自动成型

铸造厂正日益采用数据驱动的流程自动化，以实现更高质量、更少浪费、最大限度延长正常运行时间和最低成本的长期目标。对于面临准时生产、缩短周期时间和更频繁的型号变更等挑战的铸造厂而言，浇注和造型流程的完全集成数字化同步（无缝铸造）尤为重要。通过无缝连接的自动化造型和铸造系统，铸造流程速度更快，零件质量也更稳定地提高。自动化浇注流程包括监控浇注温度、添加孕育剂以及检查每个模具。这提高了每个铸件的质量并降低了废品率。这种全面的自动化还减少了对拥有多年专业经验的操作人员的需求。由于涉及的人员总数减少，操作也更加安全。这并非未来愿景，而是正在发生的现实。铸造自动化和机器人、数据采集和分析等工具历经数十年发展，但随着经济型高性能计算、先进的工业4.0网络传感器和兼容控制系统的发展，近年来进展迅速。如今，解决方案和合作伙伴助力代工厂构建强大而智能的基础设施，以支持更具雄心的项目，并将多个此前独立的子流程整合起来，协调运作。存储和分析这些自动化集成系统收集的流程数据，也为数据驱动的持续改进开启了良性循环。代工厂可以通过分析历史数据来收集和分析流程参数，从而发现参数与流程结果之间的关联。自动化流程随后提供了一个透明的环境，分析中发现的任何改进都可以得到全面、快速的测试、验证，并在可行的情况下付诸实施。
无缝成型面临的挑战：由于即时生产（JIT）的趋势，使用 DISAMATIC® 注塑线的客户经常需要在小批量生产之间频繁更换模具。借助 DISA 的自动换粉器 (APC) 或快速换粉器 (QPC) 等设备，模具更换最快可在 1 分钟内完成。随着高速模具更换的发生，工艺瓶颈往往转移到浇注环节——即在模具更换后手动移动中间包进行浇注所需的时间。无缝浇注是改进浇注工艺这一步骤的最佳途径。尽管浇注通常已经实现了部分自动化，但要实现完全自动化，需要将注塑线的控制系统与浇注设备无缝集成，以确保它们在所有可能的操作情况下都能完全同步运行。为了可靠地实现这一点，浇注单元必须精确地知道下一个模具的浇注位置是否安全，并在必要时调整浇注单元的位置。在同一模具的稳定生产过程中实现高效的自动浇注并不难。每次制作新模具时，模具立柱移动的距离（模具厚度）都相同。这样，灌注单元可以保持在原位，在生产线停止后随时准备灌注下一个空模。只需对浇注位置进行微调，即可补偿因砂型压缩性变化引起的模具厚度变化。由于新型造型线功能使得浇注位置在持续生产过程中保持更加一致，因此最近对这些微调的需求进一步减少。每次浇注完成后，造型线再次移动一个行程，将下一个空模放置到位，开始下一次浇注。在此过程中，可以重新灌注。更换模型时，模具厚度可能会发生变化，这需要复杂的自动化系统。与水平砂箱工艺（砂箱高度固定）不同，垂直 DISAMATIC® 工艺可以根据每组模型的具体需求调整模具厚度，以保持恒定的砂铁比并考虑模型高度。这对于确保最佳铸件质量和资源利用率至关重要，但模具厚度的变化也增加了自动铸造控制的难度。更换模具后，DISAMATIC® 成型机开始生产下一批相同厚度的模具，但生产线上的灌装机仍然灌装上一批模具，而这些模具的厚度可能不同。为了解决这个问题，成型线和灌装车间必须作为一个同步系统无缝运行，既能生产一种厚度的模具，又能安全地灌装另一种厚度的模具。模具更换后，模具之间剩​​余模具的厚度保持不变。由上一批模具制成的灌装单元保持不变，但由于从成型机出来的新模具的厚度可能不同，因此每个循环中整个灌装单元的移动距离可能会有所不同——直至达到新模具的厚度。这意味着，随着成型机的每次冲程，无缝浇铸系统都必须调整浇铸位置，为下一次浇铸做好准备。上一批模具灌装完成后，模具厚度再次保持不变，生产恢复稳定。例如，如果新模具的厚度为 150 毫米，而不是之前仍在浇注的 200 毫米厚模具，则浇注装置必须随着注塑机的每次冲程向注塑机后退 50 毫米，才能到达正确的浇注位置。为了使浇注设备在模具柱停止移动时做好浇注准备，灌装设备控制器必须准确知道要浇注的模具类型，以及模具到达浇注区域的时间和位置。使用一种能够同时生产厚模具和浇注薄模具的新型号，该系统应该能够在一次循环中浇注两个模具。例如，当制造一个直径 400 毫米的模具并浇注一个直径 200 毫米的模具时，浇注装置必须与注塑机保持 200 毫米的距离。在某个时刻，400 毫米的冲程会将两个未灌注的直径 200 毫米的模具推出可能的浇注区域。在这种情况下，注塑机必须等到灌装装置完成两个200毫米模具的浇注后才能进行下一个冲程。或者，在制作薄模具时，浇注装置必须能够在循环中完全跳过薄模具的浇注，同时继续浇注厚模具。例如，当制作一个直径200毫米的模具并浇注一个直径400毫米的模具时，将一个新的直径400毫米的模具放置在浇注区域意味着需要制作两个直径200毫米的模具。如上所述，集成成型和浇注系统实现无故障自动浇注所需的跟踪、计算和数据交换，过去一直给许多设备供应商带来挑战。但得益于现代机器、数字系统和最佳实践，无缝浇注可以（并且已经）在极少设置的情况下快速实现。主要要求是对过程进行某种形式的“记录”，以实时提供有关每个模具位置的信息。 DISA 的 Monitizer®|CIM（计算机集成模块）系统通过记录每个模具的制造过程并跟踪其在生产线上的移动来实现这一目标。作为过程计时器，它生成一系列带有时间戳的数据流，每秒计算生产线上每个模具及其喷嘴的位置。如有必要，它会与灌装厂控制系统和其他系统实时交换数据，以实现精确同步。DISA 系统从 CIM 数据库中提取每个模具的重要数据，例如模具厚度以及是否可以浇注，并将其发送到灌装厂控制系统。利用这些精确数据（在模具挤出后生成），浇注工可以在模具到达之前将浇注组件移动到正确的位置，然后在模具仍在移动时开始打开止动杆。模具能够及时到达，接收来自浇注厂的铁水。这种理想的时间控制至关重要，即熔体能够精确地到达浇注杯。浇注时间是常见的生产效率瓶颈，通过精准控制浇注开始时间，可以将循环时间缩短十分之几秒。DISA 成型系统还能将来自成型机的相关数据（例如当前模具尺寸和注射压力）以及更广泛的工艺数据（例如砂型压缩性）传输到 Monitizer®|CIM。Monitizer®|CIM 则接收并存储来自灌装车间的每个模具的关键质量参数，例如浇注温度、浇注时间以及浇注和孕育过程的成功率。这使得在摇床混合系统混合之前，可以将个别模具标记为不合格并进行分离。除了实现成型机、成型线和铸造的自动化之外，Monitizer®|CIM 还提供符合工业 4.0 标准的框架，用于数据采集、存储、报告和分析。铸造厂管理人员可以查看详细报告并深入挖掘数据，以跟踪质量问题并推动潜在的改进。奥特兰德无缝铸造经验 奥特兰德铸铁厂是一家位于德国的家族企业，专门生产中等批量、高质量的铸铁件，产品应用于汽车零部件、重型燃木炉具、基础设施以及通用机械零件等领域。该铸造厂生产灰铸铁、球墨铸铁和球墨铸铁，年产量约为27,000吨，每周五天，两班倒。奥特兰德拥有四台6吨感应熔炼炉和三条DISA造型线，日产量约为100吨铸件。由于需要为重要客户完成有时甚至更短时间的短周期生产（例如一小时），因此需要频繁更换模具。为了优化质量和效率，首席执行官Bernd H. Williams-Book投入大量资源用于自动化和数据分析。第一步是实现铁水熔炼和配料过程的自动化，使用最新的pourTECH系统升级了三台现有的铸造炉，该系统包含3D激光技术、孵化和温度控制功能。如今，熔炉、造型线和铸造线均采用数字化控制和同步运行，几乎完全自动化。当造型机更换模具时，pourTECH浇注控制器会向DISA Monitizer®|CIM系统查询新模具的尺寸。基于DISA数据，浇注控制器会计算每次浇注的浇注节点位置。它能够精确感知第一个新模具何时到达灌装车间，并自动切换到新的浇注顺序。如果夹具在任何时候到达行程终点，DISAMATIC®机器将停止运行，夹具将自动返回。当第一个新模具从机器上取下时，操作员会收到警报，以便目视检查其是否处于正确位置。无缝铸造的优势在于，传统的手工铸造工艺或较为简单的自动化系统在更换模具时会造成生产时间的损失，即使在造型机上快速更换模具，这种情况也难以避免。手动重置浇注器和浇注模具速度较慢，需要更多操作员，并且容易出现诸如溢料等错误。 Ortrander发现，手工灌装时，员工最终会感到疲惫、注意力不集中，并出现诸如偷懒等错误。模具和浇注的无缝集成实现了更快、更稳定、更高质量的生产流程，同时减少了浪费和停机时间。Ortrander的自动灌装系统省去了之前在更换型号时调整灌装单元位置所需的3分钟时间。Williams-Book先生表示，整个转换过程以前需要4.5分钟，现在不到2分钟。Ortrander的员工现在每班只需更换8到12个型号，每班大约花费30分钟，比以前减少了一半。更高的稳定性以及持续优化流程的能力提升了产品质量。Ortrander通过引入无缝铸造技术，减少了约20%的浪费。除了减少更换型号时的停机时间外，整条模具和浇注生产线现在只需要两个人操作，而以前需要三个人。在某些班次，三个人就可以操作两条完整的生产线。这些工人的工作几乎全部是监控：除了选择下一个型号、管理砂料混合物和运输熔体之外，他们几乎没有其他体力劳动。另一个好处是减少了对经验丰富的员工的需求，而经验丰富的员工往往很难找到。虽然自动化需要对操作员进行一些培训，但它能为人们提供做出正确决策所需的关键工艺信息。未来，机器或许会做出所有决策。无缝铸造带来的数据收益：铸造厂在尝试改进工艺时，常常会说：“我们用同样的方式做同样的事情，但结果却不一样。”例如，他们在相同的温度和液位下铸造10秒钟，但有些铸件质量好，有些则质量差。通过添加自动化传感器，收集每个工艺参数的时间戳数据并监控结果，集成式无缝铸造系统可以创建一条相关的工艺数据链，从而更容易在质量开始下降时识别根本原因。例如，如果一批刹车盘中出现意外夹杂物，管理人员可以快速检查参数是否在可接受的范围内。由于造型机、铸造厂以及熔炉和混砂机等其他设备的控制器协同工作，因此可以分析它们生成的数据，从而识别整个工艺过程中的各种关系，从砂的特性到铸件的最终表面质量。例如，浇注液位和温度如何影响每个模型的模具填充。由此产生的数据库也为未来使用机器学习和人工智能 (AI) 等自动化分析技术来优化工艺奠定了基础。Ortrander 通过机器接口、传感器测量和测试样品实时收集工艺数据。对于每个模具铸件，都会收集大约一千个参数。以前，它只记录每次浇注所需的时间，但现在它可以精确地知道浇注喷嘴每秒的液位，这使得经验丰富的人员能够检查该参数如何影响其他指标以及铸件的最终质量。例如，在模具填充过程中，液体是否会从浇注喷嘴排出？或者在填充过程中，浇注喷嘴的液位是否几乎保持恒定？Ortrander 每年生产三百万到五百万个模具，并收集了海量数据。为了应对质量问题，Ortrander 还将每次浇注的多张图像存储在 pourTECH 数据库中。找到一种自动评估这些图像的方法是我们未来的目标。结论：同步自动化成型和浇注可以加快工艺速度，提高质量一致性，并减少浪费。凭借流畅的铸造工艺和自动换模功能，生产线能够高效自主运行，只需极少的人工干预。由于操作员仅承担监督职责，因此所需人员数量更少。无缝铸造技术现已在全球许多地区得到应用，并可适用于所有现代化铸造厂。每家铸造厂都需要根据自身需求量身定制略有不同的解决方案，但实施该技术的技术已相当成熟，目前可由 DISA 及其合作伙伴 pour-tech AB 提供，且无需太多额外工作。此外，我们还可提供定制服务。人工智能和智能自动化在铸造厂的应用仍处于测试阶段，但随着铸造厂和原始设备制造商 (OEM) 在未来两到三年内积累更多数据和经验，自动化转型将显著加速。尽管目前该解决方案仍为可选方案，但由于数据智能是优化流程和提高盈利能力的最佳途径，因此，更高程度的自动化和数据收集正逐渐成为标准做法，而非实验性项目。过去，​​铸造厂最大的资产是其模式和员工经验。如今，随着无缝铸造技术与更高程度的自动化和工业 4.0 系统相结合，数据正迅速成为铸造厂成功的第三大支柱。
—我们衷心感谢 pour-tech 和 Ortrander Eisenhütte 在本文撰写过程中提供的意见。
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