Les fonderies adoptent de plus en plus l'automatisation des processus basée sur les données pour atteindre leurs objectifs à long terme : meilleure qualité, réduction des déchets, disponibilité maximale et coûts minimaux. La synchronisation numérique entièrement intégrée des processus de coulée et de moulage (coulée sans soudure) est particulièrement précieuse pour les fonderies confrontées aux défis de la production juste-à-temps, de la réduction des temps de cycle et des changements de modèles plus fréquents. Grâce à des systèmes automatisés de moulage et de coulée parfaitement interconnectés, le processus de coulée est plus rapide et des pièces de meilleure qualité sont produites de manière plus constante. Le processus de coulée automatisé comprend la surveillance de la température de coulée, l'alimentation en matériau d'inoculation et le contrôle de chaque moule. Cela améliore la qualité de chaque pièce et réduit le taux de rebut. Cette automatisation complète réduit également le recours à des opérateurs expérimentés. Les opérations sont également plus sûres, car moins de travailleurs sont impliqués. Cette vision n'est pas une vision du futur ; elle est en cours. Des outils tels que l'automatisation et la robotique des fonderies, la collecte et l'analyse de données ont évolué au fil des décennies, mais les progrès se sont récemment accélérés grâce au développement de calculs haute performance abordables, de capteurs en réseau avancés de l'Industrie 4.0 et de systèmes de contrôle compatibles. Les solutions et les partenaires permettent désormais aux fonderies de créer une infrastructure robuste et intelligente pour soutenir des projets plus ambitieux, en rassemblant plusieurs sous-processus auparavant indépendants afin de coordonner leurs efforts. Le stockage et l'analyse des données de processus collectées par ces systèmes automatisés et intégrés ouvrent également la voie à un cercle vertueux d'amélioration continue basée sur les données. Les fonderies peuvent collecter et analyser les paramètres de processus en examinant les données historiques afin d'établir des corrélations entre eux et les résultats du processus. Le processus automatisé offre ensuite un environnement transparent dans lequel les améliorations identifiées par l'analyse peuvent être testées, validées et, si possible, mises en œuvre de manière approfondie et rapide.
Défis du moulage sans soudure. En raison de la tendance à la production juste à temps, les clients utilisant les lignes de moulage DISAMATIC® doivent souvent changer fréquemment de modèle entre les petits lots. Grâce à des équipements tels que le changeur automatique de poudre (APC) ou le changeur rapide de poudre (QPC) de DISA, les modèles peuvent être changés en une minute seulement. Avec les changements de modèle à grande vitesse, le goulot d'étranglement du processus tend à se déplacer vers la coulée : le temps nécessaire pour déplacer manuellement le répartiteur pour couler après un changement de modèle. La coulée sans soudure est la meilleure solution pour améliorer cette étape du processus de coulée. Bien que la coulée soit souvent déjà partiellement automatisée, une automatisation complète nécessite une intégration transparente des systèmes de contrôle de la ligne de moulage et de l'équipement de remplissage afin qu'ils fonctionnent de manière parfaitement synchronisée dans toutes les situations de fonctionnement possibles. Pour y parvenir de manière fiable, l'unité de coulée doit savoir exactement où couler le moule suivant en toute sécurité et, si nécessaire, ajuster la position de l'unité de remplissage. Réaliser un remplissage automatique efficace dans un processus de production stable du même moule n'est pas si difficile. À chaque nouvelle fabrication de moule, la colonne de moulage se déplace de la même distance (épaisseur du moule). Ainsi, l'unité de remplissage reste en position, prête à remplir le moule vide suivant après l'arrêt de la ligne de production. Seuls des ajustements mineurs de la position de coulée sont nécessaires pour compenser les variations d'épaisseur du moule dues aux variations de compressibilité du sable. Ces ajustements précis ont récemment été réduits grâce aux nouvelles fonctionnalités de la ligne de moulage, qui permettent de maintenir des positions de coulée plus constantes pour une production constante. Après chaque coulée, la ligne de moulage effectue un nouveau mouvement, plaçant le moule vide suivant en place pour commencer la coulée suivante. Pendant ce temps, le dispositif de remplissage peut être rempli. Lors d'un changement de modèle, l'épaisseur du moule peut varier, ce qui nécessite une automatisation complexe. Contrairement au procédé horizontal en bac à sable, dont la hauteur est fixe, le procédé vertical DISAMATIC® permet d'ajuster l'épaisseur du moule à l'épaisseur exacte nécessaire à chaque ensemble de modèles afin de maintenir un rapport sable/fer constant et de tenir compte de la hauteur du modèle. Il s'agit d'un avantage majeur pour garantir une qualité de coulée optimale et une utilisation optimale des ressources. Cependant, les variations d'épaisseur des moules compliquent le contrôle automatique de la coulée. Après un changement de modèle, la machine DISAMATIC® commence à produire le lot suivant de moules de même épaisseur, mais la machine de remplissage continue de remplir les moules du modèle précédent, dont l'épaisseur peut être différente. Pour éviter ce problème, la ligne de moulage et l'installation de remplissage doivent fonctionner en parfaite harmonie, comme un système unique et synchronisé, produisant des moules d'une épaisseur donnée et coulant en toute sécurité un autre. Coulée fluide après changement de modèle. Après changement de modèle, l'épaisseur du moule restant entre les machines de moulage reste la même. L'unité de coulée du modèle précédent reste la même, mais comme le nouveau moule sortant de la machine peut être plus ou moins épais, la chaîne entière peut avancer à des distances différentes à chaque cycle, jusqu'à l'épaisseur de la nouvelle forme. Cela signifie qu'à chaque passage de la machine de moulage, le système de coulée fluide doit ajuster la position de coulée en prévision de la coulée suivante. Une fois le lot de moules précédent coulé, l'épaisseur du moule redevient constante et la production stable reprend. Par exemple, si le nouveau moule fait 150 mm d'épaisseur au lieu des 200 mm précédemment coulés, le dispositif de coulée doit reculer de 50 mm vers la machine de moulage à chaque course de celle-ci pour être en position de coulée correcte. Pour qu'une installation de coulée puisse se préparer à couler lorsque la colonne de moulage s'arrête, le contrôleur de l'installation de remplissage doit savoir précisément dans quel moule le produit sera coulé, ainsi que l'heure et le lieu d'arrivée dans la zone de coulée. Grâce à un nouveau modèle produisant des moules épais tout en coulant des moules fins, le système devrait pouvoir couler deux moules en un seul cycle. Par exemple, pour la fabrication d'un moule de 400 mm de diamètre et le coulage d'un moule de 200 mm de diamètre, le dispositif de coulée doit être à 200 mm de la machine de moulage pour chaque moule fabriqué. À un moment donné, la course de 400 mm poussera deux moules de 200 mm de diamètre non remplis hors de la zone de coulée. Dans ce cas, la machine de moulage doit attendre que le dispositif de remplissage ait terminé le coulage des deux moules de 200 mm avant de passer à la phase suivante. Ou, lors de la fabrication de moules fins, le verseur doit pouvoir sauter complètement le coulage tout en continuant à couler des moules épais. Par exemple, lors de la fabrication d'un moule de 200 mm de diamètre et du coulage d'un moule de 400 mm de diamètre, le placement d'un nouveau moule de 400 mm de diamètre dans la zone de coulage implique la fabrication de deux moules de 200 mm de diamètre. Le suivi, les calculs et l'échange de données nécessaires à un système intégré de moulage et de coulage pour assurer un coulage automatisé et sans problème, comme décrit précédemment, ont représenté des défis pour de nombreux fournisseurs d'équipements par le passé. Mais grâce aux machines modernes, aux systèmes numériques et aux meilleures pratiques, un coulage fluide peut être (et a été) réalisé rapidement et sans accroc avec une configuration minimale. La principale exigence est une forme de « comptabilité » du processus, fournissant des informations sur l'emplacement de chaque forme en temps réel. Le système Monitizer®|CIM (Computer Integrated Module) de DISA atteint cet objectif en enregistrant chaque moule fabriqué et en suivant son déplacement sur la ligne de production. Véritable chronomètre, il génère une série de flux de données horodatés qui calculent la position de chaque moule et de sa buse sur la ligne de production à chaque seconde. Si nécessaire, il échange des données en temps réel avec le système de contrôle de l'usine de remplissage et d'autres systèmes pour une synchronisation précise. Le système DISA extrait de la base de données CIM les données importantes pour chaque moule, telles que l'épaisseur du moule et la possibilité de couler ou non, et les transmet au système de contrôle de l'usine de remplissage. Grâce à ces données précises (générées après l'extrusion du moule), le verseur peut positionner correctement l'ensemble de coulée avant l'arrivée du moule, puis commencer à ouvrir la quenouille pendant que le moule est encore en mouvement. Le moule arrive à temps pour recevoir la fonte de l'usine de remplissage. Ce timing idéal est crucial : la fonte atteint le godet de coulée avec précision. Le temps de coulée est un frein fréquent à la productivité. Un démarrage précis permet de réduire les temps de cycle de plusieurs dixièmes de seconde. Le système de moulage DISA transfère également au Monitizer®|CIM les données pertinentes de la machine de moulage, telles que la taille actuelle du moule et la pression d'injection, ainsi que des données de processus plus larges comme la compressibilité du sable. De son côté, le Monitizer®|CIM reçoit et stocke les paramètres critiques pour la qualité de chaque moule provenant de l'usine de remplissage, tels que la température et le temps de coulée, ainsi que la réussite des processus de coulée et d'inoculation. Cela permet de marquer les formes individuelles comme défectueuses et de les séparer avant le mélange dans le système d'agitation. Outre l'automatisation des machines de moulage, des lignes de moulage et de la coulée, le Monitizer®|CIM offre un cadre d'acquisition, de stockage, de reporting et d'analyse conforme aux normes de l'Industrie 4.0. La direction de la fonderie peut consulter des rapports détaillés et explorer les données en profondeur pour suivre les problèmes de qualité et identifier les améliorations potentielles. L'expérience d'Ortrander en matière de moulage sans soudure. Ortrander Eisenhütte est une fonderie familiale allemande spécialisée dans la production de pièces moulées en fonte de moyenne série et de haute qualité pour les composants automobiles, les poêles à bois et infrastructures à usage intensif, ainsi que les pièces de machines générales. La fonderie produit de la fonte grise, de la fonte ductile et de la fonte graphite compactée et produit environ 27 000 tonnes de pièces moulées de haute qualité par an, en deux équipes, cinq jours par semaine. Ortrander exploite quatre fours de fusion à induction de 6 tonnes et trois lignes de moulage DISA, produisant environ 100 tonnes de pièces moulées par jour. Cela comprend des cycles de production courts d'une heure, parfois moins pour des clients importants, ce qui nécessite des changements fréquents de gabarit. Afin d'optimiser la qualité et l'efficacité, le PDG Bernd H. Williams-Book a investi des ressources importantes dans la mise en œuvre de l'automatisation et de l'analyse. La première étape a consisté à automatiser le processus de fusion et de dosage de la fonte, en modernisant trois fours de coulée existants grâce au dernier système pourTECH, qui comprend la technologie laser 3D, l'incubation et le contrôle de la température. Les fours, les lignes de moulage et de coulée sont désormais contrôlés et synchronisés numériquement, fonctionnant presque entièrement automatiquement. Lorsque la machine de moulage change de modèle, le contrôleur de coulée pourTECH interroge le système DISA Monitizer®|CIM pour connaître les nouvelles dimensions du moule. À partir des données DISA, le contrôleur de coulée calcule l'emplacement du nœud de coulée pour chaque coulée. Il sait précisément quand le premier nouveau moule arrive à l'installation de remplissage et passe automatiquement à la nouvelle séquence de coulée. Si le gabarit atteint la fin de sa course, la machine DISAMATIC® s'arrête et le gabarit revient automatiquement. Lorsque le premier nouveau moule est retiré de la machine, l'opérateur est alerté afin qu'il puisse vérifier visuellement sa bonne position. Les avantages de la coulée sans soudure : les procédés de coulée manuels traditionnels ou les systèmes automatisés moins complexes peuvent entraîner des pertes de temps de production lors des changements de modèle, inévitables même avec des changements de moule rapides sur une machine de moulage. La réinitialisation manuelle du verseur et des moules de coulée est plus lente, nécessite plus d'opérateurs et est sujette à des erreurs telles que l'évasement. Ortrander a constaté que l'embouteillage manuel finissait par fatiguer ses employés, les déconcentrait et commettait des erreurs, comme le relâchement. L'intégration harmonieuse du moulage et du coulage permet des processus plus rapides, plus homogènes et de meilleure qualité, tout en réduisant les pertes et les temps d'arrêt. Avec Ortrander, le remplissage automatique élimine les trois minutes auparavant nécessaires pour ajuster la position de l'unité de remplissage lors des changements de modèle. L'ensemble du processus de conversion prenait auparavant 4,5 minutes, a déclaré M. Williams-Book. Moins de deux minutes aujourd'hui. En changeant entre 8 et 12 modèles par équipe, les employés d'Ortrander y consacrent désormais environ 30 minutes, soit deux fois moins qu'auparavant. La qualité est améliorée grâce à une plus grande homogénéité et à la possibilité d'optimiser continuellement les processus. Ortrander a réduit les pertes d'environ 20 % grâce à l'introduction du moulage sans soudure. Outre la réduction des temps d'arrêt lors des changements de modèle, l'ensemble de la ligne de moulage et de coulage ne nécessite que deux personnes au lieu de trois auparavant. Sur certaines équipes, trois personnes peuvent exploiter deux lignes de production complètes. La surveillance représente presque la seule tâche de ces travailleurs : hormis la sélection du prochain modèle, la gestion des mélanges de sable et le transport de la masse fondue, ils effectuent peu de tâches manuelles. Un autre avantage est la réduction du besoin de personnel expérimenté, difficile à trouver. Bien que l'automatisation nécessite une certaine formation des opérateurs, elle fournit aux utilisateurs les informations de processus essentielles dont ils ont besoin pour prendre les bonnes décisions. À l'avenir, les machines pourraient prendre toutes les décisions. Les bénéfices des données de la coulée sans soudure. Lorsqu'elles tentent d'améliorer un procédé, les fonderies disent souvent : « Nous faisons la même chose de la même manière, mais avec des résultats différents. » Elles coulent donc à la même température et au même niveau pendant 10 secondes, mais certaines pièces sont bonnes et d'autres mauvaises. En ajoutant des capteurs automatisés, en collectant des données horodatées sur chaque paramètre du procédé et en surveillant les résultats, un système intégré de coulée sans soudure crée une chaîne de données de processus connexes, facilitant l'identification des causes profondes lorsque la qualité commence à se dégrader. Par exemple, si des inclusions inattendues apparaissent dans un lot de disques de frein, les responsables peuvent rapidement vérifier que les paramètres se situent dans les limites acceptables. Grâce à la coordination des contrôleurs de la machine de moulage, de l'installation de coulée et d'autres fonctions telles que les fours et les malaxeurs de sable, les données générées peuvent être analysées afin d'identifier les relations tout au long du processus, des propriétés du sable à la qualité de surface finale de la pièce. Par exemple, l'influence du niveau de coulée et de la température sur le remplissage du moule pour chaque modèle peut être étudiée. La base de données ainsi obtenue pose également les bases de l'utilisation future de techniques d'analyse automatisées telles que l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle (IA) pour optimiser les processus. Ortrander collecte les données de processus en temps réel via des interfaces machine, des mesures de capteurs et des échantillons d'essai. Pour chaque moulage, environ un millier de paramètres sont collectés. Auparavant, il n'enregistrait que le temps nécessaire à chaque coulée, mais il connaît désormais précisément le niveau de la buse de coulée à chaque seconde, permettant ainsi au personnel expérimenté d'examiner l'impact de ce paramètre sur d'autres indicateurs, ainsi que sur la qualité finale de la pièce. Le liquide est-il évacué de la buse de coulée pendant le remplissage du moule, ou la buse est-elle remplie à un niveau quasi constant pendant le remplissage ? Ortrander produit trois à cinq millions de moules par an et a collecté une quantité considérable de données. Ortrander stocke également plusieurs images de chaque coulée dans la base de données pourTECH en cas de problème de qualité. Trouver un moyen d'évaluer automatiquement ces images est un objectif futur. Conclusion. Le formage et le coulage automatisés simultanés permettent des processus plus rapides, une qualité plus constante et moins de déchets. Grâce à une coulée fluide et au changement automatique de modèle, la ligne de production fonctionne efficacement et de manière autonome, ne nécessitant qu'un minimum d'effort manuel. L'opérateur jouant un rôle de supervision, le personnel est réduit. La coulée sans soudure est désormais utilisée dans de nombreux endroits du monde et peut être appliquée à toutes les fonderies modernes. Chaque fonderie nécessitera une solution légèrement différente, adaptée à ses besoins, mais la technologie pour la mettre en œuvre est éprouvée, actuellement disponible auprès de DISA et de son partenaire pour-tech AB, et ne nécessite pas beaucoup de travail. Des travaux sur mesure peuvent être réalisés. Le recours accru à l'intelligence artificielle et à l'automatisation intelligente dans les fonderies est encore en phase de test, mais à mesure que les fonderies et les équipementiers recueilleront davantage de données et d'expérience au cours des deux à trois prochaines années, la transition vers l'automatisation s'accélérera considérablement. Cette solution est actuellement optionnelle. Cependant, l'intelligence des données étant le meilleur moyen d'optimiser les processus et d'améliorer la rentabilité, l'automatisation et la collecte de données deviennent la norme plutôt qu'un projet expérimental. Autrefois, les atouts majeurs d'une fonderie résidaient dans son modèle et l'expérience de ses employés. Aujourd'hui, avec la coulée sans soudure combinée à une automatisation accrue et aux systèmes de l'Industrie 4.0, les données deviennent rapidement le troisième pilier de la réussite des fonderies.
—Nous remercions sincèrement pour-tech et Ortrander Eisenhütte pour leurs commentaires lors de la préparation de cet article.
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Date de publication : 05/10/2023