自動成形

鋳造工場では、品質向上、廃棄物削減、稼働時間の最大化、コスト最小化といった長期目標を達成するため、データ駆動型のプロセス自動化の導入が進んでいます。注湯プロセスと造型プロセスの完全統合デジタル同期（シームレス鋳造）は、ジャストインタイム生産、サイクルタイムの短縮、頻繁なモデル変更といった課題に直面している鋳造工場にとって特に重要です。シームレスに連携する自動造型システムと鋳造システムにより、鋳造プロセスは高速化し、より高品質な部品をより安定的に生産できます。自動注湯プロセスには、注湯温度の監視、接種材の供給、各鋳型の検査が含まれます。これにより、各鋳物の品質が向上し、スクラップ率が低下します。この包括的な自動化により、長年の専門知識を持つオペレーターの必要性も軽減されます。また、作業員数が全体的に減少するため、作業の安全性も向上します。これは未来のビジョンではなく、今まさに実現しています。鋳造自動化やロボット工学、データ収集・分析などのツールは数十年にわたって進化してきましたが、近年では手頃な価格の高性能コンピューティング、高度なインダストリー4.0ネットワークセンサー、そして互換性のある制御システムの開発により、その進歩は加速しています。ソリューションとパートナーの協力により、ファウンドリは、これまで独立していた複数のサブプロセスを統合し、より野心的なプロジェクトをサポートするための堅牢でインテリジェントなインフラストラクチャを構築できるようになりました。これらの自動化された統合システムによって収集されたプロセスデータを保存・分析することで、データ主導の継続的な改善という好循環が実現します。ファウンドリは、履歴データを調べてプロセスパラメータを収集・分析し、それらとプロセス結果の相関関係を見つけることができます。自動化されたプロセスは、分析によって特定された改善点を徹底的かつ迅速にテスト、検証し、可能な場合は実装できる透明性の高い環境を提供します。
シームレス鋳造の課題 ジャストインタイム生産の潮流により、DISAMATIC®造型ラインを使用するお客様は、小ロット生産間で頻繁にモデルを変更しなければならないことがよくあります。DISAの自動粉末交換装置（APC）やクイック粉末交換装置（QPC）などの装置を使用すれば、テンプレートはわずか1分で交換できます。高速パターン変更が発生すると、プロセスのボトルネックは注湯工程、つまりパターン変更後にタンディッシュを手動で移動させて注湯する時間に移る傾向があります。シームレス鋳造は、鋳造プロセスのこの工程を改善する最良の方法です。鋳造は既に部分的に自動化されていることが多いですが、完全自動化には、造型ラインと充填装置の制御システムをシームレスに統合し、あらゆる動作状況において完全に同期して動作する必要があります。これを確実に実現するには、注湯ユニットが次の鋳型を安全に注湯できる場所を正確に把握し、必要に応じて充填ユニットの位置を調整する必要があります。同じ鋳型の安定した生産プロセスにおいて効率的な自動充填を実現することは、それほど難しくありません。新しい鋳型が作られるたびに、鋳型柱は同じ距離（鋳型の厚さ）だけ移動します。これにより、充填ユニットは同じ位置に留まり、生産ラインの停止後も次の空の鋳型への充填準備を整えることができます。砂の圧縮性の変化による鋳型の厚さの変化を補正するために、鋳込み位置をわずかに調整するだけで済みます。こうした微調整の必要性は、安定した生産中に鋳込み位置をより一定に保つことができる新しい造型ライン機能のおかげで、最近さらに軽減されました。各鋳込みが完了すると、造型ラインは再び1ストローク移動し、次の空の鋳型を配置して次の鋳込みを開始します。この間、充填装置への充填は可能です。モデルを変更すると鋳型の厚さが変わる場合があり、複雑な自動化が必要になります。砂箱の高さが固定されている水平型砂箱プロセスとは異なり、垂直型DISAMATIC®プロセスでは、各モデルセットに必要な正確な厚さに砂と鉄の比率を一定に保ち、モデルの高さを考慮して鋳型の厚さを調整できます。これは最適な鋳造品質と資源利用率を確保する上で大きなメリットですが、鋳型の厚さが変化すると、自動鋳造制御がより困難になります。モデル変更後、DISAMATIC®マシンは同じ厚さの次のバッチの鋳型の製造を開始しますが、ライン上の充填機は引き続き以前のモデルの鋳型に充填しますが、その鋳型の厚さは異なる場合があります。これに対処するには、造型ラインと充填プラントが1つの同期システムとしてシームレスに連携し、ある厚さの鋳型を製造し、別の厚さの鋳型を安全に鋳込む必要があります。パターン変更後のシームレスな鋳込。パターン変更後、造型機間の残りの鋳型の厚さは同じままです。以前のモデルで製造された鋳込ユニットは同じですが、造型機から出てくる新しい鋳型は厚くなったり薄くなったりする可能性があるため、ストリング全体が各サイクルで異なる距離を移動して、新しい鋳型の厚さに達する可能性があります。つまり、造型機の各ストロークごとに、シームレス鋳造システムは次の鋳造に備えて鋳造位置を調整する必要があります。前のバッチの鋳型への鋳込が完了すると、鋳型の厚さは再び一定になり、安定した生産が再開されます。たとえば、新しい金型の厚さが、前に注湯中だった 200 mm 厚の金型ではなく 150 mm の場合、正しい注湯位置にするために、注湯装置は、造型機の各ストロークで 50 mm 造型機に向かって後退する必要があります。 鋳型列の動きが停止したときに注湯プラントが注湯の準備をするために、充填プラントのコントローラは、どの金型に注湯するか、いつどこに注湯エリアに到着するかを正確に把握している必要があります。 薄い金型を鋳造しながら厚い金型を製造する新しいモデルを使用すると、システムは 1 サイクルで 2 つの金型を鋳造できるようになります。 たとえば、直径 400 mm の金型を作り、直径 200 mm の金型を注湯する場合、製造される金型ごとに、注湯装置は造型機から 200 mm 離れている必要があります。 ある時点で、400 mm のストロークによって、充填されていない直径 200 mm の金型 2 つが、注湯エリアから押し出されます。この場合、成形機は充填装置が2つの200mm金型への注湯を完了するまで待ってから、次のストロークに移る必要があります。また、薄型金型を製作する場合、注湯者は厚型金型への注湯を継続しながら、サイクル内で注湯工程を完全にスキップできる必要があります。例えば、直径200mmの金型を製作し、直径400mmの金型に注湯する場合、注湯エリアに直径400mmの新しい金型を配置すると、直径200mmの金型を2つ製作する必要が生じます。前述のように、トラブルのない自動注湯を実現するために、成形と注湯を統合したシステムに必要な追跡、計算、データ交換は、これまで多くの機器サプライヤーにとって課題となってきました。しかし、最新の機械、デジタルシステム、そしてベストプラクティスのおかげで、最小限の設定でシームレスな注湯を迅速に実現できるようになりました（そして、実際に実現しています）。主な要件は、各金型の位置に関する情報をリアルタイムで提供する、何らかの形でのプロセスの「アカウンティング」です。 DISAのMonitizer®|CIM（コンピュータ統合モジュール）システムは、製造された各鋳型を記録し、生産ラインにおけるその動きを追跡することで、この目標を達成します。プロセスタイマーとして、このシステムはタイムスタンプ付きのデータストリームを生成し、生産ライン上の各鋳型とそのノズルの位置を毎秒計算します。必要に応じて、充填プラントの制御システムやその他のシステムとリアルタイムでデータを交換することで、正確な同期を実現します。DISAシステムは、鋳型の厚さや鋳型の注入可否など、各鋳型の重要なデータをCIMデータベースから抽出し、充填プラントの制御システムに送信します。この正確なデータ（鋳型が押し出された後に生成される）を使用することで、鋳型が到着する前に鋳型アセンブリを正しい位置に移動し、鋳型がまだ動いている間にストッパーロッドを開き始めることができます。鋳型は、鋳型から鉄を受け取るのに間に合うように到着します。この理想的なタイミング、つまり溶湯が正確に鋳型カップに到達するタイミングが重要です。鋳込み時間は生産性のボトルネックとなることが多く、鋳込み開始のタイミングを完璧に調整することで、サイクルタイムを数十分の1秒短縮できます。DISA造型システムは、現在の鋳型サイズや射出圧力などの造型機からの関連データに加え、砂の圧縮率などのより広範なプロセスデータもMonitizer®|CIMに転送します。Monitizer®|CIMは、鋳込み温度、鋳込み時間、鋳込みおよび接種プロセスの成否など、各鋳型の品質に重要なパラメータを充填プラントから受信し、保存します。これにより、個々の鋳型を不良品としてマークし、振盪システムで混合する前に分離することができます。造型機、造型ライン、鋳造の自動化に加えて、Monitizer®|CIMは、取得、保存、レポート、分析のためのインダストリー4.0準拠のフレームワークを提供します。鋳造工場の管理者は詳細なレポートを表示し、データをドリルダウンして品質問題を追跡し、潜在的な改善策を講じることができます。 Ortrader のシームレスな鋳造エクスペリエンス Ortrader Eisenhütte は、自動車部品、大型薪ストーブやインフラ、一般機械部品向けの中規模の高品質鋳鉄製品の製造を専門とする、ドイツの家族経営の鋳物工場です。この鋳物工場では、ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、圧縮黒鉛鋳鉄を生産しており、週 5 日、2 交代制で年間約 27,000 トンの高品質鋳物を生産しています。Ortrader は 4 基の 6 トン誘導溶解炉と 3 基の DISA 造型ラインを稼働させ、1 日あたり約 100 トンの鋳物を生産しています。これには 1 時間という短い生産時間も含まれており、重要な顧客向けにはそれよりも短い時間で生産することもあるため、テンプレートを頻繁に変更する必要があります。品質と効率を最適化するために、CEO の Bernd H. Williams-Book は、自動化と分析の実装に多大なリソースを投資してきました。最初のステップは、鉄の溶解と注入工程を自動化することでした。3Dレーザー技術、インキュベーション、温度制御機能を備えた最新のpourTECHシステムを使用して、既存の鋳造炉3台をアップグレードしました。炉、造型ライン、鋳造ラインは現在、デジタル制御と同期化が行われ、ほぼ完全に自動で稼働しています。造型機のモデル変更が行われると、pourTECH注湯コントローラーはDISA Monitizer®|CIMシステムに新しい鋳型の寸法を照会します。DISAデータに基づいて、注湯コントローラーは各注湯の注湯ノードの位置を計算します。最初の新しい鋳型が充填プラントに到着する正確な時刻を把握し、新しい注湯シーケンスに自動的に切り替えます。治具がストロークの終端に達すると、DISAMATIC®マシンは停止し、治具は自動的に元の位置に戻ります。最初の新しい鋳型がマシンから取り外されると、オペレーターに警告が発せられ、正しい位置にあることを目視で確認できます。シームレス鋳造の利点 従来の手作業による鋳造プロセスやそれほど複雑ではない自動化システムでは、モデル変更時に生産時間のロスが発生する可能性があります。これは、造型機で迅速に鋳型を交換できたとしても避けられません。注ぎ口と鋳型の手動リセットは時間がかかり、作業員数も増え、フレアなどのミスが発生しやすくなります。オルトランダー社は、手作業で瓶詰めを行うと、従業員が疲労し、集中力が低下し、手抜きなどのミスが発生することに気づきました。成形と注ぎ口のシームレスな統合により、廃棄物とダウンタイムを削減しながら、より迅速で一貫性のある高品質なプロセスが可能になります。オルトランダー社の自動充填システムでは、モデル変更時に充填ユニットの位置調整にこれまで3分かかっていたものが、自動充填によって不要になります。ウィリアムズ＝ブック氏によると、以前は全体の変更プロセスに4.5分かかっていました。現在では2分未満です。1シフトあたり8～12のモデルを変更することで、オルトランダー社の従業員は1シフトあたり約30分しかかからず、これは以前の半分です。品質は、一貫性の向上とプロセスの継続的な最適化によって向上します。オルトランダー社は、シームレス鋳造を導入することで廃棄物を約20%削減しました。モデル変更時のダウンタイム削減に加えて、成形および注ぎ口ライン全体では、以前の3人から2人しか必要ありません。シフトによっては、3人で2つの生産ラインを操作できる場合もあります。これらの作業員の業務はほぼ全て監視業務です。次のモデルの選択、砂の混合管理、溶湯の搬送を除けば、手作業はほとんどありません。もう一つのメリットは、経験豊富な従業員の必要性が減ることです。こうした従業員を見つけるのは容易ではありません。自動化にはオペレーターのトレーニングが必要ですが、適切な意思決定に必要な重要なプロセス情報を従業員に提供します。将来的には、機械がすべての意思決定を行うようになるかもしれません。シームレス鋳造のデータ配当 鋳造工場は、プロセスを改善しようとする際、「同じことを同じ方法で行っているのに、結果が違う」とよく言います。そのため、同じ温度とレベルで10秒間鋳造しますが、良品と不良品が混在します。自動化センサーを追加し、各プロセスパラメータのタイムスタンプ付きデータを収集し、結果を監視することで、統合シームレス鋳造システムは関連するプロセスデータのチェーンを作成し、品質が低下し始めた際に根本原因を特定しやすくします。例えば、ブレーキディスクのバッチに予期せぬ介在物が発生した場合、管理者はパラメータが許容範囲内であることを迅速に確認できます。造型機、鋳造プラント、そして炉や砂撹拌機などの他の機能の制御装置が連携して動作するため、生成されるデータを分析することで、砂の特性から鋳物の最終的な表面品質に至るまで、プロセス全体にわたる関係性を特定することができます。例えば、個々の鋳型において、鋳込みレベルと温度が鋳型の充填にどのように影響するかといったことが挙げられます。得られたデータベースは、機械学習や人工知能（AI）などの自動分析技術を将来的に活用し、プロセスを最適化するための基盤も構築します。Ortranderは、機械インターフェース、センサー計測、テストサンプルを通じてプロセスデータをリアルタイムで収集します。鋳型ごとに約1,000個のパラメータが収集されます。以前は、各鋳込みに要した時間のみを記録していましたが、現在では注湯ノズルのレベルを毎秒正確に把握できるため、経験豊富な担当者は、このパラメータが他の指標や鋳物の最終的な品質にどのように影響するかを検証できます。鋳型への充填中に注湯ノズルから液体が排出されているのか、それとも充填中に注湯ノズルはほぼ一定のレベルまで充填されているのか？Ortranderは年間300万～500万個の鋳型を製造し、膨大な量のデータを収集しています。 Ortranderは、品質問題が発生した場合に備えて、各鋳型の複数の画像をpourTECHデータベースに保存します。これらの画像を自動的に評価する方法を見つけることが、将来の目標です。結論。成形と鋳込みの同時自動化により、プロセスの高速化、品質の安定化、廃棄物の削減が実現します。スムーズな鋳造と自動パターン変更により、生産ラインは最小限の手作業で効果的に自律的に稼働します。オペレーターは監督役を担うため、必要な人員は少なくなります。シームレス鋳造は現在、世界中の多くの場所で使用されており、あらゆる近代的な鋳造工場に適用できます。各鋳造工場は、それぞれのニーズに合わせてわずかに異なるソリューションを必要としますが、それを実装するための技術は十分に実証されており、現在DISAとそのパートナーであるpour-tech ABから提供されており、多くの作業を必要としません。カスタム作業も可能です。鋳造工場における人工知能とインテリジェントオートメーションの利用拡大はまだ試験段階ですが、今後2～3年で鋳造工場とOEMがより多くのデータと経験を蓄積するにつれて、自動化への移行は大幅に加速するでしょう。このソリューションは現在オプションですが、データインテリジェンスこそがプロセスを最適化し、収益性を向上させる最良の方法であるため、自動化の推進とデータ収集は実験的なプロジェクトではなく、標準的な実践になりつつあります。かつて、鋳造所の最大の資産は、そのモデルと従業員の経験でした。現在では、シームレスな鋳造に自動化の推進、そしてインダストリー4.0システムが組み合わさり、データは鋳造所の成功における第3の柱となりつつあります。
—この記事の準備中にコメントをいただいたpour-techとOrtrander Eisenhütteに心から感謝いたします。
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