鋳造工場では、品質向上、廃棄物削減、稼働時間最大化、コスト最小化という長期目標を達成するために、データ駆動型のプロセス自動化をますます導入しています。注湯と成形プロセスの完全統合型デジタル同期（シームレス鋳造）は、ジャストインタイム生産、サイクルタイム短縮、モデル変更頻度の増加といった課題に直面している鋳造工場にとって特に価値があります。シームレスに連携する自動成形・鋳造システムにより、鋳造プロセスは高速化され、より高品質な部品がより安定して生産されます。自動注湯プロセスには、注湯温度の監視、接種材料の供給、各金型の検査が含まれます。これにより、各鋳造品の品質が向上し、不良率が低減されます。この包括的な自動化により、長年の専門経験を持つオペレーターの必要性も減少します。また、作業員の総数が少なくなるため、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、すでに現実のものとなっています。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、手頃な価格の高性能コンピューティングと高度なインダストリー4.0ネットワークセンサーおよび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活用により、ファウンドリはより野心的なプロジェクトを支える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し、これまで独立していた複数のサブプロセスを統合して連携させることができます。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および分析することで、データ駆動型の継続的改善という好循環が生まれます。ファウンドリは、過去のデータを調べてプロセスパラメータとプロセス結果との相関関係を見つけることで、プロセスパラメータを収集および分析できます。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。
シームレス成形の課題 ジャストインタイム生産の傾向により、DISAMATIC® 成形ラインを使用する顧客は、小ロット生産の間でモデルを頻繁に変更する必要が生じる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ると、テンプレートをわずか 1 分で変更できます。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注湯するためにタンディッシュを手動で移動するのに要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ステップを改善する最良の方法です。鋳造はすで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、成形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て、あらゆる動作状況で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金型に注湯しても安全な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。同じ金型の安定した生産プロセスで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。新しい金型が作られるたびに、金型コラムは同じ距離（金型の厚さ）だけ移動します。このようにして、充填ユニットは同じ位置に留まり、生産ラインが停止した後、次の空の金型に充填する準備が整います。砂の圧縮性の変化によって生じる金型の厚さの変化を補正するために、注湯位置をわずかに調整するだけで済みます。最近では、一貫した生産中に注湯位置をより一貫して維持できる新しい成形ライン機能のおかげで、これらの微調整の必要性がさらに軽減されています。各注湯が完了すると、成形ラインは再び1ストローク移動し、次の空の金型を所定の位置に置いて次の注湯を開始します。この間に、充填装置を再充填できます。モデルを変更すると、金型の厚さが変わる可能性があり、複雑な自動化が必要になります。水平砂箱プロセスでは砂箱の高さが固定されていますが、垂直DISAMATIC®プロセスでは、金型の厚さを各モデルセットに必要な正確な厚さに調整して、一定の砂対鉄比を維持し、モデルの高さを考慮に入れることができます。これは最適な鋳造品質と資源利用を確保する上で大きな利点ですが、金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金型の製造を開始しますが、ライン上の充填機は依然として、金型の厚さが異なる可能性のある前のモデルの金型に充填します。これに対処するには、成形ラインと充填プラントが同期したシステムとしてシームレスに動作し、ある厚さの金型を製造し、別の厚さの金型を安全に注湯する必要があります。パターン変更後のシームレス注湯。パターン変更後、成形機間の残りの金型の厚さは同じままです。前のモデルから作られた注湯ユニットは同じままですが、成形機から出てくる新しい金型は厚くなる場合も薄くなる場合もあるため、ストリング全体が各サイクルで異なる距離だけ前進し、新しい金型の厚さまで移動します。つまり、成形機の各ストロークで、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。前のバッチの金型が注湯されると、金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。例えば、新しい金型が、これまで注湯していた厚さ 200 mm の金型ではなく、厚さ 150 mm の金型である場合、注湯装置は、正しい注湯位置になるように、成形機の各ストロークごとに成形機に向かって 50 mm 後退する必要があります。注湯プラントが金型カラムの移動を停止したときに注湯の準備をするためには、充填プラントコントローラは、注湯する金型を正確に把握し、注湯エリアのどこにいつ到着するかを知る必要があります。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ます。たとえば、直径 400 mm の金型を作成し、直径 200 mm の金型に注湯する場合、注湯装置は、作成する金型ごとに成形機から 200 mm 離れている必要があります。ある時点で、400 mm のストロークにより、未充填の直径 200 mm の金型 2 つが注湯可能な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 200 mm の金型への注型を完了するまで待機してから、次のストロークに進む必要があります。または、薄い金型を作成する場合、注型装置は、厚い金型への注型を継続しながら、サイクル内で注型を完全にスキップできる必要があります。たとえば、直径 200 mm の金型を作成し、直径 400 mm の金型に注型する場合、注型エリアに新しい直径 400 mm の金型を配置すると、直径 200 mm の金型を 2 つ作成する必要があります。上記のように、統合された成形および注型システムがトラブルのない自動注型を提供するために必要な追跡、計算、およびデータ交換は、過去に多くの機器サプライヤーにとって課題となっていました。しかし、最新の機械、デジタル システム、およびベスト プラクティスのおかげで、シームレスな注型は最小限のセットアップで迅速に実現できます (そして実際に実現されています)。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、何らかの形式のプロセスの「会計」です。 DISAのMonitizer®|CIM（コンピュータ統合モジュール）システムは、製造された各金型を記録し、生産ライン内での移動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、生産ライン上の各金型とそのノズルの位置を毎秒計算するタイムスタンプ付きデータストリームを生成します。必要に応じて、充填プラント制御システムや他のシステムとリアルタイムでデータを交換して、正確な同期を実現します。DISAシステムは、金型の厚さや注湯可能/不可など、各金型に関する重要なデータをCIMデータベースから抽出し、充填プラント制御システムに送信します。この正確なデータ（金型が押し出された後に生成）を使用することで、注湯担当者は金型が到着する前に注湯アセンブリを正しい位置に移動させ、金型がまだ移動し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。金型は注湯プラント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は非常に重要です。つまり、溶融金属が注湯カップに正確に到達するということです。注湯時間は一般的な生産性のボトルネックであり、注湯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成形システムは、現在の金型サイズや射出圧力などの関連データ、および砂の圧縮性などのより広範なプロセスデータを成形機からMonitizer®|CIMに転送します。Monitizer®|CIMは、注湯温度、注湯時間、注湯および接種プロセスの成功など、充填工場から各金型の品質に重要なパラメータを受信して保存します。これにより、個々の成形品を不良品としてマークし、振とうシステムで混合する前に分離することができます。成形機、成形ライン、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、潜在的な改善を推進できます。オルトランダーのシームレス鋳造体験 オルトランダー アイゼンヒュッテは、自動車部品、大型薪ストーブ、インフラ、および一般機械部品向けの中量・高品質の鋳鉄製品の製造を専門とする、ドイツにある家族経営の鋳造所です。この鋳造所は、ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、コンパクト黒鉛鋳鉄を製造し、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。オルトランダーは、6トン誘導溶解炉4基とDISA成形ライン3基を稼働させ、1日あたり約100トンの鋳物を生産しています。これには、重要な顧客向けに1時間、場合によってはそれ以下の短い生産も含まれるため、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のベルント・H・ウィリアムズ＝ブックは、自動化と分析の導入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、鉄の溶解と供給プロセスを自動化し、3D レーザー技術、インキュベーション、温度制御を含む最新の pourTECH システムを使用して既存の 3 台の鋳造炉をアップグレードすることでした。炉、成形、鋳造ラインは現在デジタル制御され、同期されており、ほぼ完全に自動で動作します。成形機がモデルを変更すると、pourTECH 注ぎコントローラーは DISA Monitizer®|CIM システムに新しい金型の寸法を問い合わせます。DISA データに基づいて、注ぎコントローラーは各注ぎの注ぎノードをどこに配置するかを計算します。充填工場に最初の新しい金型が到着したタイミングを正確に把握し、自動的に新しい注ぎシーケンスに切り替えます。ジグがストロークの終わりに達すると、DISAMATIC® マシンは停止し、ジグは自動的に戻ります。最初の新しい金型がマシンから取り外されると、オペレーターに警告が表示され、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、それほど複雑でない自動化システムでは、モデル変更中に生産時間が失われる可能性があり、これは成形機での迅速な金型変更でも避けられません。注ぎ口と注ぎ型を手動でリセットすると時間がかかり、より多くの作業員が必要となり、フレアなどのエラーが発生しやすくなります。Ortrander では、手作業で瓶詰めすると、従業員が疲れて集中力を失い、怠けるなどのミスを犯すことがわかりました。成形と注ぎ込みをシームレスに統合することで、廃棄物とダウンタイムを削減しながら、より速く、より一貫性があり、より高品質なプロセスが可能になります。Ortrander では、自動充填により、モデル変更時に充填ユニットの位置を調整するために以前は必要だった 3 分が不要になりました。変換プロセス全体には以前は 4.5 分かかっていたと Williams-Book 氏は言います。現在では 2 分未満です。1 シフトあたり 8 ～ 12 のモデルを切り替えることで、Ortrander の従業員は、以前の半分の時間である 1 シフトあたり約 30 分を費やしています。一貫性の向上とプロセスの継続的な最適化により、品質が向上します。Ortrander 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を削減するだけでなく、成形と注ぎ込みのライン全体で、以前の 3 人ではなく 2 人しか必要としません。シフトによっては、3人で2つの完全な生産ラインを操作できます。これらの作業員が行う作業は監視がほとんどで、次のモデルの選択、砂の混合物の管理、溶融物の輸送以外には、手作業はほとんどありません。もう1つの利点は、見つけるのが難しい熟練した従業員の必要性が減ることです。自動化にはオペレーターのトレーニングが必要ですが、適切な意思決定を行うために必要な重要なプロセス情報を提供します。将来的には、機械がすべての決定を行うかもしれません。シームレス鋳造からのデータによる恩恵 プロセスを改善しようとすると、鋳造所はよく「同じことを同じ方法で行っているのに、結果が異なる」と言います。つまり、同じ温度とレベルで10秒間鋳造しても、鋳造品の中には良いものと悪いものがあるということです。自動センサーを追加し、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連鎖を作成し、品質が低下し始めたときに根本原因を特定しやすくします。たとえば、ブレーキディスクのバッチに予期しない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。成形機、鋳造プラント、炉や砂ミキサーなどの他の機能のコントローラーが連携して動作するため、それらが生成するデータを分析して、砂の特性から鋳造品の最終的な表面品質まで、プロセス全体にわたる関係を特定できます。たとえば、注湯レベルと温度が個々のモデルの金型充填にどのように影響するかを調べることができます。結果として得られるデータベースは、機械学習や人工知能（AI）などの自動分析技術を将来的に使用してプロセスを最適化するための基盤にもなります。Ortranderは、機械インターフェース、センサー測定、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。金型鋳造ごとに、約1000のパラメータが収集されます。以前は、各注湯に必要な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が毎秒正確にわかるため、経験豊富な担当者がこのパラメータが他の指標や鋳造品の最終的な品質にどのように影響するかを調べることができます。金型充填中に注湯ノズルから液体が排出されているか、それとも充填中に注湯ノズルがほぼ一定のレベルまで満たされているか。Ortranderは年間300万から500万個の金型を生産しており、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、各注湯の複数の画像を pourTECH データベースに保存しています。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。同時自動成形と注湯により、プロセスが高速化され、品質がより一貫しており、廃棄物が削減されます。スムーズな鋳造と自動パターン変更により、生産ラインは効果的に自律的に動作し、最小限の手作業のみで済みます。オペレーターは監督の役割を果たすため、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、すべての最新の鋳造所に適用できます。各鋳造所は、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 とそのパートナーの pour-tech AB から入手可能で、多くの作業を必要としません。カスタム作業を実行できます。鋳造所での人工知能とインテリジェントオートメーションの使用の増加はまだテスト段階ですが、鋳造所と OEM が今後 2 ～ 3 年でより多くのデータと追加の経験を蓄積するにつれて、自動化への移行は大幅に加速します。このソリューションは現時点ではオプションですが、データインテリジェンスはプロセスの最適化と収益性の向上に最も効果的な方法であるため、自動化とデータ収集の強化は実験的なプロジェクトではなく、標準的な手法になりつつあります。かつて、鋳造工場の最大の強みは、そのモデルと従業員の経験でした。しかし、シームレス鋳造が高度な自動化とインダストリー4.0システムと組み合わさった今、データは鋳造工場の成功を支える第三の柱となりつつあります。
この記事の作成にあたり、pour-tech社とOrtrander Eisenhütte社から貴重なご意見をいただいたことに心より感謝申し上げます。
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投稿日時：2023年10月5日