Le fonderie stanno adottando sempre più l'automazione dei processi basata sui dati per raggiungere obiettivi a lungo termine di maggiore qualità, riduzione degli sprechi, massimi tempi di attività e costi minimi. La sincronizzazione digitale completamente integrata dei processi di colata e stampaggio (fusione senza soluzione di continuità) è particolarmente preziosa per le fonderie che affrontano le sfide della produzione just-in-time, tempi di ciclo ridotti e cambi di modello più frequenti. Con sistemi di stampaggio e fusione automatizzati che si collegano perfettamente, il processo di fusione diventa più veloce e i pezzi di qualità superiore vengono prodotti in modo più uniforme. Il processo di colata automatizzato include il monitoraggio della temperatura di colata, l'alimentazione del materiale di inoculazione e il controllo di ogni stampo. Ciò migliora la qualità di ogni fusione e riduce il tasso di scarti. Questa automazione completa riduce anche la necessità di operatori con anni di esperienza specializzata. Le operazioni diventano anche più sicure perché nel complesso sono coinvolti meno lavoratori. Questa visione non è una visione del futuro; sta accadendo ora. Strumenti come l'automazione e la robotica in fonderia, la raccolta e l'analisi dei dati si sono evoluti nel corso dei decenni, ma il progresso ha subito un'accelerazione di recente con lo sviluppo di sistemi di calcolo ad alte prestazioni a prezzi accessibili, sensori in rete avanzati e sistemi di controllo compatibili con l'Industria 4.0. Soluzioni e partner consentono ora alle fonderie di creare un'infrastruttura solida e intelligente a supporto di progetti più ambiziosi, riunendo più sottoprocessi precedentemente indipendenti per coordinarne gli sforzi. L'archiviazione e l'analisi dei dati di processo raccolti da questi sistemi automatizzati e integrati aprono inoltre le porte a un circolo virtuoso di miglioramento continuo basato sui dati. Le fonderie possono raccogliere e analizzare i parametri di processo esaminando i dati storici per individuare correlazioni tra questi e i risultati di processo. Il processo automatizzato fornisce quindi un ambiente trasparente in cui eventuali miglioramenti identificati dall'analisi possono essere testati, convalidati e, ove possibile, implementati in modo approfondito e rapido.
Sfide di stampaggio senza soluzione di continuità A causa della tendenza alla produzione just-in-time, i clienti che utilizzano linee di stampaggio DISAMATIC® devono spesso cambiare modello frequentemente tra piccoli lotti. Utilizzando apparecchiature come un cambio automatico di polvere (APC) o un cambio rapido di polvere (QPC) di DISA, le dime possono essere cambiate in appena un minuto. Con i cambi di modello ad alta velocità, il collo di bottiglia nel processo tende a spostarsi verso il colaggio, ovvero il tempo necessario per spostare manualmente la paniera per il colaggio dopo un cambio di modello. La colata senza soluzione di continuità è il modo migliore per migliorare questa fase del processo di colata. Sebbene la colata sia spesso già parzialmente automatizzata, l'automazione completa richiede un'integrazione perfetta dei sistemi di controllo della linea di stampaggio e dell'attrezzatura di riempimento, in modo che funzionino in modo completamente sincronizzato in tutte le possibili situazioni operative. Per raggiungere questo obiettivo in modo affidabile, l'unità di colata deve sapere esattamente dove è sicuro versare lo stampo successivo e, se necessario, regolare la posizione dell'unità di riempimento. Ottenere un riempimento automatico efficiente in un processo di produzione stabile dello stesso stampo non è così difficile. Ogni volta che viene realizzato un nuovo stampo, la colonna dello stampo si sposta della stessa distanza (spessore dello stampo). In questo modo, l'unità di riempimento può rimanere nella stessa posizione, pronta a riempire lo stampo vuoto successivo dopo l'arresto della linea di produzione. Sono necessarie solo piccole regolazioni della posizione di colata per compensare le variazioni di spessore dello stampo causate da variazioni di comprimibilità della sabbia. La necessità di queste regolazioni di precisione è stata recentemente ulteriormente ridotta grazie a nuove funzionalità della linea di stampaggio che consentono di mantenere le posizioni di colata più costanti durante una produzione costante. Dopo ogni colata, la linea di stampaggio si sposta di un'altra corsa, posizionando lo stampo vuoto successivo per iniziare la colata successiva. Mentre ciò avviene, il dispositivo di riempimento può essere riempito. Quando si cambia modello, lo spessore dello stampo può variare, il che richiede un'automazione complessa. A differenza del processo con sandbox orizzontale, in cui l'altezza del sandbox è fissa, il processo DISAMATIC® verticale può regolare lo spessore dello stampo esattamente allo spessore necessario per ogni set di modelli, mantenendo un rapporto sabbia/ferro costante e tenendo conto dell'altezza del modello. Questo rappresenta un vantaggio importante per garantire una qualità di fusione e un utilizzo ottimale delle risorse, ma spessori di stampo variabili rendono più complesso il controllo automatico della fusione. Dopo un cambio di modello, la macchina DISAMATIC® inizia a produrre il lotto successivo di stampi dello stesso spessore, ma la riempitrice sulla linea continua a riempire gli stampi del modello precedente, che potrebbero avere uno spessore diverso. Per evitare questo problema, la linea di formatura e l'impianto di riempimento devono funzionare in modo integrato come un unico sistema sincronizzato, producendo stampi di uno spessore e colandone un altro in modo sicuro. Colata senza interruzioni dopo il cambio di modello. Dopo il cambio di modello, lo spessore dello stampo rimanente tra le macchine di formatura rimane invariato. L'unità di colata realizzata con il modello precedente rimane la stessa, ma poiché il nuovo stampo che esce dalla macchina di formatura può essere più spesso o più sottile, l'intera serie può avanzare a distanze diverse in ogni ciclo, fino allo spessore della nuova forma. Ciò significa che a ogni corsa della macchina di formatura, il sistema di colata senza interruzioni deve regolare la posizione di colata in preparazione della colata successiva. Dopo la colata del lotto precedente di stampi, lo spessore dello stampo torna costante e la produzione riprende a livelli stabili. Ad esempio, se il nuovo stampo ha uno spessore di 150 mm invece di quello di 200 mm che veniva ancora colato in precedenza, il dispositivo di colata deve spostarsi di 50 mm indietro verso la macchina di stampaggio a ogni corsa della macchina per essere nella posizione di colata corretta. Affinché un impianto di colata si prepari al colaggio quando la colonna dello stampo si ferma, il controllore dell'impianto di riempimento deve sapere esattamente in quale stampo verrà colato e quando e dove arriverà nell'area di colata. Utilizzando un nuovo modello che produce stampi spessi mentre si colano stampi sottili, il sistema dovrebbe essere in grado di colare due stampi in un ciclo. Ad esempio, quando si realizza uno stampo di 400 mm di diametro e si cola uno stampo di 200 mm di diametro, il dispositivo di colata deve trovarsi a 200 mm di distanza dalla macchina di stampaggio per ogni stampo realizzato. A un certo punto, la corsa di 400 mm spingerà due stampi di 200 mm di diametro non riempiti fuori dalla possibile area di colata. In questo caso, la macchina per stampaggio deve attendere che il dispositivo di riempimento abbia completato la colata dei due stampi da 200 mm prima di passare alla corsa successiva. Oppure, quando si realizzano stampi sottili, il colatore deve essere in grado di saltare completamente la colata nel ciclo, continuando a colare stampi spessi. Ad esempio, quando si realizza uno stampo da 200 mm di diametro e si cola uno stampo da 400 mm di diametro, l'inserimento di un nuovo stampo da 400 mm di diametro nell'area di colata implica la realizzazione di due stampi da 200 mm di diametro. Il monitoraggio, i calcoli e lo scambio di dati necessari per un sistema integrato di stampaggio e colata per garantire una colata automatizzata senza problemi, come descritto sopra, hanno presentato sfide per molti fornitori di attrezzature in passato. Ma grazie alle macchine moderne, ai sistemi digitali e alle migliori pratiche, la colata senza giunzioni può essere (ed è stata) ottenuta rapidamente con una configurazione minima. Il requisito principale è una qualche forma di "contabilità" del processo, che fornisca informazioni sulla posizione di ciascuna forma in tempo reale. Il sistema Monitizer®|CIM (Computer Integrated Module) di DISA raggiunge questo obiettivo registrando ogni stampo realizzato e tracciandone il movimento lungo la linea di produzione. Come timer di processo, genera una serie di flussi di dati con timestamp che calcolano la posizione di ogni stampo e del suo ugello sulla linea di produzione ogni secondo. Se necessario, scambia dati in tempo reale con il sistema di controllo dell'impianto di riempimento e altri sistemi per ottenere una sincronizzazione precisa. Il sistema DISA estrae dati importanti per ogni stampo dal database CIM, come lo spessore dello stampo e il materiale colabile/non colabile, e li invia al sistema di controllo dell'impianto di riempimento. Utilizzando questi dati accurati (generati dopo l'estrusione dello stampo), il versatore può spostare il gruppo di colata nella posizione corretta prima dell'arrivo dello stampo e quindi iniziare ad aprire l'asta di chiusura mentre lo stampo è ancora in movimento. Lo stampo arriva in tempo per ricevere il ferro dall'impianto di colata. Questa tempistica ideale è fondamentale, ovvero il materiale fuso raggiunge la tazza di colata con precisione. Il tempo di colata è un comune collo di bottiglia per la produttività e, sincronizzando perfettamente l'inizio della colata, i tempi di ciclo possono essere ridotti di diversi decimi di secondo. Il sistema di stampaggio DISA trasferisce inoltre dati rilevanti dalla macchina di stampaggio, come le dimensioni attuali dello stampo e la pressione di iniezione, nonché dati di processo più ampi come la comprimibilità della sabbia, al Monitizer®|CIM. A sua volta, Monitizer®|CIM riceve e memorizza parametri critici per la qualità di ogni stampo dall'impianto di riempimento, come la temperatura di colata, il tempo di colata e il successo dei processi di colata e inoculazione. Ciò consente di contrassegnare le singole forme come non idonee e di separarle prima della miscelazione nel sistema di agitazione. Oltre ad automatizzare le macchine di stampaggio, le linee di formatura e la fusione, Monitizer®|CIM fornisce un framework conforme all'Industria 4.0 per l'acquisizione, l'archiviazione, la reportistica e l'analisi. La gestione della fonderia può visualizzare report dettagliati e analizzare i dati in dettaglio per monitorare i problemi di qualità e promuovere potenziali miglioramenti. L'esperienza di fusione senza interruzioni di Ortrander Ortrander Eisenhütte è una fonderia tedesca a conduzione familiare specializzata nella produzione di getti in ghisa di media e alta qualità per componenti automobilistici, stufe a legna per impieghi gravosi e infrastrutture, nonché componenti di macchinari generici. La fonderia produce ghisa grigia, ghisa duttile e ghisa a grafite compatta e produce circa 27.000 tonnellate di getti di alta qualità all'anno, lavorando su due turni per cinque giorni alla settimana. Ortrander gestisce quattro forni di fusione a induzione da 6 tonnellate e tre linee di formatura DISA, producendo circa 100 tonnellate di getti al giorno. Questo include brevi tirature di un'ora, a volte inferiori per clienti importanti, quindi il modello deve essere cambiato frequentemente. Per ottimizzare la qualità e l'efficienza, l'amministratore delegato Bernd H. Williams-Book ha investito risorse significative nell'implementazione di automazione e analisi. Il primo passo è stato automatizzare il processo di fusione e dosaggio della ghisa, aggiornando tre forni di fusione esistenti utilizzando il più recente sistema pourTECH, che include tecnologia laser 3D, incubazione e controllo della temperatura. Forni, linee di formatura e colata sono ora controllati digitalmente e sincronizzati, operando quasi completamente in automatico. Quando la macchina per stampaggio cambia modello, il controller di colata pourTECH interroga il sistema DISA Monitizer®|CIM per le nuove dimensioni dello stampo. Sulla base dei dati DISA, il controller di colata calcola dove posizionare il nodo di colata per ogni colata. Sa esattamente quando il primo nuovo stampo arriva all'impianto di riempimento e passa automaticamente alla nuova sequenza di colata. Se la maschera raggiunge il fine corsa in qualsiasi momento, la macchina DISAMATIC® si arresta e la maschera ritorna automaticamente. Quando il primo nuovo stampo viene rimosso dalla macchina, l'operatore viene avvisato in modo che possa verificare visivamente che sia nella posizione corretta. I vantaggi della fusione senza giunzioni I tradizionali processi di fusione manuale o i sistemi automatizzati meno complessi possono comportare perdite di tempo di produzione durante i cambi di modello, il che è inevitabile anche con rapidi cambi di stampo su una macchina per stampaggio. Il ripristino manuale del colatore e degli stampi di colata è più lento, richiede più operatori ed è soggetto a errori come la svasatura. Ortrander ha scoperto che, imbottigliando a mano, i suoi dipendenti finivano per stancarsi, perdere la concentrazione e commettere errori, come ad esempio rallentare il ritmo. La perfetta integrazione tra stampaggio e colata consente processi più rapidi, più costanti e di qualità superiore, riducendo al contempo sprechi e tempi di fermo. Con Ortrander, il riempimento automatico elimina i tre minuti precedentemente necessari per regolare la posizione dell'unità di riempimento durante i cambi di modello. L'intero processo di conversione richiedeva 4,5 minuti, ha affermato il Sig. Williams-Book. Oggi meno di due minuti. Cambiando da 8 a 12 modelli per turno, i dipendenti di Ortrander ora impiegano circa 30 minuti a turno, la metà rispetto a prima. La qualità è migliorata grazie a una maggiore coerenza e alla capacità di ottimizzare continuamente i processi. Ortrander ha ridotto gli sprechi di circa il 20% introducendo la fusione senza giunzioni. Oltre a ridurre i tempi di fermo durante il cambio di modello, l'intera linea di stampaggio e colata richiede solo due persone invece delle tre precedenti. In alcuni turni, tre persone possono gestire due linee di produzione complete. Il monitoraggio è praticamente l'unica attività svolta da questi lavoratori: oltre alla selezione del modello successivo, alla gestione delle miscele di sabbia e al trasporto della massa fusa, svolgono poche attività manuali. Un altro vantaggio è la ridotta necessità di personale esperto, difficile da trovare. Sebbene l'automazione richieda una certa formazione degli operatori, fornisce loro le informazioni di processo critiche di cui hanno bisogno per prendere decisioni efficaci. In futuro, saranno le macchine a prendere tutte le decisioni. I dividendi dei dati derivanti dalla fusione senza giunzioni Quando cercano di migliorare un processo, le fonderie spesso affermano: "Facciamo la stessa cosa allo stesso modo, ma con risultati diversi". Quindi fondono alla stessa temperatura e allo stesso livello per 10 secondi, ma alcune fusioni sono buone e altre scadenti. Aggiungendo sensori automatizzati, raccogliendo dati con timestamp su ciascun parametro di processo e monitorando i risultati, un sistema di fusione senza giunzioni integrato crea una catena di dati di processo correlati, facilitando l'identificazione delle cause profonde quando la qualità inizia a deteriorarsi. Ad esempio, se si verificano inclusioni impreviste in un lotto di dischi freno, i responsabili possono verificare rapidamente che i parametri rientrino nei limiti accettabili. Poiché i controller della macchina di formatura, dell'impianto di fusione e di altre funzioni come forni e miscelatori di sabbia lavorano in sinergia, i dati che generano possono essere analizzati per identificare le relazioni lungo tutto il processo, dalle proprietà della sabbia alla qualità superficiale finale della fusione. Un possibile esempio è come il livello e la temperatura di colata influenzino il riempimento dello stampo per ogni singolo modello. Il database risultante getta anche le basi per il futuro utilizzo di tecniche di analisi automatizzate come l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale (IA) per ottimizzare i processi. Ortrander raccoglie i dati di processo in tempo reale tramite interfacce macchina, misurazioni dei sensori e campioni di prova. Per ogni colata dello stampo, vengono raccolti circa un migliaio di parametri. In precedenza, registrava solo il tempo necessario per ogni colata, ma ora conosce esattamente il livello dell'ugello di colata ogni secondo, consentendo al personale esperto di esaminare come questo parametro influenzi altri indicatori, nonché la qualità finale della colata. Il liquido viene drenato dall'ugello di colata durante il riempimento dello stampo o l'ugello di colata viene riempito a un livello pressoché costante durante il riempimento? Ortrander produce da tre a cinque milioni di stampi all'anno e ha raccolto un'enorme quantità di dati. Ortrander memorizza anche diverse immagini di ogni colata nel database pourTECH in caso di problemi di qualità. Trovare un modo per valutare automaticamente queste immagini è un obiettivo futuro. Conclusione. La formatura e la colata automatizzate simultanee si traducono in processi più rapidi, una qualità più costante e meno sprechi. Grazie alla fusione fluida e al cambio automatico del modello, la linea di produzione opera in modo efficiente e autonomo, richiedendo solo uno sforzo manuale minimo. Poiché l'operatore svolge un ruolo di supervisione, è necessario meno personale. La fusione senza giunzioni è ora utilizzata in molti luoghi in tutto il mondo e può essere applicata a tutte le fonderie moderne. Ogni fonderia richiederà una soluzione leggermente diversa, personalizzata in base alle proprie esigenze, ma la tecnologia per implementarla è ben collaudata, attualmente disponibile presso DISA e il suo partner pour-tech AB, e non richiede molto lavoro. È possibile eseguire lavori personalizzati. Il crescente utilizzo dell'intelligenza artificiale e dell'automazione intelligente nelle fonderie è ancora in fase di sperimentazione, ma con l'acquisizione di maggiori dati ed esperienza da parte di fonderie e OEM nei prossimi due o tre anni, la transizione all'automazione accelererà significativamente. Questa soluzione è attualmente facoltativa, tuttavia, poiché l'intelligenza dei dati è il modo migliore per ottimizzare i processi e migliorare la redditività, una maggiore automazione e raccolta dati sta diventando una pratica standard piuttosto che un progetto sperimentale. In passato, i maggiori beni di una fonderia erano il suo modello e l'esperienza dei suoi dipendenti. Ora che la fusione senza giunzioni è abbinata a una maggiore automazione e ai sistemi dell'Industria 4.0, i dati stanno rapidamente diventando il terzo pilastro del successo della fonderia.
—Ringraziamo sinceramente pour-tech e Ortrander Eisenhütte per i loro commenti durante la preparazione di questo articolo.
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Data di pubblicazione: 05-10-2023