Gießereien setzen zunehmend auf datengesteuerte Prozessautomatisierung, um langfristige Ziele wie höhere Qualität, weniger Abfall, maximale Betriebszeit und minimale Kosten zu erreichen. Die vollständig integrierte digitale Synchronisierung von Gieß- und Formprozessen (nahtloses Gießen) ist besonders wertvoll für Gießereien, die mit den Herausforderungen der Just-in-time-Produktion, reduzierten Zykluszeiten und häufigeren Modellwechseln konfrontiert sind. Mit automatisierten, nahtlos miteinander verbundenen Form- und Gießsystemen beschleunigt sich der Gießprozess, und es werden konstant qualitativ hochwertigere Teile produziert. Der automatisierte Gießprozess umfasst die Überwachung der Gießtemperatur, die Zufuhr von Impfmaterial und die Überprüfung jeder Form. Dies verbessert die Qualität jedes Gussteils und reduziert die Ausschussrate. Diese umfassende Automatisierung reduziert zudem den Bedarf an Bedienern mit langjähriger Spezialerfahrung. Der Betrieb wird zudem sicherer, da insgesamt weniger Mitarbeiter beteiligt sind. Diese Vision ist keine Zukunftsvision; sie ist bereits Realität. Werkzeuge wie Gießereiautomatisierung und Robotik sowie Datenerfassung und -analyse haben sich über Jahrzehnte weiterentwickelt, doch der Fortschritt hat sich in jüngster Zeit mit der Entwicklung erschwinglicher Hochleistungsrechner und fortschrittlicher vernetzter Industrie-4.0-Sensoren und kompatibler Steuerungssysteme beschleunigt. Lösungen und Partner ermöglichen Gießereien nun den Aufbau einer robusten, intelligenten Infrastruktur für anspruchsvollere Projekte. Diese vereint mehrere bislang unabhängige Teilprozesse und koordiniert ihre Aktivitäten. Die Speicherung und Analyse der von diesen automatisierten, integrierten Systemen erfassten Prozessdaten ermöglicht zudem einen positiven Kreislauf datenbasierter kontinuierlicher Verbesserung. Gießereien können Prozessparameter erfassen und analysieren, indem sie historische Daten auf Korrelationen mit den Prozessergebnissen untersuchen. Der automatisierte Prozess bietet eine transparente Umgebung, in der alle durch die Analyse identifizierten Verbesserungen gründlich und schnell getestet, validiert und, wenn möglich, umgesetzt werden können.
Herausforderungen beim nahtlosen Gießen: Aufgrund des Trends zur Just-in-time-Produktion müssen Kunden, die DISAMATIC®-Formanlagen nutzen, Modelle häufig zwischen kleinen Chargen wechseln. Mit Geräten wie einem automatischen Pulverwechsler (APC) oder einem schnellen Pulverwechsler (QPC) von DISA können Schablonen in nur einer Minute gewechselt werden. Bei schnellen Modellwechseln verlagert sich der Engpass im Prozess tendenziell in Richtung Gießen – die Zeit, die benötigt wird, um den Verteiler nach einem Modellwechsel manuell zum Gießen zu bewegen. Nahtloses Gießen ist die beste Möglichkeit, diesen Schritt des Gießprozesses zu verbessern. Obwohl Gießen oft bereits teilweise automatisiert ist, erfordert die Vollautomatisierung eine nahtlose Integration der Steuerungssysteme der Formanlage und der Fülleinrichtung, damit diese in allen möglichen Betriebssituationen vollständig synchron arbeiten. Um dies zuverlässig zu erreichen, muss die Gießeinheit genau wissen, wo die nächste Form sicher gegossen werden kann, und gegebenenfalls die Position der Fülleinheit anpassen. Effizientes automatisches Füllen in einem stabilen Produktionsprozess derselben Form ist nicht allzu schwierig. Bei jeder neuen Formherstellung bewegt sich die Formsäule um die gleiche Distanz (Formdicke). Auf diese Weise kann die Fülleinheit in derselben Position verbleiben und ist nach dem Stoppen der Produktionslinie bereit, die nächste leere Form zu füllen. Nur geringfügige Anpassungen der Gießposition sind erforderlich, um Änderungen der Formdicke aufgrund der Sandkompressibilität auszugleichen. Der Bedarf an diesen Feineinstellungen wurde kürzlich dank neuer Formlinienfunktionen, die eine gleichmäßigere Beibehaltung der Gießpositionen bei gleichbleibender Produktion ermöglichen, weiter reduziert. Nach jedem Guss fährt die Formlinie erneut einen Hub und platziert die nächste leere Form für den nächsten Guss. Währenddessen kann die Füllvorrichtung nachgefüllt werden. Beim Modellwechsel kann sich die Formdicke ändern, was eine komplexe Automatisierung erfordert. Im Gegensatz zum horizontalen Sandkastenverfahren, bei dem die Höhe des Sandkastens fest ist, kann das vertikale DISAMATIC®-Verfahren die Formdicke für jeden Modellsatz exakt anpassen, um ein konstantes Sand-Eisen-Verhältnis zu gewährleisten und die Modellhöhe zu berücksichtigen. Dies ist ein großer Vorteil für optimale Gussqualität und Ressourcennutzung, allerdings erschweren unterschiedliche Formdicken die automatische Gusssteuerung. Nach einem Modellwechsel beginnt die DISAMATIC®-Maschine mit der Produktion der nächsten Charge Formen mit der gleichen Dicke, aber die Füllmaschine in der Linie füllt noch die Formen des vorherigen Modells, die eine andere Formdicke aufweisen können. Um dem entgegenzuwirken, müssen die Formlinie und die Füllanlage nahtlos als ein synchronisiertes System zusammenarbeiten, das Formen mit einer Dicke produziert und eine andere sicher gießt. Nahtloses Gießen nach einem Modellwechsel. Nach einem Modellwechsel bleibt die Dicke der verbleibenden Form zwischen den Formmaschinen gleich. Die aus dem vorherigen Modell hergestellte Gießeinheit bleibt dieselbe, aber da die neue Form, die aus der Formmaschine kommt, dicker oder dünner sein kann, kann der gesamte Strang in jedem Zyklus unterschiedlich weit vorrücken – auf die Dicke der neuen Form. Dies bedeutet, dass das Nahtlosgießsystem mit jedem Hub der Formmaschine die Gießposition in Vorbereitung auf den nächsten Guss anpassen muss. Nachdem die vorherige Charge Formen gegossen wurde, wird die Formdicke wieder konstant und die stabile Produktion wird wieder aufgenommen. Wenn beispielsweise die neue Form 150 mm dick ist und nicht die 200 mm dicke Form, die vorher noch gegossen wurde, muss sich die Gießvorrichtung bei jedem Hub der Formmaschine 50 mm zurück in Richtung der Formmaschine bewegen, um sich in der richtigen Gießposition zu befinden. Damit sich eine Gießanlage auf den Gießvorgang vorbereiten kann, wenn die Formsäule zum Stillstand kommt, muss die Steuerung der Füllanlage genau wissen, in welche Form gegossen wird und wann und wo sie im Gießbereich ankommt. Bei Verwendung eines neuen Modells, das dicke Formen produziert und gleichzeitig dünne Formen gießt, sollte das System in der Lage sein, zwei Formen in einem Zyklus zu gießen. Wenn beispielsweise eine Form mit 400 mm Durchmesser hergestellt und eine Form mit 200 mm Durchmesser gegossen wird, muss die Gießvorrichtung für jede hergestellte Form 200 mm von der Formmaschine entfernt sein. Irgendwann wird der 400-mm-Hub zwei ungefüllte Formen mit 200 mm Durchmesser aus dem möglichen Gießbereich schieben. In diesem Fall muss die Formmaschine warten, bis die Füllvorrichtung die beiden 200-mm-Formen gegossen hat, bevor sie mit dem nächsten Hub fortfährt. Oder beim Herstellen dünner Formen muss der Gießer in der Lage sein, den Gießvorgang im Zyklus vollständig zu überspringen, während dicke Formen weiterhin gegossen werden. Wenn beispielsweise eine Form mit 200 mm Durchmesser hergestellt und eine Form mit 400 mm Durchmesser gegossen wird, bedeutet das Platzieren einer neuen Form mit 400 mm Durchmesser im Gießbereich, dass zwei Formen mit 200 mm Durchmesser hergestellt werden müssen. Die Verfolgung, Berechnungen und der Datenaustausch, die für ein integriertes Form- und Gießsystem erforderlich sind, um ein reibungsloses automatisiertes Gießen zu gewährleisten, wie oben beschrieben, haben viele Anlagenlieferanten in der Vergangenheit vor Herausforderungen gestellt. Aber dank moderner Maschinen, digitaler Systeme und bewährter Verfahren kann (und wurde) nahtloses Gießen schnell und mit minimalem Einrichtungsaufwand erreicht. Die Hauptanforderung ist eine Art „Buchhaltung“ des Prozesses, die Informationen über den Standort jeder Form in Echtzeit liefert. Das Monitizer®|CIM-System (Computer Integrated Module) von DISA erreicht dieses Ziel, indem es jede hergestellte Form aufzeichnet und ihre Bewegung durch die Produktionslinie verfolgt. Als Prozesszeitgeber generiert es eine Reihe von mit Zeitstempeln versehenen Datenströmen, die sekündlich die Position jeder Form und ihrer Düse in der Produktionslinie berechnen. Bei Bedarf tauscht es Daten in Echtzeit mit dem Steuerungssystem der Abfüllanlage und anderen Systemen aus, um eine präzise Synchronisierung zu erreichen. Das DISA-System extrahiert wichtige Daten für jede Form aus der CIM-Datenbank, wie z. B. Formdicke und ob gegossen werden kann/nicht, und sendet sie an das Steuerungssystem der Abfüllanlage. Mithilfe dieser genauen Daten (die nach dem Extrudieren der Form generiert werden) kann der Gießer die Gießeinheit in die richtige Position bewegen, bevor die Form eintrifft, und dann mit dem Öffnen der Stopfenstange beginnen, während sich die Form noch bewegt. Die Form trifft rechtzeitig ein, um das Eisen von der Gießanlage aufzunehmen. Dieses ideale Timing ist entscheidend, damit die Schmelze den Gießbecher präzise erreicht. Die Gießzeit ist ein häufiger Produktivitätsengpass. Durch optimales Timing des Gießbeginns können die Zykluszeiten um mehrere Zehntelsekunden reduziert werden. Das DISA-Formsystem überträgt zudem relevante Daten der Formmaschine, wie z. B. aktuelle Formgröße und Einspritzdruck, sowie allgemeine Prozessdaten wie die Sandkompressibilität an den Monitizer®|CIM. Dieser wiederum empfängt und speichert qualitätskritische Parameter für jede Form von der Füllanlage, wie Gießtemperatur, Gießzeit und den Erfolg der Gieß- und Impfprozesse. Dadurch können einzelne Formen als fehlerhaft gekennzeichnet und vor dem Mischen im Schüttelsystem getrennt werden. Neben der Automatisierung von Formmaschinen, Formlinien und Gussteilen bietet Monitizer®|CIM ein Industrie 4.0-konformes Framework für Erfassung, Speicherung, Berichterstellung und Analyse. Das Gießereimanagement kann detaillierte Berichte einsehen und Daten detailliert analysieren, um Qualitätsprobleme zu verfolgen und potenzielle Verbesserungen voranzutreiben. Ortranders nahtlose Gusserfahrung Die Ortrander Eisenhütte ist eine familiengeführte Gießerei in Deutschland, die sich auf die Produktion von hochwertigen Eisengussteilen in mittleren Stückzahlen für Automobilkomponenten, Hochleistungs-Holzöfen und Infrastruktur sowie allgemeine Maschinenteile spezialisiert hat. Die Gießerei produziert Grauguss, Sphäroguss und Vermiculargraphitguss und produziert jährlich rund 27.000 Tonnen hochwertiger Gussteile im Zweischichtbetrieb an fünf Tagen in der Woche. Ortrander betreibt vier 6-Tonnen-Induktionsschmelzöfen und drei DISA-Formanlagen und produziert täglich rund 100 Tonnen Gussteile. Dies umfasst kurze Produktionsläufe von einer Stunde, manchmal auch weniger für wichtige Kunden, sodass die Schablone häufig gewechselt werden muss. Um Qualität und Effizienz zu optimieren, hat CEO Bernd H. Williams-Book erheblich in die Implementierung von Automatisierung und Analyse investiert. Der erste Schritt bestand darin, den Eisenschmelz- und Dosierprozess zu automatisieren und drei bestehende Gießöfen mit dem neuesten pourTECH-System aufzurüsten, das 3D-Lasertechnologie, Inkubation und Temperaturregelung umfasst. Öfen, Form- und Gießanlagen werden heute digital gesteuert und synchronisiert und arbeiten fast vollständig automatisch. Wenn die Formmaschine das Modell wechselt, fragt der pourTECH-Gießcontroller das DISA Monitizer®|CIM-System nach den neuen Formabmessungen ab. Anhand der DISA-Daten berechnet der Gießcontroller, wo der Gießknoten für jeden Guss platziert werden muss. Er weiß genau, wann die erste neue Form an der Abfüllanlage eintrifft und schaltet automatisch auf die neue Gießsequenz um. Erreicht die Vorrichtung zu irgendeinem Zeitpunkt das Ende ihres Hubs, stoppt die DISAMATIC®-Maschine und die Vorrichtung kehrt automatisch zurück. Wenn die erste neue Form aus der Maschine entnommen wird, wird der Bediener benachrichtigt, sodass er visuell überprüfen kann, ob sie sich in der richtigen Position befindet. Die Vorteile des nahtlosen Gießens Herkömmliche Handgießverfahren oder weniger komplexe automatisierte Systeme können bei Modellwechseln zu Produktionszeitverlusten führen, die selbst bei schnellen Formwechseln an einer Formmaschine unvermeidlich sind. Das manuelle Zurücksetzen der Ausgießer und Gießformen ist langsamer, erfordert mehr Bediener und ist anfällig für Fehler wie z. B. Auflaufen. Ortrander stellte fest, dass seine Mitarbeiter beim manuellen Abfüllen mit der Zeit müde wurden, die Konzentration verloren und Fehler wie Nachlässigkeit machten. Die nahtlose Integration von Form- und Gießprozessen ermöglicht schnellere, konsistentere und qualitativ hochwertigere Prozesse bei gleichzeitiger Reduzierung von Ausschuss und Ausfallzeiten. Mit Ortrander entfallen durch die automatische Abfüllung die drei Minuten, die zuvor für die Anpassung der Position der Fülleinheit bei Modellwechseln benötigt wurden. Der gesamte Umstellungsprozess dauerte früher 4,5 Minuten, so Herr Williams-Book. Heute sind es weniger als zwei Minuten. Durch den Wechsel zwischen 8 und 12 Modellen pro Schicht benötigen die Ortrander-Mitarbeiter nun etwa 30 Minuten pro Schicht – halb so viel wie zuvor. Die Qualität wird durch höhere Konsistenz und die Möglichkeit zur kontinuierlichen Prozessoptimierung verbessert. Durch die Einführung des nahtlosen Gießens reduzierte Ortrander den Ausschuss um rund 20 %. Neben der Reduzierung der Ausfallzeiten beim Modellwechsel benötigt die gesamte Form- und Gießlinie nur noch zwei statt bisher drei Personen. In manchen Schichten können drei Personen zwei komplette Produktionslinien bedienen. Die Überwachung ist fast die einzige Aufgabe dieser Mitarbeiter: Abgesehen von der Auswahl des nächsten Modells, der Verwaltung von Sandmischungen und dem Transport der Schmelze haben sie nur wenige manuelle Aufgaben. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Bedarf an erfahrenen Mitarbeitern, die schwer zu finden sind. Automatisierung erfordert zwar eine gewisse Schulung der Bediener, liefert ihnen aber die entscheidenden Prozessinformationen, die sie für fundierte Entscheidungen benötigen. In Zukunft könnten Maschinen alle Entscheidungen treffen. Datengewinne durch Nahtlosguss Gießereien sagen oft: „Wir machen dasselbe immer gleich, aber mit unterschiedlichen Ergebnissen.“ Sie gießen also zehn Sekunden lang bei gleicher Temperatur und gleichem Füllstand, doch manche Gussteile sind gut, manche schlecht. Durch den Einsatz automatisierter Sensoren, die Erfassung zeitgestempelter Daten zu jedem Prozessparameter und die Überwachung der Ergebnisse erstellt ein integriertes Nahtlosgusssystem eine Kette zusammenhängender Prozessdaten. So lassen sich die Ursachen leichter identifizieren, wenn die Qualität nachlässt. Treten beispielsweise unerwartete Einschlüsse in einer Charge Bremsscheiben auf, können Manager schnell überprüfen, ob die Parameter innerhalb der zulässigen Grenzen liegen. Da die Steuerungen für Formmaschine, Gießanlage und andere Funktionen wie Öfen und Sandmischer zusammenarbeiten, können die generierten Daten analysiert werden, um Zusammenhänge im gesamten Prozess zu erkennen – von den Sandeigenschaften bis zur endgültigen Oberflächenqualität des Gussteils. Ein mögliches Beispiel ist, wie sich Füllstand und Temperatur auf die Formfüllung für jedes einzelne Modell auswirken. Die resultierende Datenbank bildet zudem die Grundlage für den zukünftigen Einsatz automatisierter Analyseverfahren wie maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz (KI) zur Prozessoptimierung. Ortrander erfasst Prozessdaten in Echtzeit über Maschinenschnittstellen, Sensormessungen und Testproben. Für jeden Formguss werden rund tausend Parameter erfasst. Früher wurde lediglich die für jeden Guss benötigte Zeit erfasst. Jetzt kennt das System den Füllstand der Gießdüse sekündlich. Erfahrenes Personal kann so prüfen, wie sich dieser Parameter auf andere Indikatoren und die endgültige Qualität des Gussteils auswirkt. Lässt sich die Flüssigkeit während des Füllens der Form aus der Gießdüse ab, oder wird die Gießdüse während des Füllens nahezu konstant gefüllt? Ortrander produziert jährlich drei bis fünf Millionen Formen und hat dabei eine enorme Datenmenge erfasst. Ortrander speichert zudem mehrere Bilder jedes Gusses in der pourTECH-Datenbank für den Fall von Qualitätsproblemen. Ein zukünftiges Ziel ist die automatische Bewertung dieser Bilder. Fazit: Gleichzeitiges automatisiertes Formen und Gießen führt zu schnelleren Prozessen, gleichbleibender Qualität und weniger Abfall. Dank des reibungslosen Gusses und des automatischen Modellwechsels arbeitet die Produktionslinie nahezu autonom und erfordert nur minimalen manuellen Aufwand. Da der Bediener eine Aufsichtsfunktion übernimmt, wird weniger Personal benötigt. Nahtlosguss wird heute weltweit eingesetzt und kann in allen modernen Gießereien eingesetzt werden. Jede Gießerei benötigt eine leicht unterschiedliche, auf ihre Bedürfnisse zugeschnittene Lösung. Die dafür benötigte Technologie ist jedoch bewährt, derzeit von DISA und seinem Partner pour-tech AB erhältlich und erfordert keinen großen Aufwand. Sonderanfertigungen sind möglich. Der verstärkte Einsatz von künstlicher Intelligenz und intelligenter Automatisierung in Gießereien befindet sich noch in der Testphase. Da Gießereien und OEMs in den nächsten zwei bis drei Jahren jedoch mehr Daten und Erfahrungen sammeln, wird sich der Übergang zur Automatisierung deutlich beschleunigen. Diese Lösung ist derzeit jedoch optional, da Datenintelligenz der beste Weg zur Prozessoptimierung und Rentabilitätssteigerung ist. Daher werden stärkere Automatisierung und Datenerfassung zunehmend zur Standardpraxis und nicht mehr zu einem experimentellen Projekt. Früher waren das größte Kapital einer Gießerei ihr Modell und die Erfahrung ihrer Mitarbeiter. Durch die Kombination von Nahtlosguss mit stärkerer Automatisierung und Industrie-4.0-Systemen entwickeln sich Daten schnell zur dritten Säule des Gießereierfolgs.
—Wir danken pour-tech und der Ortrander Eisenhütte herzlich für ihre Kommentare während der Erstellung dieses Artikels.
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Beitragszeit: 05.10.2023