Hitachi Powdered Metals realiseert 400% productiegroei door robotica op krappe arbeidsmarkt

Poeder Metallurgie (PM), of sinteren, is het proces van het compacteren van aangepaste mengsels van elementaire of legeringspoeders in voorgefabriceerde matrizes om efficiënt machineonderdelen van variërende complexiteit te maken. Eenmaal gecompacteerd, worden de vormen verwarmd in een gecontroleerde atmosfeeroven om de deeltjes te binden en de onderdelen te verharden.

Ook bekend als groen compacteren, levert het proces near-net componenten op die typisch meer dan 97 procent van de initiële grondstof in het eindproduct gebruiken. Aangepaste poederlegeringsmengsels bieden de mogelijkheid om complexe, zelfs ingewikkelde onderdelen te produceren die voldoen aan de sterkte- en tolerantiespecificaties die vereist zijn voor zeer eisende toepassingen.

De Hitachi Powdered Metal (USA) Inc. fabriek in Greensburg, Ind. is een van negen dergelijke Hitachi-faciliteiten wereldwijd. Het is gespecialiseerd in het produceren van klepsturing- en transmissiecomponenten voor tier-automobielleveranciers in de VS, met een groeiende aanwezigheid bij motorfiets- en tuinmachineliefhebbers.

Initiële Motivatie

Hitachi Powdered Metals (HPM) startte in 2005 een geleidelijke investering in industriële robots op de Greensburg-fabriek, gedreven door het opduiken van een krimpende arbeidsmarkt en de mogelijkheid om een extreem bros product te produceren.

"We begonnen met robots omdat we een onderdeel moesten maken voor een klant dat kleine, brosse tanden had die niet handmatig gehanteerd konden worden, en op dat moment werden al onze compacteringspressen handmatig bediend," zei Gregory Owens, president van de HPM Greensburg-fabriek. "Kostenverlaging was ook een factor, maar kort na de eerste installatie opende een grote automobiel-OEM een productiefaciliteit in de stad, en ons arbeidskostenprobleem ging over in een arbeidsbeschikbaarheidsprobleem aangezien het extreem moeilijk werd om werknemers aan te werven en te behouden."

In een poging om de kosten laag te houden en blootstelling tijdens de initiële proefperiode te minimaliseren, kocht HPM een gebruikte, vintage 1993 ABB S3 robot van CIM Systems Inc. in de buurt van Noblesville, Ind. James Adams, die enkele jaren eerder bij HPM was aangetreden als manufacturing development engineer, was bekend met CIM, de langstbestaande ABB Robotics Value Provider (systemintegrator) in de VS, door zijn werk met robots bij zijn vorige werkgever.

"CIM had een gebruikte robot die ons toeliet om ons in te laten zakken in robotautomatisering, onze initiële blootstelling beperkend voor het geval het niet zou presteren zoals bedoeld," zei Adams. "Ze boden ons ook de nodige ondersteuning bij programmeren en integreren van het systeem in de bestaande operatie."

Verminderd schroot, betere arbeidstoewijzing

Wanneer de poedermetalenonderdelen uit de pers komen, voordat ze in de oven gehard worden, kunnen ze met de lichtste aanraking verkrumelen. Met de nieuw geïnstalleerde robot, met een elektrisch magnetische gripper om het onderdeel te hanteren, daalde het schrootpercentage van het nieuwe product van 11 procent bij handmatige bediening naar 0,5 procent.

"Wanneer de onderdelen handmatig uit de pers getrokken werden, was er aanzienlijke schade door hantering. Het onderdeel kon onmerkbaar vervormd zijn, maar je zou het pas weten als het vijf uur later uit de oven kwam. Goed geprogrammeerd en uitgerust, zijn robots veel zachter in het hanteren van de onderdelen," zei Adams.

Het nieuwe systeem stelde HPM in staat om verschillende handmatige machinebedienders te verplaatsen naar minder monotone posities in de fabriek, de stress van een repetitieve taak te verlagen en de arbeid efficiënter toe te wijzen.

Productie stijgt 400 procent

Over het volgende jaar voegde HPM vijf meer gebruikte S3 robots toe, waarbij ze toepasten wat ze leerden van het initiële systeem om andere compacteringspressen te automatiseren. Na 18 maanden had HPM genoeg bespaard op schroot en arbeid om in de eerste nieuwe robot te investeren.

Spoel vooruit naar 2019. Nu met meer dan 200 geïnstalleerde robots, heeft de Greensburg-faciliteit hetzelfde aantal werknemers als 10 jaar geleden, maar produceert vier keer het volume, en levert gemakkelijk meer onderdelen met minder mensen dan welke van de wereldwijde Hitachi PM-fabrieken.

"Zodra de eerste robot geïnstalleerd was voor het brosse onderdeel, werd het heel duidelijk dat we echt voordeel konden halen uit verdere robotautomatisering," zei Owens. "Robots hebben onze initiële verwachtingen ver overtroffen, en met de arbeidstekorten waarmee we blijven worstelen, eerlijk gezegd geloof ik dat robots ons hebben gered van potentiël niet meer te bestaan."

Met het succes van de eerste robot, was het tempo van opeenvolgende installaties stabiel. Het duurde tien jaar om 100 geïnstalleerde robots te bereiken, en toen, als het bedrijf en de economie bleven verbeteren, nog maar vier jaar om de recent geïnstalleerde 200ste robot te bereiken.

Wanneer de kansen zich voorden, bleef HPM gebruikte ABB robots in goede staat kopen, hoewel steeds meer nieuwe robots aan de vloot werden toegevoegd. Inderdaad, elke robot toegevoegd sinds #147 in 2015 is nieuw.

HPM's installatiebasis omvat een reeks ABB kleine- en middelgrote zes-as robots, één Delta robot en diverse recent toegevoegde SCARA-modellen. Samen met 350 werknemers wordt de automatiseringsinvestering goed benut, draaiende drie shifts vijf tot zes dagen per week.

"Onze corporate hoofdkantoor zit in Japan," zei Adams. "Zodra ze zagen hoe de robots presteerden en de snelle return-on-investment, waren ze zeer ondersteunend voor onze robotagenda."

Sommige van de robots, zowel nieuwe als gebruikte, zijn ABB Foundry Prime van ABB Robotics, Auburn Hills, Mich. Ze zijn IP67-geclassificeerde modellen die goed afgedichte verbindingen hebben die de binnenwerking van de robots beschermen tegen de fijn, scherpe metalen poeders die door de fabriekatmosfeer zweven. De vele standaard, IP65-geclassificeerde robotmodellen op HPM's vloer zijn robuust en hebben de stoffige omgeving kunnen weerstaan.

Voortgezette Expansie

De proliferatie van robots bij HPM werd ondersteund door het repliceren van bestaande toepassingen en het uitbreiden van automatisering naar andere functies in de faciliteit.

Na de installatie van de eerste robot die de compacteringspers voor het brosste product bediende, automatiseerde Adams en zijn team achtereenvolgens de verwijdering van de compacten uit andere pressen. Een deel van dit proces was om elk onderdeel op een weegschaal te plaatsen om de integriteit te verifiëren. Eenmaal geverifieerd, werd het onderdeel op een transportband naar de oven geplaatst.

Extra arbeidsefficiëntie resulteerde, en, met de vleugellichte aanraking van de robot, daalde het schrootpercentage van de minder brosse onderdelen van 7 procent naar dezelfde 0,5 procent van het initiële onderdeel.

Aan het einde van de transportband worden de onderdelen op sinterbakken gelegd die, wanneer vol, in ovens worden geplaatst voor het verhardingsproces. Dit ovenlaadproces werd de tweede grote functie die geautomatiseerd werd.

Voortgaand op een gematigd tempo, werden robots geïnstalleerd om de onderdelen van de bakken te halen en op pallets te plaatsen, terwijl ook scheiders tussen elke palletlaag werden ingevoegd.

"Naarmate we meer vertrouwd raakten met robots, namen we wat we leerden en dupliceerden we toepassingen door de faciliteit heen," zei Adams. "Programmeren werd veel eenvoudiger, en op de laatste dag van lijninstallatie zouden we bestaande programma's aanpassen, kopiëren en plakken en we waren in een paar uur operationeel."

RobotStudio, ABB's offline simulatie- en programmeringssoftware, werd een waardevol hulpmiddel bij het versnellen van HPM's toenemende adoptie van robotische technologie. Gebouwd op de ABB VirtualController, een exacte kopie van de echte software die robots in productie draait, voert RobotStudio realistische simulaties uit, met robotprogramma's en configuratiebestanden identiek aan die op de shopfloor. Met RobotStudio was Adams in staat om de optimale cellayout te ontwerpen en de prestaties te verifiëren voordat de robots in een bepaalde operatie geïntegreerd werden.

"Het is de beste software ooit ontwikkeld," zei Adams. "Het bespaart tijd en geld zowel in het creëren van systemen voor nieuwe toepassingen als in het repliceren van die we al in andere gebieden van de fabriek geïnstalleerd hadden."

Invoering van Visie

De relatieve eenvoud van replicatie bestaat pas na een bepaalde toepassing geïnstalleerd en verfijnd op de shopfloor. Nieuwe toepassingen zijn vaak uitdagender. Na 18 maanden en de succesvolle integratie van zes pers-tending robots, had HPM het vertrouwen om visie-geïnde technologie te adopteren, in de kinderschoenen op dat moment (2006), om de complexe coining, of repress, operatie robotisch te automatiseren.

Nadat onderdelen uit de oven komen, kunnen ze vaak vervormen, wat vereist dat ze in een pers geplaatst worden die ze terug naar strak of plat knipt. Veel onderdelen hebben sleutelgaten of tanden die in de vorm geplaatst moeten worden met alle aspecten precies uitgelijnd. Voor de komst van de robots, werden de onderdelen die gecoint werden behandeld door een hard automatiseringssysteem dat, met veel verschillende productvariaties, frequente, tijdrovende changeovers vereiste. De changeovers waren zo lang dat backlogs van 250 productlots, elk met ongeveer 100 onderdelen, gangbaar waren.

Met de visie-geïnde robot is er geen downtime. De robot kan het onderdeel identificeren uit een groep van veel verschillende onderdelen, het oppikken, radiaal oriënteren en het nauwkeurig in de repress positioneren.

Omdat het visiesysteem moest interfacen met de nieuwste robottechnologie, was dit de eerste nieuwe ABB robot geïnstalleerd in de Greensburg-faciliteit. Spoedig nadat het operationeel was, werden nog twee nieuwe robots gekocht voor dezelfde toepassing.

"Voor de installatie van de coining station robot, werkte het repress-personeel elke dag," zei Adams. "Zes maanden na de installatie van de eerste visie-robot, waren er geen backlogs meer en had het personeel hun weekenden vrij!"

Verder Visie

HPM gebruikte visie opnieuw verderop in de laatste van de grote processen die geautomatiseerd werd, het depalletiseren van onderdelen die uitgezonden waren voor gespecialiseerde warmtebehandeling. Hoewel de onderdelen netjes gepositioneerd op gelaagde pallets verstuurd worden, komen ze in relatieve war terug en zijn ze moeilijk te de-stapelen. Een ABB robot met geïntegreerde visie kan de onderdelen vinden en ze veilig grijpen zodat ze veilig gedepalletiseerd kunnen worden.

"Dat is een van de unieke mogelijkheden van ABB robots," zei Dave Fox, president van CIM Systems, die half hielp de verschillende visiesystemen te integreren. "De onderdelen zijn echt gedisoriënteerd op de skids, niet in uniforme rijen, met sommige omgekeerd. Een typische zes-as robot zou allerhande singulariteitsproblemen hebben, in een positie komen waar het niet meer kan bewegen. Maar de ABB robot met geavanceerde singulariteitvermijding kan de onderdelen vinden, ze grijpen en ze veilig op een transportband plaatsen zonder een beat te missen."

SCARA Robots voor Kwaliteitsinspectie

Niet verrassend, leidde een recent zoektocht naar een efficiënter systeem om klepgeleiders te inspecteren terug naar robots, in dit geval een groep ABB SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) modellen, die typisch gebruikt worden voor kleinonderdeelassemblage en material handling.

HPM-protocol vereist 100 procent inspectie van alle klepgeleiders, wat een aanzienlijke onderneming is gegeven de varieté aan onderdelen die getest moeten worden: 30 verschillende maatvariaties en 16 detectiepunten per onderdeel. Met het heersende hard automatiseringstestsysteem onvoldoende in staat om bij het volume te blijven, begon Adams te zoeken naar een beter systeem.

Na het bekijken van verschillende opties, die allemaal te veel bewegende delen hadden en complexe engineering vereisten, stelde Fox voor om een systeem te ontwerpen rond de SCARA robots, die ABB in 2016 aan zijn portfolio toevoegde. Ze waren zeker snel genoeg, met geweldige herhaalbaarheid, en hadden een kleine voetafdruk en een onbelemmerde montagevorm die in een beperkte ruimte paste.

Een relatief eenvoudig systeem werd ontworpen met drie SCARA robots die individuele klepgeleiders van een hopper-transportband oppikten en presenteerden aan visiecamera's en een stationaire "comparator" bij de verschillende hoeken nodig om de 16 detectiepunten te bereiken. De onderdelen die geslaagd waren, werden op één transportband geplaatst en diegene die niet, in afkeurbakken.

Met de flexibiliteit om elk verschillende onderdeelvariatie met vergelijkbare gemak te hanteren, kan het systeem een onderdeel elke twee seconden inspecteren, 30 procent sneller dan de vorige methode. Aangezien de bewegingen beperkt zijn tot een korte afstand en de onderdelen erg licht zijn, zou een zes-as robot niet zo effectief werken als de slanke, beperkte bereik SCARA.

"De SCARA's zijn een geweldige toevoeging aan het ABB-portfolio. Zonder die oplossing had Hitachi waarschijnlijk een andere technologie voor onderdeelinspectie moeten achtervolgen," zei Fox. "Het was leuk om een andere toepassing voor robots te vinden, zelfs als dat niet de eerste optie was die in gedachten kwam."

CIM Systems Altijd Aanwezig

Eén constant dat op de scène is geweest van de eerste robot geïnstalleerd bij HPM tot de huidige dag, ofwel op de voorgrond of de achtergrond, is CIM Systems. Altijd beschikbaar wanneer nodig, heeft CIM HPM uitgerust met nieuwe en gebruikte robots, geholpen programmeren en troubleshooten, en misschien het belangrijkste, het HPM-personeel geleerd veel dingen zelf te doen.

Wanneer HPM robots integreerde in een nieuwe toepassing, met visie of anders, deed CIM de setup en programmering, altijd bedachtzaam om hun expertise te delen, inclusief gebruik van RobotStudio. Tijdens de occasionele stilte in HPM's robotverwervingstijdlijn, was CIM beschikbaar om programma's bij te werken, moeilijk te vinden reserveonderdelen voor oudere modellen te vinden, of advies te geven over het werken met robots over een reeks vintagejaren.

"Als we elk van de verschillende processen bereikten, lieten we CIM de initiële integratie en programmering doen. Eenmaal begonnen we processen over de fabriek te repliceren, hadden we genoeg geleerd om veel zelf te doen," zei Adams. "Wegens zijn nauwe relatie met ABB, weet Dave Fox altijd wanneer nieuwe technologie aankomt en welke robots optimaal zouden zijn voor onze diverse toepassingen. De ondersteuning die we van CIM Systems kregen en de service van ABB was een ideale combinatie."

Met zo een langdurige relatie, is het geen verrassing dat toen de eerste robot van de band liep bij ABB's Amerikaanse productiefaciliteit in Auburn Hills in 2017, het gecommissioneerd werd door CIM bij HPM. De unieke IRB 2400 robot was op maat rood, wit en blauw geschilderd in de fabriek, en staat prominent op HPM's faciliteit, inspectie- en palletisertaken uitvoerend.

"We zijn enthousiast dat we de eerste Amerikaanse robot voor HPM konden bemachtigen," stelde Fox. "Het is vooral significant omdat de Indiana-fabriek de meest flexibele automatisering heeft van HPM's vele wereldwijde faciliteiten."

Ondersteuning van Andere HPM-faciliteiten

HPM's corporate management in Japan nam de grote productiviteitsverbeteringen waar het Greensburg-team met robots behaalde, en wijst in 2017 Adams en Owens aan om een "Global Robotics" initiatief te leiden om de andere Hitachi poedermetaalfabrieken over de wereld te ondersteunen hun robotgebruik uit te breiden.

Het tweejarige programma is voorbij het middenpunt en de geaffilieerde bedrijven beginnen significante productiviteitsverbeteringen te realiseren, zelfs met de lagere arbeidskosten in de andere landen.

Adams heeft ABB's Remote Monitoring functie bij HPM opgezet zodat hij of leden van zijn team kunnen zien hoe robots opereren, en de meeste issues van buitenaf de fabriek op een laptop, tablet of smartphone kunnen troubleshooten. Met de nieuwere robots hoopt HPM te profiteren van ABB Ability Connected Services – ABB's geünificeerde, cross-industry, digitale aanbod – wat real-time data over robotstatus en prestaties van elke locatie biedt.

Toekomstplannen

HPM's lopende missie omvat het verbeteren van zijn operaties met robotautomatisering.

"We verwachten 10 procent per jaar te groeien voor de voorzienbare toekomst, en we moeten doen wat we kunnen om competitief te blijven," zei Owens. "We kijken naar welke transmissieonderdelen we voor elektrische voertuigen kunnen maken, en hebben onze zichten gericht op het penetreren van niet-automobilesectoren zoals zware apparatuur, waar poedermetaal onderdelen van andere materialen kan vervangen tegen lagere kosten."

"Ik verwijs zeker dat het tempo van robotinstallaties stabiel zal blijven of zelfs zal toenemen," zei Owens.

Voor informatie over Hitachi Powdered Metals (USA) Inc., bezoek www.hitachi-pm.us of bel 812-663-5058. Voor informatie over CIM Systems Inc., bezoek www.cimrobotics.com of bel 317-773-5600. Voor informatie van ABB Robotics, bezoek www.abb.com/robotics of bel 248-391-9000.