Le fonderie stanno adottando sempre più l'automazione dei processi basata sui dati per raggiungere obiettivi a lungo termine di maggiore qualità, minori sprechi, massima operatività e costi minimi. La sincronizzazione digitale completamente integrata dei processi di colata e formatura (fusione senza soluzione di continuità) è particolarmente preziosa per le fonderie che devono affrontare le sfide della produzione just-in-time, dei tempi di ciclo ridotti e dei cambi di modello più frequenti. Con sistemi automatizzati di formatura e fusione che si collegano in modo trasparente, il processo di fusione diventa più veloce e si producono pezzi di qualità superiore in modo più costante. 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 scarto. Questa automazione completa riduce anche la necessità di operatori con anni di esperienza specializzata. Le operazioni diventano inoltre più sicure perché è coinvolto un minor numero di lavoratori. Questa visione non è una visione del futuro; è una realtà presente. Strumenti come l'automazione e la robotica per fonderie, la raccolta e l'analisi dei dati si sono evoluti nel corso dei decenni, ma i progressi hanno subito un'accelerazione di recente con lo sviluppo di sistemi di calcolo ad alte prestazioni a prezzi accessibili e di sensori di rete avanzati per l'Industria 4.0 e sistemi di controllo compatibili. Le soluzioni e i partner attuali consentono alle fonderie di creare un'infrastruttura robusta e intelligente a supporto di progetti più ambiziosi, riunendo molteplici 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 trovare correlazioni tra questi e i risultati del processo. Il processo automatizzato fornisce quindi un ambiente trasparente in cui qualsiasi miglioramento individuato dall'analisi può essere testato, convalidato e, ove possibile, implementato in modo rapido e approfondito.
Sfide dello stampaggio senza soluzione di continuità A causa della tendenza verso la produzione just-in-time, i clienti che utilizzano le linee di stampaggio DISAMATIC® spesso devono cambiare frequentemente i modelli tra piccoli lotti. Utilizzando apparecchiature come un Automatic Powder Changer (APC) o un Quick Powder Changer (QPC) di DISA, i modelli possono essere cambiati in appena un minuto. Con l'aumento della velocità di cambio dei modelli, il collo di bottiglia del processo tende a spostarsi verso la fase di colata, ovvero il tempo necessario per spostare manualmente la siviera per la colata 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 l'integrazione perfetta dei sistemi di controllo della linea di stampaggio e dell'attrezzatura di riempimento, in modo che operino in modo completamente sincrono in tutte le possibili situazioni operative. Per ottenere questo risultato 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 di stampaggio si sposta della stessa distanza (spessore dello stampo). In questo modo, l'unità di riempimento può rimanere nella stessa posizione, pronta a riempire il successivo stampo vuoto dopo l'arresto della linea di produzione. Sono necessari solo piccoli aggiustamenti alla posizione di colata per compensare le variazioni di spessore dello stampo causate dalle variazioni di compressibilità della sabbia. La necessità di queste regolazioni di precisione è stata ulteriormente ridotta di recente grazie alle nuove funzionalità della linea di formatura che consentono di mantenere le posizioni di colata più costanti durante la produzione continua. Dopo ogni colata, la linea di formatura si sposta di un'altra corsa, posizionando il successivo stampo vuoto per iniziare la colata successiva. Mentre ciò avviene, il dispositivo di riempimento può essere ricaricato. Quando si cambia modello, lo spessore dello stampo può variare, il che richiede un'automazione complessa. A differenza del processo orizzontale con cassaforma, in cui l'altezza della cassaforma è fissa, il processo verticale DISAMATIC® può regolare lo spessore dello stampo allo spessore esatto necessario per ogni serie di modelli, in modo da mantenere un rapporto sabbia/ferro costante e tenere conto dell'altezza del modello. Questo rappresenta un vantaggio importante per garantire una qualità di fusione ottimale e un utilizzo efficiente delle risorse, ma la variabilità dello spessore dello stampo rende 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 macchina di riempimento sulla linea continua a riempire gli stampi del modello precedente, che potrebbero avere uno spessore diverso. Per ovviare a questo problema, la linea di formatura e l'impianto di riempimento devono lavorare in modo integrato come un unico sistema sincronizzato, producendo stampi di un determinato spessore e colando in sicurezza un altro. Colata senza soluzione di continuità 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 fila può avanzare a distanze diverse in ogni ciclo, fino allo spessore della nuova forma. Ciò significa che ad ogni ciclo della macchina di formatura, il sistema di colata senza soluzione di continuità deve regolare la posizione di colata in preparazione alla colata successiva. Dopo la colata del lotto precedente di stampi, lo spessore dello stampo torna a essere costante e la produzione riprende in modo stabile. Ad esempio, se il nuovo stampo ha uno spessore di 150 mm anziché i 200 mm dello stampo precedentemente utilizzato, il dispositivo di colata deve spostarsi di 50 mm all'indietro verso la macchina formatrice ad ogni ciclo di quest'ultima, per trovarsi nella corretta posizione di colata. Affinché un impianto di colata possa prepararsi alla colata quando la colonna di stampaggio si arresta, il controllore dell'impianto di riempimento deve sapere esattamente in quale stampo verrà colato il materiale, quando e dove arriverà nell'area di colata. Utilizzando un nuovo modello in grado di produrre stampi spessi e contemporaneamente colare stampi sottili, il sistema dovrebbe essere in grado di colare due stampi in un unico ciclo. Ad esempio, durante la realizzazione di uno stampo di 400 mm di diametro e la colata di uno stampo di 200 mm di diametro, il dispositivo di colata deve trovarsi a 200 mm di distanza dalla macchina formatrice per ogni stampo realizzato. A un certo punto, la corsa di 400 mm spingerà due stampi non riempiti da 200 mm di diametro fuori dall'area di colata disponibile. In questo caso, la macchina per lo stampaggio deve attendere che il dispositivo di riempimento abbia terminato la colata dei due stampi da 200 mm prima di passare alla fase successiva. Oppure, quando si realizzano stampi sottili, il dispositivo di colata 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 effettua la colata di uno stampo da 400 mm di diametro, il posizionamento di un nuovo stampo da 400 mm di diametro nell'area di colata implica la necessità di realizzare due stampi da 200 mm di diametro. Il tracciamento, i calcoli e lo scambio di dati necessari affinché un sistema integrato di stampaggio e colata garantisca una colata automatizzata senza problemi, come descritto sopra, hanno rappresentato una sfida per molti fornitori di attrezzature in passato. Ma grazie alle macchine moderne, ai sistemi digitali e alle migliori pratiche, la colata senza interruzioni può essere (ed è stata) realizzata rapidamente con una configurazione minima. Il requisito principale è una qualche forma di "contabilità" del processo, che fornisca informazioni sulla posizione di ogni 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 relativo ugello sulla linea di produzione ogni secondo. Se necessario, scambia dati in tempo reale con il sistema di controllo dell'impianto di riempimento e con 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 la possibilità/impossibilità di colata, e li invia al sistema di controllo dell'impianto di riempimento. Utilizzando questi dati precisi (generati dopo l'estrusione dello stampo), l'operatore addetto alla colata 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 ferro fuso raggiunge la tazza di colata con precisione. Il tempo di colata è un collo di bottiglia comune nella produttività e, sincronizzando perfettamente l'inizio della colata, i tempi di ciclo possono essere ridotti di diversi decimi di secondo. Il sistema di formatura DISA trasferisce inoltre al Monitizer®|CIM dati rilevanti dalla pressa, come le dimensioni attuali dello stampo e la pressione di iniezione, nonché dati di processo più ampi, come la compressibilità della sabbia. A sua volta, il Monitizer®|CIM riceve e memorizza i 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 difettose e di separarle prima della miscelazione nel sistema di agitazione. Oltre ad automatizzare presse, linee di formatura e colata, il Monitizer®|CIM fornisce un framework conforme all'Industria 4.0 per l'acquisizione, l'archiviazione, la reportistica e l'analisi. La direzione della fonderia può visualizzare report dettagliati e analizzare i dati in profondità per monitorare i problemi di qualità e individuare potenziali miglioramenti. L'esperienza di fusione senza soluzione di continuità di Ortrander. Ortrander Eisenhütte è una fonderia a conduzione familiare in Germania, specializzata nella produzione di getti in ghisa di alta qualità e in volumi medi per componenti automobilistici, stufe a legna per impieghi gravosi, infrastrutture e parti di macchinari in generale. La fonderia produce ghisa grigia, ghisa sferoidale e ghisa a grafite compattata, con una produzione annua di circa 27.000 tonnellate di getti di alta qualità, operando su due turni per cinque giorni alla settimana. Ortrander gestisce quattro forni a induzione da 6 tonnellate e tre linee di formatura DISA, producendo circa 100 tonnellate di getti al giorno. Questo include brevi cicli di produzione di un'ora, a volte anche meno per i clienti più importanti, il che comporta frequenti cambi di stampo. Per ottimizzare la qualità e l'efficienza, l'amministratore delegato Bernd H. Williams-Book ha investito risorse significative nell'implementazione dell'automazione e dell'analisi dei dati. Il primo passo è stato automatizzare il processo di fusione e dosaggio della ghisa, aggiornando tre forni di fusione esistenti con il sistema pourTECH di ultima generazione, che include tecnologia laser 3D, incubazione e controllo della temperatura. Forni, linee di formatura e colata sono ora controllati e sincronizzati digitalmente, operando in modo quasi completamente automatico. Quando la macchina formatrice cambia modello, il controllore di colata pourTECH interroga il sistema DISA Monitizer®|CIM per ottenere le nuove dimensioni dello stampo. In base ai dati DISA, il controllore di colata calcola dove posizionare il punto 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 dima raggiunge la fine della sua corsa in qualsiasi momento, la macchina DISAMATIC® si arresta e la dima ritorna automaticamente in posizione. Quando il primo nuovo stampo viene rimosso dalla macchina, l'operatore viene avvisato in modo da poter verificare visivamente che sia nella posizione corretta. I vantaggi della colata senza interruzioni I processi di colata manuale tradizionali 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 formatrice. Il ripristino manuale del versatore e degli stampi di colata è più lento, richiede più operatori ed è soggetto a errori come la formazione di bave. Ortrander si è accorto che, imbottigliando a mano, i suoi dipendenti si stancavano, perdevano la concentrazione e commettevano errori, come ad esempio rallentare il lavoro. L'integrazione perfetta tra stampaggio e colata consente processi più rapidi, uniformi e di qualità superiore, riducendo al contempo sprechi e tempi di inattività. 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 in precedenza 4,5 minuti, ha affermato il signor Williams-Book. Oggi meno di due minuti. Cambiando da 8 a 12 modelli per turno, i dipendenti di Ortrander impiegano ora circa 30 minuti per turno, la metà rispetto a prima. La qualità è migliorata grazie a una maggiore uniformità e alla capacità di ottimizzare continuamente i processi. Ortrander ha ridotto gli sprechi di circa il 20% introducendo la colata senza giunture. Oltre a ridurre i tempi di inattività durante il cambio di modello, l'intera linea di stampaggio e colata richiede solo due persone anziché le tre precedenti. In alcuni turni, tre persone possono gestire due linee di produzione complete. Il loro compito principale è quasi esclusivamente il monitoraggio: oltre a selezionare il modello successivo, gestire le miscele di sabbia e trasportare il metallo fuso, hanno poche mansioni manuali. Un altro vantaggio è la riduzione della necessità di personale esperto, difficile da reperire. Sebbene l'automazione richieda una certa formazione per gli operatori, fornisce loro le informazioni di processo critiche necessarie per prendere decisioni efficaci. In futuro, le macchine potrebbero prendere tutte le decisioni. I vantaggi derivanti dai dati della fusione senza giunzioni Quando si cerca di migliorare un processo, le fonderie spesso affermano: "Facciamo la stessa cosa nello stesso modo, ma con risultati diversi". Quindi, effettuano la fusione alla stessa temperatura e allo stesso livello per 10 secondi, ma alcune fusioni risultano buone e altre meno. Aggiungendo sensori automatizzati, raccogliendo dati con timestamp su ciascun parametro di processo e monitorando i risultati, un sistema integrato di fusione senza giunzioni crea una catena di dati di processo correlati, semplificando l'individuazione delle cause principali quando la qualità inizia a deteriorarsi. Ad esempio, se si verificano inclusioni inattese in un lotto di dischi freno, i responsabili possono verificare rapidamente che i parametri rientrino nei limiti accettabili. Poiché i controllori della macchina formatrice, 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 correlazioni 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 fusione in stampo, vengono raccolti circa mille 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 influisce su altri indicatori, nonché sulla qualità finale della fusione. Il liquido viene drenato dall'ugello di colata durante il riempimento dello stampo, oppure 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 più 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, qualità più costante e meno sprechi. Grazie alla fusione senza saldature e al cambio automatico dei modelli, la linea di produzione opera in modo autonomo ed efficace, richiedendo solo un minimo sforzo manuale. Poiché l'operatore svolge un ruolo di supervisione, è necessario un numero inferiore di addetti. La fusione senza saldature è ormai utilizzata in molte parti del mondo e può essere applicata a tutte le fonderie moderne. Ogni fonderia richiederà una soluzione leggermente diversa, adattata alle proprie esigenze, ma la tecnologia per implementarla è collaudata, attualmente disponibile presso DISA e il suo partner pour-tech AB, e non richiede un grande lavoro. È possibile realizzare lavori personalizzati. L'utilizzo crescente dell'intelligenza artificiale e dell'automazione intelligente nelle fonderie è ancora in fase di sperimentazione, ma man mano che fonderie e OEM raccoglieranno più dati ed esperienza nei prossimi due o tre anni, la transizione all'automazione accelererà significativamente. Questa soluzione è attualmente opzionale, tuttavia, poiché l'analisi dei dati è il modo migliore per ottimizzare i processi e migliorare la redditività, una maggiore automazione e raccolta dati stanno diventando prassi standard piuttosto che un progetto sperimentale. In passato, le maggiori risorse di una fonderia erano il suo modello e l'esperienza dei suoi dipendenti. Ora che la fusione senza giunzioni si combina con una maggiore automazione e i sistemi dell'Industria 4.0, i dati stanno rapidamente diventando il terzo pilastro del successo delle fonderie.
—Ringraziamo sentitamente pour-tech e Ortrander Eisenhütte per i loro commenti durante la preparazione di questo articolo.
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Data di pubblicazione: 05-ott-2023