендовала себя, в настоящее время доступна от DISA и ее партнера pour-tech AB и не требует больших усилий. Возможна разработка на заказ. Расширенное использование искусственного интеллекта и интеллектуальной автоматизации на литейных заводах все еще находится на стадии тестирования, но по мере того, как литейные заводы и OEM-производители будут собирать больше данных и накапливать дополнительный опыт в течение следующих двух-трех лет, переход к автоматизации значительно ускорится. В настоящее время это решение является необязательным, однако, поскольку анализ данных — лучший способ оптимизировать процессы и повысить прибыльность, более широкая автоматизация и сбор данных становятся стандартной практикой, а не экспериментальным проектом. В прошлом главными активами литейного производства были его модель и опыт сотрудников. Теперь, когда бесшовное литье сочетается с большей автоматизацией и системами Индустрии 4.0, данные быстро становятся третьим столпом успеха литейного производства.
—Мы искренне благодарим компании pour-tech и Ortrander Eisenhütte за их комментарии в процессе подготовки этой статьи.
Да, я хотел бы получать выходящую раз в две недели новостную рассылку Foundry-Planet со всеми последними новостями, результатами испытаний и отчетами о продукции и материалах. А также специальные рассылки – от которых можно бесплатно отписаться в любое время.
Дата публикации: 05.10.2023