التشكيل الآلي

تتبنى مصانع الصب بشكل متزايد أتمتة العمليات القائمة على البيانات لتحقيق أهداف طويلة الأجل تتمثل في جودة أعلى، وتقليل الفاقد، وأقصى وقت تشغيل، وأقل التكاليف. يُعد التكامل الرقمي الكامل لعمليات الصب والقولبة (الصب السلس) ذا قيمة خاصة لمصانع الصب التي تواجه تحديات الإنتاج في الوقت المناسب، وتقليل أوقات الدورات، وزيادة وتيرة تغيير النماذج. بفضل أنظمة القولبة والصب الآلية المتصلة بسلاسة، تصبح عملية الصب أسرع، ويتم إنتاج أجزاء عالية الجودة بشكل أكثر اتساقًا. تشمل عملية الصب الآلية مراقبة درجة حرارة الصب، بالإضافة إلى تغذية مادة التلقيح وفحص كل قالب. هذا يُحسّن جودة كل عملية صب ويقلل من نسبة الخردة. كما تُقلل هذه الأتمتة الشاملة من الحاجة إلى مشغلين ذوي خبرة متخصصة لسنوات. وتصبح العمليات أيضًا أكثر أمانًا نظرًا لانخفاض عدد العمال المشاركين بشكل عام. هذه الرؤية ليست رؤية للمستقبل؛ بل هي واقع نعيشه الآن. لقد تطورت أدوات مثل أتمتة مصانع الصب والروبوتات، وجمع البيانات وتحليلها على مدى عقود، ولكن التقدم تسارع مؤخرًا مع تطوير الحوسبة عالية الأداء بأسعار معقولة، وأجهزة الاستشعار الشبكية المتقدمة للصناعة 4.0، وأنظمة التحكم المتوافقة معها. تُمكّن الحلول والشركاء مصانع السبائك من إنشاء بنية تحتية قوية وذكية لدعم مشاريع أكثر طموحًا، حيث تجمع بين عمليات فرعية متعددة كانت مستقلة سابقًا لتنسيق جهودها. كما يُتيح تخزين وتحليل بيانات العمليات التي تجمعها هذه الأنظمة الآلية المتكاملة إمكانية تحقيق دورة مُثمرة من التحسين المستمر القائم على البيانات. تستطيع مصانع السبائك جمع وتحليل معايير العمليات من خلال فحص البيانات التاريخية لإيجاد علاقات بينها وبين نتائج العمليات. بعد ذلك، تُوفر العملية الآلية بيئة شفافة يُمكن من خلالها اختبار أي تحسينات يتم تحديدها من خلال التحليل والتحقق من صحتها وتنفيذها، حيثما أمكن ذلك، بدقة وسرعة.
تحديات التشكيل السلس: نظرًا للتوجه نحو الإنتاج في الوقت المناسب، غالبًا ما يضطر العملاء الذين يستخدمون خطوط التشكيل DISAMATIC® إلى تغيير النماذج بشكل متكرر بين الدفعات الصغيرة. باستخدام معدات مثل مُبدِّل المسحوق الأوتوماتيكي (APC) أو مُبدِّل المسحوق السريع (QPC) من DISA، يمكن تغيير القوالب في دقيقة واحدة فقط. مع حدوث تغييرات سريعة في النماذج، يميل عنق الزجاجة في العملية إلى التحول نحو الصب - الوقت اللازم لتحريك وعاء الصب يدويًا للصب بعد تغيير النموذج. يُعد الصب السلس أفضل طريقة لتحسين هذه الخطوة من عملية الصب. على الرغم من أن الصب غالبًا ما يكون مؤتمتًا جزئيًا بالفعل، إلا أن الأتمتة الكاملة تتطلب تكاملًا سلسًا لأنظمة التحكم في خط التشكيل ومعدات التعبئة بحيث تعمل بشكل متزامن تمامًا في جميع حالات التشغيل الممكنة. لتحقيق ذلك بشكل موثوق، يجب أن تعرف وحدة الصب بالضبط المكان الآمن لصب القالب التالي، وإذا لزم الأمر، تعديل موضع وحدة التعبئة. إن تحقيق تعبئة أوتوماتيكية فعالة في عملية إنتاج مستقرة لنفس القالب ليس بالأمر الصعب. في كل مرة يُصنع فيها قالب جديد، يتحرك عمود القالب نفس المسافة (سُمك القالب). وبهذه الطريقة، تبقى وحدة التعبئة في نفس الموضع، جاهزة لملء القالب الفارغ التالي بعد توقف خط الإنتاج. ولا يتطلب الأمر سوى تعديلات طفيفة على موضع الصب للتعويض عن التغيرات في سُمك القالب الناتجة عن تغيرات انضغاطية الرمل. وقد انخفضت الحاجة إلى هذه التعديلات الدقيقة مؤخرًا بفضل ميزات خط التشكيل الجديدة التي تسمح ببقاء مواضع الصب أكثر اتساقًا أثناء الإنتاج المستمر. بعد اكتمال كل عملية صب، يتحرك خط التشكيل شوطًا واحدًا مرة أخرى، واضعًا القالب الفارغ التالي في مكانه لبدء عملية الصب التالية. وفي الوقت نفسه، يمكن إعادة ملء جهاز التعبئة. عند تغيير النموذج، قد يتغير سُمك القالب، مما يتطلب أتمتة معقدة. على عكس عملية صندوق الرمل الأفقية، حيث يكون ارتفاع صندوق الرمل ثابتًا، يمكن لعملية DISAMATIC® الرأسية ضبط سُمك القالب إلى السُمك المطلوب بدقة لكل مجموعة من النماذج للحفاظ على نسبة ثابتة بين الرمل والحديد ومراعاة ارتفاع النموذج. يُعدّ هذا ميزةً رئيسيةً لضمان جودة صبّ مثالية واستخدام أمثل للموارد، إلا أن اختلاف سماكة القوالب يزيد من صعوبة التحكم الآلي في الصبّ. فبعد تغيير النموذج، تبدأ آلة DISAMATIC® بإنتاج الدفعة التالية من القوالب بنفس السماكة، بينما تستمر آلة التعبئة على الخط في ملء قوالب النموذج السابق، والتي قد تختلف سماكتها. ولمعالجة هذه المشكلة، يجب أن يعمل خط التشكيل ووحدة التعبئة بسلاسة كنظام واحد متزامن، حيث ينتجان قوالب بسماكة معينة ويصبّان قوالب أخرى بأمان. يُتيح الصبّ السلس بعد تغيير النموذج الحفاظ على سماكة القالب المتبقي بين آلات التشكيل. وتبقى وحدة الصبّ المصنوعة من النموذج السابق كما هي، ولكن نظرًا لأن القالب الجديد الخارج من آلة التشكيل قد يكون أكثر أو أقل سماكة، فقد يتقدم الخط بأكمله بمسافات مختلفة في كل دورة - لتصل إلى سماكة الشكل الجديد. وهذا يعني أنه مع كل شوط لآلة التشكيل، يجب على نظام الصبّ السلس تعديل موضع الصبّ استعدادًا للصبّ التالي. بعد صب الدفعة السابقة من القوالب، يصبح سُمك القالب ثابتًا مرة أخرى، ويستأنف الإنتاج بشكل مستقر. على سبيل المثال، إذا كان سُمك القالب الجديد 150 مم بدلًا من 200 مم كما كان في السابق، فيجب أن يتحرك جهاز الصب 50 مم للخلف باتجاه آلة التشكيل مع كل شوط للآلة ليكون في وضع الصب الصحيح. ولكي يستعد مصنع الصب للصب عند توقف عمود القالب عن الحركة، يجب أن يعرف مُتحكم المصنع بدقة القالب الذي سيتم الصب فيه، ومتى وأين سيصل إلى منطقة الصب. باستخدام نموذج جديد يُنتج قوالب سميكة أثناء صب القوالب الرقيقة، يجب أن يكون النظام قادرًا على صب قالبين في دورة واحدة. على سبيل المثال، عند صنع قالب بقطر 400 مم وصب قالب آخر بقطر 200 مم، يجب أن يكون جهاز الصب على بُعد 200 مم من آلة التشكيل لكل قالب يتم صنعه. في مرحلة ما، ستدفع شوط الـ 400 مم قالبين غير مملوءين بقطر 200 مم خارج منطقة الصب المتاحة. في هذه الحالة، يجب على آلة التشكيل الانتظار حتى ينتهي جهاز التعبئة من صب القالبين قبل الانتقال إلى الشوط التالي. أو، عند صنع قوالب رقيقة، يجب أن يكون جهاز الصب قادرًا على تخطي عملية الصب تمامًا في الدورة مع الاستمرار في صب القوالب السميكة. على سبيل المثال، عند صنع قالب بقطر 200 مم وصب قالب بقطر 400 مم، فإن وضع قالب جديد بقطر 400 مم في منطقة الصب يعني أنه يجب صنع قالبين بقطر 200 مم. لقد شكلت عمليات التتبع والحسابات وتبادل البيانات اللازمة لنظام متكامل للتشكيل والصب، لتوفير صب آلي سلس، كما هو موضح أعلاه، تحديات للعديد من موردي المعدات في الماضي. ولكن بفضل الآلات الحديثة والأنظمة الرقمية وأفضل الممارسات، يمكن (وقد تم بالفعل) تحقيق صب سلس بسرعة وبأقل قدر من الإعداد. المتطلب الأساسي هو شكل من أشكال "المحاسبة" للعملية، يوفر معلومات حول موقع كل قالب في الوقت الفعلي. يحقق نظام Monitizer®|CIM (الوحدة المتكاملة بالحاسوب) من DISA هذا الهدف من خلال تسجيل كل قالب يتم تصنيعه وتتبع حركته عبر خط الإنتاج. وبصفته مؤقتًا للعملية، فإنه يُنشئ سلسلة من تدفقات البيانات المُؤرَّخة التي تحسب موضع كل قالب وفوهته على خط الإنتاج كل ثانية. وعند الضرورة، يتبادل البيانات في الوقت الفعلي مع نظام التحكم في مصنع التعبئة والأنظمة الأخرى لتحقيق تزامن دقيق. يستخرج نظام DISA بيانات مهمة لكل قالب من قاعدة بيانات CIM، مثل سُمك القالب وإمكانية/عدم إمكانية صبه، ويرسلها إلى نظام التحكم في مصنع التعبئة. باستخدام هذه البيانات الدقيقة (التي يتم إنشاؤها بعد بثق القالب)، يمكن لآلة الصب تحريك مجموعة الصب إلى الموضع الصحيح قبل وصول القالب، ثم البدء في فتح قضيب السدادة بينما لا يزال القالب يتحرك. يصل القالب في الوقت المناسب لاستلام الحديد من مصنع الصب. يُعدّ التوقيت المثالي بالغ الأهمية، أي وصول المادة المنصهرة إلى كوب الصب بدقة. ويُمثّل وقت الصب عائقًا شائعًا أمام الإنتاجية، ومن خلال ضبط توقيت بدء الصب بدقة متناهية، يُمكن تقليل أوقات الدورة بأجزاء من الثانية. كما ينقل نظام التشكيل DISA البيانات ذات الصلة من آلة التشكيل، مثل حجم القالب الحالي وضغط الحقن، بالإضافة إلى بيانات العملية الأوسع نطاقًا مثل انضغاطية الرمل، إلى نظام Monitizer®|CIM. بدوره، يستقبل نظام Monitizer®|CIM ويخزن معايير الجودة الحرجة لكل قالب من مصنع التعبئة، مثل درجة حرارة الصب ووقته، ونجاح عمليتي الصب والتلقيح. وهذا يسمح بتمييز القوالب المعيبة وفصلها قبل خلطها في نظام الخلط. بالإضافة إلى أتمتة آلات التشكيل وخطوط التشكيل والصب، يوفر نظام Monitizer®|CIM إطار عمل متوافقًا مع معايير الثورة الصناعية الرابعة (Industry 4.0) للاستحواذ والتخزين وإعداد التقارير والتحليل. ويمكن لإدارة المسبك الاطلاع على تقارير مفصلة والتعمق في البيانات لتتبع مشكلات الجودة ودفع التحسينات المحتملة. خبرة أورتاندر في الصب السلس: أورتاندر آيزنهوت هي مسبكة حديدية مملوكة لعائلة في ألمانيا، متخصصة في إنتاج مصبوبات حديدية عالية الجودة بكميات متوسطة لمكونات السيارات، ومواقد الحطب الثقيلة، والبنية التحتية، وقطع غيار الآلات العامة. تنتج المسبكة الحديد الرمادي، والحديد المطاوع، وحديد الجرافيت المضغوط، وتنتج حوالي 27,000 طن من المصبوبات عالية الجودة سنويًا، بنظام ورديتين خمسة أيام في الأسبوع. تشغل أورتاندر أربعة أفران صهر بالحث سعة كل منها 6 أطنان، وثلاثة خطوط قولبة من نوع DISA، تنتج حوالي 100 طن من المصبوبات يوميًا. يشمل ذلك دورات إنتاج قصيرة مدتها ساعة واحدة، وأحيانًا أقل لعملاء مهمين، مما يستلزم تغيير القالب بشكل متكرر. ولتحسين الجودة والكفاءة، استثمر الرئيس التنفيذي بيرند هـ. ويليامز-بوك موارد كبيرة في تطبيق الأتمتة والتحليلات. كانت الخطوة الأولى هي أتمتة عملية صهر الحديد وتوزيعه، وذلك بتحديث ثلاثة أفران صب موجودة باستخدام أحدث نظام pourTECH، الذي يتضمن تقنية الليزر ثلاثية الأبعاد، وتقنية الحضانة، والتحكم في درجة الحرارة. أصبحت الأفران وخطوط التشكيل والصب الآن مُتحكَّمًا بها رقميًا ومتزامنة، وتعمل بشكل شبه آلي بالكامل. عند تغيير طراز آلة التشكيل، يستعلم مُتحكِّم الصب pourTECH من نظام DISA Monitizer®|CIM عن أبعاد القالب الجديد. بناءً على بيانات DISA، يحسب مُتحكِّم الصب مكان وضع عقدة الصب لكل عملية صب. يعرف النظام بدقة متى يصل أول قالب جديد إلى مصنع التعبئة، وينتقل تلقائيًا إلى تسلسل الصب الجديد. إذا وصل قالب التثبيت إلى نهاية شوطه في أي وقت، تتوقف آلة DISAMATIC® ويعود قالب التثبيت تلقائيًا. عند إزالة أول قالب جديد من الآلة، يتم تنبيه المُشغِّل ليتمكن من التحقق بصريًا من أنه في الموضع الصحيح. فوائد الصب السلس: قد تؤدي عمليات الصب اليدوي التقليدية أو الأنظمة الآلية الأقل تعقيدًا إلى ضياع وقت الإنتاج أثناء تغيير النماذج، وهو أمر لا مفر منه حتى مع تغييرات القوالب السريعة على آلة التشكيل. إعادة ضبط آلة الصب وقوالب الصب يدويًا أبطأ، وتتطلب عددًا أكبر من المشغلين، وهي عرضة لأخطاء مثل التوهج. وجد أورتراندر أنه عند التعبئة اليدوية، كان موظفوه يتعبون في النهاية، ويفقدون تركيزهم، ويرتكبون أخطاءً، مثل التراخي. يتيح التكامل السلس بين التشكيل والصب عمليات أسرع وأكثر اتساقًا وأعلى جودة مع تقليل الهدر ووقت التوقف. مع أورتراندر، يلغي التعبئة التلقائية الدقائق الثلاث التي كانت مطلوبة سابقًا لضبط موضع وحدة التعبئة أثناء تغيير النماذج. قال السيد ويليامز-بوك إن عملية التحويل بأكملها كانت تستغرق 4.5 دقائق. أقل من دقيقتين اليوم. من خلال تغيير ما بين 8 و12 نموذجًا في كل وردية، يقضي موظفو أورتراندر الآن حوالي 30 دقيقة في كل وردية، أي نصف الوقت السابق. يتم تحسين الجودة من خلال اتساق أكبر والقدرة على تحسين العمليات باستمرار. خفضت شركة أورتاندر نسبة الهدر بنحو 20% من خلال تطبيق تقنية الصب غير الملحوم. فبالإضافة إلى تقليل وقت التوقف عند تغيير النماذج، لا يتطلب خط التشكيل والصب بأكمله سوى شخصين بدلاً من ثلاثة كما كان سابقاً. وفي بعض الورديات، يمكن لثلاثة أشخاص تشغيل خطي إنتاج كاملين. وتقتصر مهام هؤلاء العمال تقريباً على المراقبة، فباستثناء اختيار النموذج التالي، وإدارة خلطات الرمل، ونقل المعدن المنصهر، لا توجد لديهم سوى مهام يدوية قليلة. ومن الفوائد الأخرى انخفاض الحاجة إلى الموظفين ذوي الخبرة، الذين يصعب إيجادهم. ورغم أن الأتمتة تتطلب بعض التدريب للمشغلين، إلا أنها تزودهم بمعلومات العملية الأساسية التي يحتاجونها لاتخاذ قرارات سليمة. وفي المستقبل، قد تتخذ الآلات جميع القرارات. فوائد البيانات من الصب غير الملحوم: عند محاولة تحسين عملية ما، غالباً ما تقول مصانع الصب: "نقوم بنفس الشيء بنفس الطريقة، ولكن بنتائج مختلفة". لذا فهم يصبون عند نفس درجة الحرارة والمستوى لمدة 10 ثوانٍ، ولكن بعض المسبوكات تكون جيدة وبعضها رديئة. من خلال إضافة أجهزة استشعار آلية، وجمع بيانات موثقة زمنيًا لكل مُعامل من مُعاملات العملية، ومراقبة النتائج، يُنشئ نظام الصب المتكامل السلس سلسلة من بيانات العملية ذات الصلة، مما يُسهّل تحديد الأسباب الجذرية عند بدء تدهور الجودة. على سبيل المثال، إذا ظهرت شوائب غير متوقعة في دفعة من أقراص الفرامل، يُمكن للمديرين التحقق بسرعة من أن المُعاملات ضمن الحدود المقبولة. ولأن وحدات التحكم في آلة التشكيل، ومصنع الصب، ووظائف أخرى مثل الأفران وخلاطات الرمل تعمل بتناغم، يُمكن تحليل البيانات التي تُنتجها لتحديد العلاقات في جميع مراحل العملية، بدءًا من خصائص الرمل وصولًا إلى جودة السطح النهائي للمسبوك. ومن الأمثلة المُمكنة على ذلك كيفية تأثير مستوى الصب ودرجة الحرارة على ملء القالب لكل نموذج على حدة. كما تُرسّخ قاعدة البيانات الناتجة الأساس لاستخدام تقنيات التحليل الآلي في المستقبل، مثل التعلّم الآلي والذكاء الاصطناعي، لتحسين العمليات. يجمع نظام Ortraender بيانات العملية في الوقت الفعلي من خلال واجهات الآلة، وقياسات أجهزة الاستشعار، وعينات الاختبار. ويتم جمع حوالي ألف مُعامل لكل عملية صب. في السابق، كان النظام يسجل فقط الوقت اللازم لكل عملية صب، أما الآن فهو يعرف بدقة مستوى فوهة الصب كل ثانية، مما يسمح للخبراء بفحص تأثير هذا العامل على المؤشرات الأخرى، بالإضافة إلى جودة المسبوكات النهائية. هل يتم تصريف السائل من فوهة الصب أثناء ملء القالب، أم تبقى فوهة الصب ممتلئة إلى مستوى ثابت تقريبًا أثناء الملء؟ تنتج شركة أورتاندر ما بين ثلاثة إلى خمسة ملايين قالب سنويًا، وقد جمعت كمية هائلة من البيانات. كما تخزن أورتاندر صورًا متعددة لكل عملية صب في قاعدة بيانات pourTECH تحسبًا لأي مشاكل تتعلق بالجودة. ويُعد إيجاد طريقة لتقييم هذه الصور تلقائيًا هدفًا مستقبليًا. الخلاصة: يؤدي التشكيل والصب الآليان المتزامنان إلى عمليات أسرع، وجودة أكثر اتساقًا، وهدر أقل. بفضل الصب السلس وتغيير النمط التلقائي، يعمل خط الإنتاج بكفاءة عالية بشكل مستقل، ولا يتطلب سوى الحد الأدنى من الجهد اليدوي. ونظرًا لأن المشغل يقوم بدور إشرافي، فإن عدد الموظفين المطلوبين يقل. يُستخدم الصب غير الملحوم الآن في العديد من الأماكن حول العالم، ويمكن تطبيقه على جميع المسابك الحديثة. سيحتاج كل مصنع صب إلى حلول مختلفة قليلاً مصممة خصيصاً لتلبية احتياجاته، لكن التكنولوجيا اللازمة لتطبيقها مجربة وموثوقة، وهي متوفرة حالياً من شركة DISA وشريكتها pour-tech AB، ولا تتطلب الكثير من العمل. ويمكن تنفيذ أعمال مخصصة. لا يزال استخدام الذكاء الاصطناعي والأتمتة الذكية في مصانع الصب في مرحلة الاختبار، ولكن مع جمع مصانع الصب ومصنعي المعدات الأصلية المزيد من البيانات والخبرات الإضافية خلال العامين أو الثلاثة أعوام القادمة، سيتسارع التحول إلى الأتمتة بشكل ملحوظ. هذا الحل اختياري حالياً، حيث أن ذكاء البيانات هو أفضل طريقة لتحسين العمليات وزيادة الربحية، وأصبحت الأتمتة وجمع البيانات ممارسة معيارية وليست مشروعاً تجريبياً. في الماضي، كانت أهم أصول مصنع الصب هي نموذجه وخبرة موظفيه. أما الآن، ومع دمج الصب غير الملحوم مع الأتمتة المتزايدة وأنظمة الثورة الصناعية الرابعة، أصبحت البيانات بسرعة الركيزة الثالثة لنجاح مصانع الصب.
—نتقدم بجزيل الشكر لشركة pour-tech وشركة Ortraender Eisenhütte على تعليقاتهم أثناء إعداد هذه المقالة.
نعم، أودّ استلام النشرة الإخبارية نصف الشهرية من Foundry-Planet التي تتضمن آخر الأخبار والاختبارات والتقارير حول المنتجات والمواد. بالإضافة إلى نشرات إخبارية خاصة - مع إمكانية إلغاء الاشتراك مجاناً في أي وقت.