Die autonome Gießerei

Gautschi | STEFAN PELECH, Managing Director

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Die autonome Gießerei

Neudefinition von Sicherheit, Effizienz und Leistung im Aluminiumguss

Die Unternehmen der EBNER Group: GNA, Gautschi und HPI vereinen umfassende praktische Erfahrung mit tiefgreifender metallurgischer Kompetenz, um vollständig integrierte Lösungen für den Betrieb von Aluminiumgießereien bereitzustellen. Als Anbieter kompletter Gießereilösungen haben sie gemeinsam ein umfassendes Automatisierungskonzept entwickelt, das sämtliche Prozesse und Anlagen in der Aluminiumgießerei nahtlos miteinander verbindet.

Unterstützt von EBNER Group Digital Solutions nutzt dieser Ansatz modernste und führende Programmiertechnologien, um intelligente, automatisierte Betriebsabläufe zu ermöglichen. Das Ergebnis ist eine intelligentere Gießereiumgebung, die die Sicherheit erhöht, die betriebliche Effizienz steigert und die Einhaltung höchster Umweltstandards unterstützt.

Dieser Artikel stellt das Konzept, seine architektonische Grundlage, neun modulare Anwendungsfälle, die einzeln oder als Teil einer integrierten Roadmap umgesetzt werden können, sowie einen pragmatischen Implementierungspfad für Greenfield-, Brownfield- und Bestandsanlagen vor.

HINTERGRUND

Dieses Modell stößt zunehmend an seine Grenzen. Verschärfte Sicherheitsvorschriften, steigende Energiekosten, eine wachsende Komplexität der Legierungen und ein rückläufiges Angebot an erfahrenen metallurgischen Fachkräften erzeugen weltweit einen steigenden Druck auf Gießereibetreiber. Gleichzeitig haben sich die Technologien zur Bewältigung dieser Herausforderungen, insbesondere Industrial IoT, Machine Learning, Digital Twins und Intelligent Automation, so weit entwickelt, dass ein großflächiger Einsatz nicht länger Vision, sondern Realität ist. Er ist wirtschaftlich tragfähig, in ersten Anwendungen erfolgreich validiert und strategisch notwendig.

Die Autonome Gießerei ist die Anwort auf diese Veränderungen. Sie ist eine umfassende und skalierbare Vision einer Gießerei, die sich selbst überwacht, ihre Leistung eigenständig optimiert und ihre Mitarbeiter schützt, nicht allein durch menschliche Wachsamkeit, sondern durch intelligente Systeme, die kontinuierlich,

VIER GRUNDPRINZIPIEN

Kompromisslose
Sicherheit durch
Automatisierung

In Aluminiumgießereien hat die Sicherheit des Personals höchste Priorität. Jeglicher Kontakt zwischen Mitarbeitern und flüssigem Aluminium muss konsequent vermieden werden. Überall dort, wo flüssiges Metall in offenen Systemen transportiert wird, etwa in Verteilrinnen, Kokillen oder Transportpfannen, müssen sich Bediener außerhalb des Gefahrenbereichs befinden.

Das Konzept der Autonomen Gießerei stellt sicher, dass alle kritischen Prozessabläufe aus sicheren Leitständen fernüberwacht werden. Die Anwesenheit von Personen in gefährlichen Bereichen wird eliminiert, während moderne Automatisierungs- und Überwachungssysteme die vollständige Transparenz und Kontrolle über den Prozess gewährleisten. Die innerbetriebliche Logistik wird durch vernetzte autonome Transportfahrzeuge (ATVs) unterstützt, die in die digitale Steuerungsarchitektur integriert sind. Laserscanner, Schutzfelder, Blue-Spot-Warnprojektionen und kamerabasierte Bewegungserkennung stoppen Fahrzeuge automatisch, sobald Personen in deren Fahrweg gelangen.

Fehlervermeidung
für höhere Produktivität
und gleichbleibende
Qualität

Die Produktivität einer Gießanlage sowie die Qualität ihrer Erzeugnisse hängen maßgeblich von einer konsistenten Prozessausführung über alle Schichten und das gesamte Bedienpersonal hinweg ab. Die Autonome Gießerei reduziert menschliche Fehler durch die Automatisierung von Routinetätigkeiten und Standardentscheidungen und unterstützt zugleich intelligente betriebliche Entscheidungsprozesse.

Durch kontinuierliche Überwachung und intelligente Regelsätze erkennt das System potenzielle Abweichungen frühzeitig oder verhindert sie vollständig. Die Automatisierung bewertet Entscheidungen vor, überwacht Prozessgrenzen und übernimmt wiederkehrende Eingriffe. Dadurch können sich Bediener auf Aufgaben konzentrieren, bei denen menschliche Expertise den größten Mehrwert schafft.

Dokumentation,
Transparenz und
Prozess-
verbesserung

Moderne Gießanlagen sind mit einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren ausgestattet. Die dabei entstehenden Prozessdaten werden erfasst, strukturiert und zur Darstellung wichtiger Betriebskennzahlen wie Energie- und Medienverbrauch genutzt.

In Autonomen Gießereien dienen diese Daten aktiv der Verbesserung. Erweiterte Analysefunktionen werten historische und aktuelle Informationen aus und generieren konkrete Empfehlungen zur Prozessoptimierung. Das System schlägt entweder Parameteränderungen vor oder passt Prozessparameter autonom an, um Leistung und Stabilität zu erhöhen und die Gesamteffizienz der Gießerei kontinuierlich zu verbessern. Das Ergebnis ist ein geschlossener Regelkreis vom Sensor bis zur Maßnahme, bei dem jeder Guss den nächsten verbessert.

Instandhaltung
und Anlagenschutz
durch intelligente
Erkenntnisse

Eine professionelle Instandhaltung ist entscheidend, um Betriebskosten zu senken, die Produktion zu maximieren und die langfristige Zuverlässigkeit von Anlagen sicherzustellen. Die gleichen Prozessdaten, die zur Optimierung genutzt werden, bilden auch die Grundlage für vorausschauende Instandhaltungsstrategien.

Intelligente Algorithmen analysieren kontinuierlich den Zustand kritischer Komponenten wie Ventilatoren, Pumpen oder Antriebe, erkennen frühzeitig Verschleißerscheinungen und lösen zustandsabhängige Inspektionen aus oder erstellen automatisch Instandhaltungsaufträge. Während der Wartungsarbeiten stellen unterstützende Remote-Anwendungen, die über VR-Brillen oder mobile Endgeräte verfügbar sind, Expertenwissen direkt im Sichtfeld des Servicetechnikers bereit. Ein integriertes Ersatzteilmanagement vervollständigt den Ansatz und reduziert das Risiko von Produktionsstillständen aufgrund fehlender Ersatzteile.

DAS DIGITALE FUNDAMENT: EINE SKALIERBARE ARCHITEKTUR

Zur Umsetzung der Autonomen Gießerei als Architektur mit mehreren Anwendungen dient die bewährte EBNER Group Digital Platform als digitales Fundament. Diese skalierbare Lösungsarchitektur basiert auf jahrzehntelanger metallurgischer Erfahrung und modernsten Technologien wie Machine Learning, industrial IoT und Digital-Twin-Simulationen. Sicherheit ist von Anfang an integraler Bestandteil des Designs. Sämtliche Prozessdaten und trainierten Modelle bleiben Eigentum des Betreibers und werden ausschließlich für dessen Anwendungen genutzt.

Der digitale Ansatz bietet messbare Vorteile entlang zweier zentraler Integrationsdimensionen:

1. Horizontale Integration = Digital optimierter Materialfluss
Die nahtlose Kommunikation zwischen Produktionsschritten erfolgt über Industriestandard-Schnittstellen auf SCADA-Ebene (Level 2). Dies ermöglicht einen optimierten Materialfluss, die Integration mit Manufacturing Execution Systems (MES, Level 3) sowie die Einführung schlanker, datengetriebener Arbeitsabläufe in der gesamten Gießerei.

2. Vertikale Integration = Digital optimierte Anlagenperformance
Auf Basis umfassender Ofen- und Prozessexpertise wird ein durchgängiger Datenfluss von Level 1 (PLC) über Level 2 (SCADA) bis hin zu MES-Systemen (Level 3) oder ERP-Lösungen (Level 4) über standardisierte APIs sichergestellt. Dadurch entstehen intelligente Anlagen, die sich an Prozessvariablen wie unterschiedliche Legierungen anpassen können, Industriestandards erfüllen und die Energieeffizienz steigern.

Die Core Digital Suite, bestehend aus der HMI-Bedienoberfläche, der Prozessintelligenzschicht (VISUALFURNACES), dem Rückverfolgbarkeitsmodul (TRACKperfect) und dem Instandhaltungsmodul (MAINTAINperfect), ist in sämtlichen Anlagen von GNA, Gautschi und HPI integriert. Beide Integrationsdimensionen sind offen und herstellerneutral ausgelegt und ermöglichen somit auch die nahtlose Einbindung von Anlagen anderer Hersteller.

„Die Autonome Gießerei ersetzt den Bediener nicht. Es entwickelt die Rolle des Bedieners vom reaktiven Problemlöser zum strategischen Supervisor weiter.“

MODULARE ANWENDUNGSFÄLLE IN DER PRAXIS

Jeder Anwendungsfall kann eigenständig oder als Bestandteil einer integrierten Autonomous-Casthouse-Roadmap umgesetzt werden. Dadurch sind schrittweise Investitionen und schnelle Nutzenpotenziale möglich. Die Anwendungsfälle gliedern sich in drei wesentliche Phasen des Gießprozesses.

VOR DEM GUSS

Einsatzplanung der Chargierung. Die herkömmliche Chargenplanung konzentriert sich auf die Schrottchemie. Tatsächlich wird die optimale Chargenzusammensetzung jedoch ebenso von Rohstoffkosten, Energieeinsatz und erreichbarer Ausbeute bestimmt. Ein intelligentes Chargenplanungsmodul erstellt auf Basis der aktuellen Chemie, Rohstoffpreise, Energieparameter und Ausbeuteziele eine priorisierte Liste von Empfehlungen. Der Schichtleiter prüft die Vorschläge und bestätigt innerhalb weniger Minuten eine datenbasierte Entscheidung. Dadurch sinken die Rohstoffkosten pro Tonne und die Qualität des ersten Gusses verbessert sich.

Automatisierung des Chargiervorgangs.
Heute wird die Entscheidung, wann ein Ofen neu beschickt werden muss, häufig auf Basis einer subjektiven Einschätzung getroffen. Dazu wird die Ofentür geöffnet und die Schmelze visuell beurteilt. An einem guten Tag funktioniert dieser Ansatz. Doch Fehler beim Timing, sei es durch zu frühes oder zu spätes Nachladen, führen zu erhöhter Krätzebildung, Energieverschwendung und geringeren Durchsatzraten. Zudem sind messbare Unterschiede zwischen Tages- und Nachtschichten festzustellen. Ein im Ofen installierter Kamerasensor analysiert kontinuierlich den Zustand der Schmelze. In Kombination mit weiteren Prozessgrößen wie Gasverbrauch, Leistungsaufnahme und Ofentemperaturen wird der optimale Nachladezeitpunkt automatisch bestimmt. Dadurch wird die Subjektivität eliminiert, die Krätzebildung reduziert, die Metallausbeute erhöht und eine gleichbleibende Leistung unabhängig vom Bediener erreicht.

Automatische Dosierung von Legierungsbestandteilen.
Die manuelle Zugabe von Legierungselementen gehört seit jeher zum Alltag: Ein Bediener bringt Sackware zum Ofen, gibt das Material in die Schmelze und wartet auf die Auflösung. Die Genauigkeit hängt dabei vollständig von der ausführenden Person ab. Automatische Dosiersysteme nutzen kalibrierte Vorratsbehälter mit präzisen Austragsmechanismen, um Si, Mn, Cu, Fe und weitere Elemente gemeinsam mit dem chargierten Schrott zuzuführen. Ein elektromagnetischer Rührer am Ofenboden sorgt für eine schnelle Lösung und homogene Verteilung. Bei Öfen mit offenem Seitenbad können Legierungsmaterialien alternativ direkt der Schmelze zugeführt werden, sofern Trocknungs- oder Vorwärmsysteme das Einbringen von Feuchtigkeit verhindern. Das Risiko einer Überlegierung wird reduziert, die Zusammensetzung stabilisiert und Bediener müssen sich für diese Tätigkeit nicht mehr in unmittelbarer Nähe der Schmelze aufhalten.

Feinabstimmung der Legierungszusammensetzung.
Magnesium ist bei Gießtemperaturen hochreaktiv. Selbst eine optimal vorbereitete Schmelze kann aufgrund von Oxidationsverlusten während des Transports durch Rinnen mit einem zu niedrigen Mg-Gehalt am Warmhalteofen ankommen. Über der Rinne installierte Vorrichtungen zum Eintauchen von Magnesiumbarren ermöglichen eine präzise, automatisierte Magnesiumzugabe während des Transfers und kompensieren Oxidationsverluste in Echtzeit. Die Sollzusammensetzung wird in einem einzigen Durchgang erreicht, Nachkorrekturen entfallen und die Produktionseffizienz steigt bereits ab dem ersten Guss.

Automatisierung des Krätzeabziehens.
Das Entfernen von Krätze gehört zu den körperlich belastendsten und gefährlichsten Tätigkeiten in der Gießerei. Bediener führen lange Abziehwerkzeuge über die Oberfläche der Schmelze und arbeiten dabei unter hoher thermischer Belastung sowie oft eingeschränkter Sicht. Automatische Krätzeabziehmaschinen mit integrierten Kameras übernehmen diese Aufgabe ohne Anwesenheit von Personal an der Ofentür. Für manuelle Eingriffe steht weiterhin eine Bedienkabine zur Verfügung. Während einer überwachten Lernphase wird das System auf die spezifische Ofengeometrie und das Krätzeverhalten trainiert. Anschließend arbeitet es selbstständig mit konstant hoher Qualität. Regelmäßige manuelle Reinigungen von Ofenwand und Ofenboden bleiben bestehen, doch die häufige und sicherheitskritische Tätigkeit des Krätzeabziehens wird vollständig automatisiert.

WÄHREND DES GUSSES

Überwachung des Gießstarts.
Vor jedem Guss müssen zahlreiche Prüfungen durchgeführt werden:

Ist die Verteilrinne korrekt positioniert?
Sind die Kokillen ausreichend vorgewärmt?
Stimmen die Kühlwassermengen?
Ist die nachgelagerte Ausrüstung bereit?

Optische und thermische Kamerasysteme in Verbindung mit künstlicher Intelligenz übernehmen diese Überprüfung automatisch. Alle Anlagenteile werden parallel inspiziert, bevor der Materialtransfer oder der Guss freigegeben wird. Das Ergebnis ist eine dokumentierte und auditierbare Bestätigung der Gießbereitschaft, schneller als jede manuelle Checkliste und ohne Risiko durch Ablenkung oder Ermüdung.

100% Hands-Off Casting.
Der Gießstart ist der gefährlichste Moment im gesamten Gießereibetrieb. Traditionell öffnet ein erfahrener Gießer die Dämme manuell, füllt die Rinnen und startet anschließend den Strangförderer. Die vollständige Automatisierung des Gießstarts nutzt Sensoren und automatisierte Dämme, um diese kritische Phase präzise und reproduzierbar auszuführen. Der erfahrene Gießer bleibt Teil des Prozesses, befindet sich jedoch an der Bedienstation statt am Gießschacht. Die risikoreichste Phase des Gießereibetriebs wird aus dem manuellen Arbeitsbereich herausgelöst, ohne die Prozesskontrolle oder das unersetzliche Urteilsvermögen des menschlichen Experten zu beeinträchtigen. Die Automatisierung dieses Prozessschritts erfolgt unter funktionalen Sicherheitsstandards. Das System führt die Sequenz aus, während der Gießer den Start freigibt und jederzeit eingreifen kann. „Hands-Off“ bedeutet physische Distanz zur Gefahrenzone, nicht den Wegfall menschlicher Verantwortung.

NACH DEM GUSS UND KONTINUIERLICHE VERBESSERUNG

Rückverfolgbarkeit für qualifizierte Prozesse.
Kunden aus der Automobil- und Luftfahrtindustrie unterliegen besonders strengen Qualitäts- und Rückverfolgbarkeitsanforderungen. Jeder Guss muss dokumentiert und jede Abweichung nachvollziehbar erfasst werden. Für Halbzeuge, die in diese Branchen geliefert werden, verfolgt die Autonome Gießerei automatisch den gesamten Produktionsprozess, erkennt und dokumentiert Abweichungen in Echtzeit und erstellt vollständige Produktionsberichte ohne manuellen Aufwand. Grundlage dafür bildet TRACKperfect als qualifizierte Prozessdatenebene. Ursachenanalysen, die früher Tage in Anspruch nahmen, können innerhalb weniger Minuten abgeschlossen werden.

Prozessoptimierer.
Jeder erfahrene Gießer verfügt über Jahre aufgebautes Wissen. Dieses implizite Know-how zählt zu den wertvollsten, aber auch verletzlichsten Ressourcen einer Gießerei. Eine Deep-Learning-Engine analysiert sämtliche verfügbaren Prozessdaten über Hunderte oder Tausende Produktionszyklen hinweg, korreliert Parameter, identifiziert Muster, die für Menschen nicht sichtbar sind, und erstellt schrittweise ein Modell für das optimale Verhalten der Gießerei. Zunächst gibt das System Handlungsempfehlungen ab, während Experten die endgültigen Entscheidungen treffen. Mit der Zeit verfeinern diese Entscheidungen die Modelle, sodass ein kontinuierlicher Lernprozess entsteht, der Unternehmenswissen sichert und langfristig selbstständig weiterentwickelt.

IMPLEMENTIERUNGSWEG

Die Einführung von Funktionen der Autonomen Gießerei in Greenfield-, Brownfield- oder bestehenden Gießereianlagen hängt von den jeweiligen Betriebsbedingungen, der vorhandenen Infrastruktur und den strategischen Zielsetzungen ab. Der Aufwand für Programmierung, Inbetriebnahme und Integration zusätzlicher Anwendungsfälle wird durch den vereinbarten Leistungsumfang und die Erwartungen des Betreiberteams bestimmt.

Die Grundlage hierfür ist bereits mit der EBNER Group Digital Platform geschaffen worden. Für die Umsetzung bestehender und zukünftiger Anwendungsfälle in Aluminiumgießereien bestehen praktisch keine Grenzen. Schritt für Schritt kann die digitalisierte Gießerei der Zukunft entstehen, indem die Aluminiumgießkompetenz von GNA, Gautschi und HPI mit der Automatisierungskompetenz von EBNER Group Digital Solutions sowie den Zielen, Ideen und Anforderungen der Gießereibetreiber kombiniert wird.

Die Autonome Gießerei ist kein einzelnes Produkt, das gekauft werden kann, und auch kein Komplettumbau, der über Nacht installiert wird. Es ist eine Architektur und eine Roadmap. Betreiber wählen ihren Einstiegspunkt selbst, beispielsweise ein einzelnes Modul mit hoher Wirkung wie das automatisierte Krätzeabziehen, das 100 % Hands-Off Casting oder ein sicherheitsorientiertes Retrofit des Leitstands, und entwickeln sich von dort aus weiter. Jeder Schritt liefert für sich genommen einen messbaren Nutzen. Jeder Schritt macht den nächsten einfacher.