Gießereien setzen zunehmend auf datengesteuerte Prozessautomatisierung, um langfristige Ziele wie höhere Qualität, weniger Ausschuss, maximale Anlagenverfügbarkeit und minimale Kosten zu erreichen. Die vollständig integrierte digitale Synchronisierung von Gieß- und Formprozessen (nahtloses Gießen) ist besonders wertvoll für Gießereien, die vor den Herausforderungen der Just-in-Time-Produktion, kürzerer Zykluszeiten und häufigerer Modellwechsel stehen. Dank automatisierter Form- und Gießsysteme, die nahtlos miteinander verbunden sind, wird der Gießprozess beschleunigt und die Qualität der Teile wird konstanter. Der automatisierte Gießprozess umfasst die Überwachung der Gießtemperatur, die Zufuhr des Impfmaterials und die Kontrolle jeder Form. Dies verbessert die Qualität jedes Gussteils und reduziert die Ausschussquote. Diese umfassende Automatisierung verringert zudem den Bedarf an Bedienern mit jahrelanger Spezialerfahrung. Die Betriebssicherheit wird ebenfalls erhöht, da insgesamt weniger Personal benötigt wird. Diese Vision ist keine Zukunftsvision, sondern Realität. Werkzeuge wie Gießereiautomatisierung und Robotik, Datenerfassung und -analyse haben sich über Jahrzehnte entwickelt, doch der Fortschritt hat sich in letzter Zeit durch die Entwicklung kostengünstiger Hochleistungsrechner und fortschrittlicher vernetzter Sensoren und kompatibler Steuerungssysteme im Sinne von Industrie 4.0 beschleunigt. Lösungen und Partner ermöglichen es Gießereien heute, eine robuste, intelligente Infrastruktur für anspruchsvollere Projekte aufzubauen und zuvor unabhängige Teilprozesse zu koordinieren. Die Speicherung und Analyse der von diesen automatisierten, integrierten Systemen erfassten Prozessdaten ebnet den Weg für einen positiven Kreislauf datengestützter, kontinuierlicher Verbesserung. Gießereien können Prozessparameter erfassen und analysieren, indem sie historische Daten untersuchen und Korrelationen zwischen diesen Parametern und den Prozessergebnissen herstellen. Der automatisierte Prozess bietet anschließend eine transparente Umgebung, in der alle durch die Analyse identifizierten Verbesserungen gründlich und schnell getestet, validiert und, wo möglich, implementiert werden können.
Herausforderungen beim nahtlosen Gießen: Aufgrund des Trends zur Just-in-Time-Produktion müssen Kunden, die DISAMATIC®-Formanlagen einsetzen, häufig zwischen kleinen Losgrößen die Modelle wechseln. Mit Geräten wie dem automatischen Pulverwechsler (APC) oder dem Schnellpulverwechsler (QPC) von DISA lassen sich Formen in nur einer Minute wechseln. Bei diesen schnellen Modellwechseln verlagert sich der Engpass im Prozess tendenziell zum Gießen – der Zeit, die benötigt wird, um den Gießtrichter nach einem Modellwechsel manuell zum Gießen zu bewegen. Nahtloses Gießen ist die beste Möglichkeit, diesen Schritt des Gießprozesses zu optimieren. Obwohl das Gießen oft schon teilautomatisiert ist, erfordert die vollständige Automatisierung die nahtlose Integration der Steuerungssysteme der Formanlage und der Abfüllanlage, sodass diese in allen Betriebssituationen vollständig synchron arbeiten. Um dies zuverlässig zu gewährleisten, muss die Gießeinheit genau wissen, wo die nächste Form sicher gegossen werden kann und gegebenenfalls die Position der Abfülleinheit anpassen. Effizientes automatisches Abfüllen in einem stabilen Produktionsprozess mit derselben Form ist relativ einfach. Bei jeder neuen Form bewegt sich die Formsäule um dieselbe Strecke (Formdicke). Auf diese Weise kann die Fülleinheit in derselben Position verbleiben und ist nach dem Produktionsstopp bereit, die nächste leere Form zu befüllen. Lediglich geringfügige Anpassungen der Gießposition sind erforderlich, um Änderungen der Formdicke aufgrund der veränderten Kompressibilität des Sandes auszugleichen. Dank neuer Funktionen der Formanlage, die für eine gleichbleibende Gießposition bei gleichbleibender Produktion sorgen, konnte der Bedarf an diesen Feineinstellungen kürzlich weiter reduziert werden. Nach jedem Guss fährt die Formanlage einen Hub weiter und positioniert die nächste leere Form für den nächsten Guss. Währenddessen kann die Fülleinheit 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 fixiert ist, kann das vertikale DISAMATIC®-Verfahren die Formdicke exakt an die für jeden Modellsatz benötigte Dicke anpassen, um ein konstantes Sand-Eisen-Verhältnis zu gewährleisten und die Modellhöhe zu berücksichtigen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil für optimale Gussqualität und Ressourcennutzung, jedoch stellen variable Formdicken die automatische Gießsteuerung vor größere Herausforderungen. Nach einem Modellwechsel beginnt die DISAMATIC®-Maschine mit der Produktion der nächsten Formcharge gleicher Wandstärke. Die Abfüllanlage füllt jedoch weiterhin die Formen des vorherigen Modells, die möglicherweise eine andere Wandstärke aufweisen. Um dies zu vermeiden, müssen Formanlage und Abfüllanlage nahtlos als ein synchronisiertes System zusammenarbeiten, Formen einer Wandstärke produzieren und die andere sicher gießen. Nahtloses Gießen nach Modellwechsel: Nach dem Modellwechsel bleibt die Wandstärke der verbleibenden Form zwischen den Formmaschinen gleich. Die Gießeinheit des vorherigen Modells bleibt unverändert. Da die neue, aus der Formmaschine kommende Form jedoch dicker oder dünner sein kann, kann sich der Gießstrang in jedem Zyklus unterschiedlich weit vorwärts bewegen – bis zur Wandstärke der neuen Form. Das bedeutet, dass das nahtlose Gießsystem mit jedem Hub der Formmaschine die Gießposition für den nächsten Guss anpassen muss. Nach dem Gießen der vorherigen Formcharge ist die Wandstärke der Form wieder konstant und die Produktion läuft stabil weiter. Wenn die neue Form beispielsweise 150 mm dick ist anstatt der zuvor verwendeten 200 mm, muss sich die Gießvorrichtung bei jedem Hub der Formmaschine um 50 mm zurückbewegen, um die korrekte Gießposition zu erreichen. Damit eine Gießanlage den Gießvorgang vorbereiten kann, sobald die Formsäule stoppt, muss die Steuerung der Abfüllanlage genau wissen, in welche Form gegossen wird und wann und wo sich die Gießvorrichtung im Gießbereich befindet. Mit einem neuen Modell, das dicke Formen herstellt 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 Spritzgießmaschine warten, bis die Abfülleinrichtung das Gießen der beiden 200-mm-Formen abgeschlossen hat, bevor sie mit dem nächsten Hub fortfahren kann. Bei der Herstellung dünner Formen muss die Gießanlage den Gießvorgang im Zyklus komplett überspringen können, während gleichzeitig dicke Formen 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 400-mm-Form im Gießbereich, dass zwei Formen mit 200 mm Durchmesser hergestellt werden müssen. Die für ein integriertes Spritzgießsystem erforderliche Nachverfolgung, Berechnungen und der Datenaustausch, die ein reibungsloses, automatisiertes Gießen ermöglichen, stellten, wie oben beschrieben, viele Anlagenhersteller in der Vergangenheit vor Herausforderungen. Dank moderner Maschinen, digitaler Systeme und bewährter Verfahren lässt sich nahtloses Gießen jedoch schnell und mit minimalem Rüstaufwand realisieren. Die Hauptvoraussetzung ist eine Art Prozessdokumentation, die Informationen über die Position jeder Form in Echtzeit liefert. Das Monitizer®|CIM-System (Computer Integrated Module) von DISA erreicht dieses Ziel, indem es jede hergestellte Form erfasst und ihre Bewegung entlang der Produktionslinie verfolgt. Als Prozesstimer generiert es eine Reihe von zeitgestempelten Datenströmen, die sekündlich die Position jeder Form und ihrer Düse auf der Produktionslinie berechnen. Bei Bedarf tauscht es Daten in Echtzeit mit dem Steuerungssystem der Abfüllanlage und anderen Systemen aus, um eine präzise Synchronisierung zu gewährleisten. Das DISA-System extrahiert wichtige Daten für jede Form aus der CIM-Datenbank, wie z. B. die Formdicke und ob das Gussmaterial befüllbar ist, und sendet diese an das Steuerungssystem der Abfüllanlage. Mithilfe dieser präzisen Daten (die nach dem Extrudieren der Form generiert werden) kann der Gießer die Gießvorrichtung vor Ankunft der Form in die korrekte Position bringen und den Verschlussbolzen öffnen, während sich die Form noch bewegt. Die Form trifft rechtzeitig ein, um das Gusseisen von der Gießanlage aufzunehmen. Dieses optimale Timing ist entscheidend, damit die Schmelze präzise in den Gießbecher gelangt. Die Gießzeit ist ein häufiger Produktivitätsengpass. Durch die präzise zeitliche Abstimmung des Gießbeginns lassen sich die Zykluszeiten um mehrere Zehntelsekunden verkürzen. Das DISA-Formsystem überträgt zudem relevante Daten der Formmaschine, wie z. B. die aktuelle Formgröße und den Einspritzdruck, sowie übergreifende Prozessdaten wie die Kompressibilität des Sandes an Monitizer®|CIM. Monitizer®|CIM empfängt und speichert im Gegenzug qualitätskritische Parameter für jede Form aus der Abfüllanlage, wie z. B. Gießtemperatur, Gießzeit und den Erfolg des Gieß- und Impfprozesses. Dadurch können einzelne Formen als fehlerhaft markiert und vor dem Mischen im Rüttelsystem aussortiert werden. Neben der Automatisierung von Formmaschinen, Formlinien und Gießprozessen bietet Monitizer®|CIM ein Industrie-4.0-konformes Framework für die Datenerfassung, -speicherung, -berichterstattung und -analyse. Die Gießereileitung kann detaillierte Berichte einsehen und Daten bis ins Detail analysieren, um Qualitätsprobleme zu verfolgen und Verbesserungspotenziale zu identifizieren. Ortranders nahtloses Gießverfahren. Die Ortrander Eisenhütte ist eine familiengeführte Gießerei in Deutschland, die sich auf die Herstellung hochwertiger Eisengussteile in mittleren Stückzahlen für Automobilkomponenten, robuste Holzöfen, Infrastrukturprojekte und allgemeine Maschinenbauteile spezialisiert hat. Die Gießerei produziert Grauguss, Sphäroguss und Kompaktgraphitguss und stellt jährlich rund 27.000 Tonnen hochwertige Gussteile her. Der Betrieb läuft im Zweischichtbetrieb an fünf Tagen in der Woche. Ortrander betreibt vier 6-Tonnen-Induktionsschmelzöfen und drei DISA-Formanlagen mit einer Tagesproduktion von rund 100 Tonnen Gussteilen. Darunter fallen auch kurze Produktionsläufe von einer Stunde, für wichtige Kunden mitunter sogar weniger, sodass die Form häufig gewechselt werden muss. Um Qualität und Effizienz zu optimieren, hat Geschäftsführer Bernd H. Williams-Book erhebliche Ressourcen in die Implementierung von Automatisierung und Analytik investiert. Der erste Schritt war die Automatisierung des Schmelz- und Dosierprozesses. Drei bestehende Gießöfen wurden mit dem neuesten pourTECH-System modernisiert, das 3D-Lasertechnologie, Inkubation und Temperaturregelung umfasst. Öfen, Form- und Gießanlagen werden heute digital gesteuert und synchronisiert und arbeiten nahezu vollautomatisch. Beim Modellwechsel der Formmaschine fragt die PourTECH-Gießsteuerung die neuen Formabmessungen beim DISA Monitizer®|CIM-System ab. Anhand der DISA-Daten berechnet die Gießsteuerung die Position des Gießknotens für jeden Guss. Sie erkennt exakt, wann die erste neue Form im Abfüllwerk eintrifft und schaltet automatisch auf die neue Gießsequenz um. Erreicht die Vorrichtung das Ende ihres Hubs, stoppt die DISAMATIC®-Maschine und die Vorrichtung fährt automatisch zurück. Sobald die erste neue Form aus der Maschine entnommen wird, wird der Bediener benachrichtigt und kann die korrekte Position visuell überprüfen. Die Vorteile des nahtlosen Gießens: Traditionelle Handgießverfahren oder weniger komplexe automatisierte Systeme können zu Produktionsausfällen bei Modellwechseln führen, die selbst bei schnellen Formwechseln an einer Formmaschine unvermeidbar sind. Das manuelle Zurücksetzen des Gießers und der Gießformen ist langsamer, erfordert mehr Bedienpersonal und ist fehleranfällig, z. B. bei Gussgraten. Ortrander stellte fest, dass seine Mitarbeiter beim manuellen Abfüllen mit der Zeit ermüdeten, die Konzentration nachließ und Fehler machten, beispielsweise durch Nachlässigkeit. Die nahtlose Integration von Formgebung und Gießen ermöglicht schnellere, gleichmäßigere und qualitativ hochwertigere Prozesse bei gleichzeitiger Reduzierung von Abfall und Ausfallzeiten. Dank der automatischen Abfüllung entfallen bei Ortrander die drei Minuten, die zuvor für die Justierung der Abfüllanlage beim Modellwechsel 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 verbringen die Mitarbeiter von Ortrander nun nur noch etwa 30 Minuten pro Schicht – die Hälfte der Zeit zuvor. Die Qualität wird durch höhere Konsistenz und die Möglichkeit zur kontinuierlichen Prozessoptimierung verbessert. Durch die Einführung des nahtlosen Gießens konnte Ortrander den Abfall um etwa 20 % reduzieren. Neben der Reduzierung der Ausfallzeiten beim Modellwechsel benötigt die gesamte Form- und Gießlinie nur noch zwei statt bisher drei Mitarbeiter. In manchen Schichten können drei Mitarbeiter sogar zwei komplette Produktionslinien bedienen. Die Überwachung ist fast die einzige Aufgabe dieser Mitarbeiter: Abgesehen von der Auswahl des nächsten Modells, der Steuerung der Sandmischungen und dem Transport der Schmelze haben sie kaum manuelle Tätigkeiten. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Bedarf an erfahrenen Mitarbeitern, die schwer zu finden sind. Obwohl die Automatisierung eine gewisse Bedienerschulung erfordert, liefert sie den Mitarbeitern die entscheidenden Prozessinformationen, die sie für fundierte Entscheidungen benötigen. Zukünftig könnten Maschinen sogar alle Entscheidungen treffen. Datennutzen durch nahtloses Gießen: Bei der Prozessoptimierung stellen Gießereien oft fest: „Wir machen immer dasselbe, aber mit unterschiedlichen Ergebnissen.“ Sie gießen also bei gleicher Temperatur und gleichem Füllstand für 10 Sekunden, doch manche Gussteile sind gut, andere schlecht. Durch den Einsatz automatisierter Sensoren, die zeitgestempelte Daten zu jedem Prozessparameter erfassen und die Ergebnisse überwachen, schafft ein integriertes System für nahtloses Gießen eine Kette zusammenhängender Prozessdaten. Dies erleichtert die Identifizierung der Ursachen, wenn die Qualität nachlässt. Treten beispielsweise unerwartete Einschlüsse in einer Charge Bremsscheiben auf, können die Verantwortlichen schnell überprüfen, ob die Parameter innerhalb der zulässigen Grenzen liegen. Da die Steuerungen für die Formmaschine, die Gießanlage und andere Funktionen wie Öfen und Sandmischer zusammenarbeiten, lassen sich die generierten Daten analysieren, um Zusammenhänge im gesamten Prozess zu erkennen – von den Sandeigenschaften bis zur Oberflächenqualität des fertigen Gussteils. Ein Beispiel hierfür ist der Einfluss von Gießstand und Temperatur auf die Formfüllung jedes einzelnen Modells. Die so entstehende Datenbank bildet die Grundlage für den zukünftigen Einsatz automatisierter Analyseverfahren wie maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz (KI) zur Prozessoptimierung. Ortrander erfasst Prozessdaten in Echtzeit über Maschinenschnittstellen, Sensormessungen und Testmuster. Für jeden Formguss werden rund tausend Parameter erfasst. Früher wurde lediglich die Gießzeit aufgezeichnet, nun kennt das System sekündlich den Füllstand der Gießdüse. So kann erfahrenes Personal analysieren, wie sich dieser Parameter auf andere Indikatoren sowie die Endqualität des Gussteils auswirkt. Läuft die Flüssigkeit während des Befüllens der Form aus der Gießdüse ab oder bleibt der Füllstand während des gesamten Befüllvorgangs nahezu konstant? Ortrander produziert jährlich drei bis fünf Millionen Formen und hat eine enorme Datenmenge gesammelt. Zur Überprüfung der Qualität speichert Ortrander zudem mehrere Bilder jedes Gusses in der pourTECH-Datenbank. Die automatische Bewertung dieser Bilder ist ein zukünftiges Ziel. Fazit: Gleichzeitiges automatisiertes Formen und Gießen führt zu schnelleren Prozessen, gleichbleibenderer Qualität und weniger Ausschuss. Dank nahtlosem Gießen und automatischem Modellwechsel arbeitet die Produktionslinie weitgehend autonom und erfordert nur minimalen manuellen Aufwand. Da der Bediener lediglich eine Überwachungsfunktion übernimmt, wird weniger Personal benötigt. Nahtloses Gießen wird heute weltweit eingesetzt und ist für alle modernen Gießereien geeignet. Jede Gießerei benötigt eine individuell angepasste Lösung, doch die Technologie ist bewährt, aktuell von DISA und ihrem Partner pour-tech AB erhältlich und erfordert nur geringen Aufwand. Kundenspezifische Anpassungen sind möglich. Der verstärkte Einsatz von künstlicher Intelligenz und intelligenter Automatisierung in Gießereien befindet sich noch in der Testphase. Mit zunehmender Daten- und Erfahrungssammlung von Gießereien und OEMs in den nächsten zwei bis drei Jahren wird sich der Übergang zur Automatisierung jedoch deutlich beschleunigen. Aktuell ist diese Lösung noch optional. Da Datenanalyse der beste Weg ist, Prozesse zu optimieren und die Rentabilität zu steigern, werden Automatisierung und Datenerfassung zunehmend zum Standard und nicht mehr nur experimentell. Früher waren das Geschäftsmodell und die Erfahrung der Mitarbeiter die größten Stärken einer Gießerei. Heute, da nahtloses Gießen mit verstärkter Automatisierung und Industrie-4.0-Systemen kombiniert wird, entwickeln sich Daten rasant zur dritten Säule des Gießereierfolgs.
—Wir danken pour-tech und Ortrander Eisenhütte herzlich für ihre Anmerkungen während der Erstellung dieses Artikels.
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Veröffentlichungsdatum: 05.10.2023