Hitachi Powdered Metals Capai Pertumbuhan Produksi 400% Melalui Robotika di Pasar Tenaga Kerja Sempit
Metalurgi Bubuk (PM), atau sintering, adalah proses memadatkan campuran kustom bubuk elemen atau alloy dalam cetak prabuatan untuk secara efisien membuat bagian mesin dengan kompleksitas yang bervariasi. Setelah dipadatkan, bentuk-bentuknya dipanaskan dalam pendingin atmosfer terkontrol untuk melekatkan partikel dan mengeras bagian.
Juga dikenal sebagai green compacting, proses ini menghasilkan komponen near-net yang biasanya menggunakan lebih dari 97 persen bahan baku awal dalam bagian akhir. Campuran alloy bubuk kustom memberikan kemampuan untuk menghasilkan bagian kompleks, bahkan rumit yang memenuhi spesifikasi kekuatan dan toleransi yang diperlukan untuk aplikasi yang sangat menuntut.
Pabrik Hitachi Powdered Metal (USA) Inc. di Greensburg, Ind. adalah salah satu dari sembilan fasilitas Hitachi semacam itu di seluruh dunia. Ini spesialisasi dalam memproduksi komponen rangka katup dan transmisi untuk pemasok otomotif tier di AS, dengan kehadiran yang tumbuh di antara produsen sepeda motor dan peralatan lanskap.
Motivasi Awal
Hitachi Powdered Metals (HPM) mulai berinvestasi bertahap dalam robot industri di pabrik Greensburg pada tahun 2005, didorong oleh munculnya pasar tenaga kerja yang semakin sempit dan peluang untuk memproduksi produk yang sangat rapuh.
«Kami mulai dengan robot karena kami memiliki bagian yang harus dibuat untuk pelanggan yang memiliki gigi kecil dan rapuh yang tidak dapat ditangani secara manual, dan pada titik itu semua press pemadatan kami dirawat oleh tangan,» kata Gregory Owens, presiden pabrik HPM Greensburg. «Mengurangi biaya tenaga kerja juga adalah faktor, tetapi segera setelah pemasangan pertama, produsen OEM otomotif besar membuka fasilitas manufaktur di kota, dan masalah biaya tenaga kerja kami beralih menjadi masalah ketersediaan tenaga kerja karena menjadi sangat sulit untuk merekrut dan mempertahankan karyawan.»
Dalam upaya untuk menurunkan biaya dan meminimalkan risiko selama periode percobaan awal, HPM membeli robot ABB S3 bekas tahun 1993 dari CIM Systems Inc. di Noblesville, Ind. yang dekat. James Adams, yang bergabung dengan HPM beberapa tahun sebelumnya sebagai insinyur pengembangan manufaktur, familiar dengan CIM, Value Provider ABB Robotics yang paling lama (yaitu integrator sistem) di AS, dari pekerjaannya dengan robot di majikan sebelumnya.
«CIM memiliki robot bekas yang akan memungkinkan kami untuk memasuki otomatisasi robot dengan perlahan, membatasi risiko awal kami jika saja tidak berjalan sesuai harapan,» kata Adams. «Mereka juga memberikan dukungan yang sangat dibutuhkan dengan pemrograman dan integrasi sistem ke dalam operasi yang ada.»
Scrap yang Dikurangi, Alokasi Tenaga Kerja yang Lebih Baik
Saat bagian metalurgi bubuk keluar dari press, sebelum mereka dikeras dalam oven, mereka mudah hancur bahkan dengan sentuhan terang. Dengan robot yang baru dipasang, yang dilengkapi dengan gripper magnetik listrik untuk menangani bagian, tingkat scrap produk baru turun dari 11 persen saat dirawat secara manual menjadi 0,5 persen.
«Saat bagian ditarik secara manual dari press ada kerusakan penanganan yang signifikan. Bagian mungkin terdeformasi secara tidak terlihat, tetapi Anda tidak akan mengetahuinya sampai keluar dari oven lima jam kemudian. Dengan pemrograman yang tepat dan dilengkapi, robot jauh lebih lembut dalam menangani bagian,» kata Adams.
Sistem baru memungkinkan HPM untuk memindahkan beberapa handler mesin manual ke posisi yang lebih tidak membosankan di pabrik, mengurangi stres tugas repetitif dan mengalokasikan tenaga kerja dengan cara yang lebih efisien.
Produksi Meningkat 400 Persen
Selama tahun berikutnya, HPM menambahkan lima robot S3 bekas lagi, menerapkan apa yang dipelajari dari sistem awal untuk mengotomatisasi press pemadatan lainnya. Setelah 18 bulan, HPM telah menghemat cukup dari scrap dan tenaga kerja untuk berinvestasi dalam robot baru pertamanya.
Cepat ke tahun 2019. Sekarang dengan lebih dari 200 robot yang terpasang, fasilitas Greensburg memiliki jumlah karyawan yang sama seperti 10 tahun yang lalu, tetapi memproduksi empat kali volume, dengan mudah mengirim lebih banyak bagian dengan lebih sedikit orang daripada semua pabrik PM Hitachi global lainnya.
«Setelah robot pertama dipasang untuk bagian rapuh, menjadi sangat jelas bahwa kami sangat dapat memanfaatkan otomatisasi robot yang lebih lanjut,» kata Owens. «Robot melebihi harapan awal kami secara signifikan, dan dengan kekurangan tenaga kerja yang terus kami hadapi, jujur saya percaya robot telah menyelamatkan kami dari kemungkinan tidak ada.»
Dengan keberhasilan robot pertama, tempo pemasangan berikutnya stabil. Membutuhkan sepuluh tahun untuk mencapai 100 robot terpasang, dan kemudian saat bisnis dan ekonomi terus meningkat, hanya empat tahun lagi untuk mencapai robot ke-200 yang baru saja dipasang.
Saat peluang timbul, HPM terus membeli robot ABB bekas dalam kondisi baik, meski lebih dan lebih robot baru ditambahkan ke armada. Faktanya, setiap robot yang ditambahkan sejak #147 pada tahun 2015 adalah baru.
Basis instalasi HPM mencakup berbagai robot enam sumbu kecil dan menengah ABB, satu robot Delta dan beberapa model SCARA yang baru ditambahkan. Bersama dengan 350 karyawan, investasi otomatisasi dimanfaatkan dengan baik, beroperasi tiga shift lima hingga enam hari seminggu.
«Markas korporat kami di Jepang,» kata Adams. «Setelah mereka melihat bagaimana robot berkinerja dan pengembalian investasi yang cepat, mereka sangat mendukung agenda robotik kami.»
Beberapa robot, baik baru maupun bekas, adalah ABB Foundry Prime dari ABB Robotics, Auburn Hills, Mich. Mereka adalah model dengan rating IP67 yang memiliki koneksi yang tertutup dengan baik yang melindungi kerja dalam robot dari debu logam halus dan tepi tajam yang melayang di atmosfer pabrik. Banyak model robot standar dengan rating IP65 di lantai HPM adalah kuat dan telah mampu menahan lingkungan berdebu.
Ekspansi Berlanjut
Proliferasi robot di HPM didukung dengan mereplikasi aplikasi yang ada dan memperluas otomatisasi ke fungsi lain di fasilitas.
Setelah pemasangan robot pertama yang merawat press pemadatan untuk produk paling rapuh, Adams dan timnya secara berurutan mengotomatisasi pengelolaan compact dari press lain. Sebagian dari proses ini adalah menempatkan setiap bagian pada timbangan untuk memverifikasi integritasnya. Setelah diverifikasi, bagian ditempatkan pada konveyor yang mengarah ke oven.
Efisiensi tenaga kerja tambahan dihasilkan, dan, dengan sentuhan yang lembut robot, tingkat scrap bagian yang kurang rapuh turun dari 7 persen menjadi 0,5 persen yang sama dari bagian awal.
Di akhir konveyor bagian ditempatkan pada tarung sinter yang, ketika penuh, ditempatkan dalam pendingin untuk proses pengkerasan. Proses pemuatan pendingin ini menjadi fungsi utama kedua yang diotomatisasi.
Melanjutkan dengan tempo yang terukur, robot kemudian dipasang untuk mengambil bagian dari tarung dan menempatkannya pada palet, sambil memasukkan pembagi antara setiap lapis palet.
«Saat kami lebih familiar dengan robot, kami mengambil apa yang telah kami pelajari dan menduplikasi aplikasi di seluruh fasilitas,» kata Adams. «Pemrograman menjadi jauh lebih mudah, dan pada hari terakhir pemasangan garis kami menyesuaikan program yang ada, copy dan paste dan kami siap dalam beberapa jam.»
RobotStudio, perangkat lunak simulasi dan pemrograman offline ABB, menjadi alat berhitek dalam mempercepat adopsi teknologi robotik HPM yang semakin meningkat. Dibangun pada ABB VirtualController, salinan tepat dari perangkat lunak nyata yang menjalankan robot dalam produksi, RobotStudio melakukan simulasi realistis, menggunakan program robot dan file konfigurasi yang identik dengan yang digunakan di lantai produksi. Dengan RobotStudio, Adams dapat merancang tata letak sel optimal dan memverifikasi kinerjanya sebelum mengintegrasikan robot dalam operasi tertentu.
«Itu adalah perangkat lunak terbaik yang pernah dikembangkan,» kata Adams. «Ini menghemat waktu dan uang baik dalam menciptakan sistem untuk aplikasi baru dan dalam mereplikasi yang telah kami pasang di area lain pabrik.»
Perkenalan Visi
Kesederhanaan relatif dari replikasi hanya ada setelah aplikasi tertentu telah dipasang dan disempurnakan di lantai pabrik. Aplikasi baru sering kali lebih menantang. Setelah 18 bulan dan integrasi yang berhasil dari enam robot merawat press, HPM memiliki kepercayaan untuk mengadopsi teknologi yang didukung visi, yang masih pada tahap awal pada saat itu (2006), untuk mengotomatisasi secara robotik operasi coining, atau repress, yang kompleks.
Setelah bagian keluar dari pendingin mereka sering kali meredam, yang memerlukan mereka untuk ditempatkan dalam press yang mencairkan mereka kembali menjadi lurus atau datar. Banyak bagian memiliki keyway atau gigi yang perlu ditempatkan dalam cetak dengan semua aspek yang tepat. Sebelum kedatangan robot, bagian yang dicairkan ditangani oleh sistem otomatisasi keras yang, dengan banyak variasi produk yang berbeda, memerlukan pergantian yang sering dan memakan waktu. Pergantian begitu lama sehingga backup 250 lot produk, masing-masing dengan sekitar 100 bagian, adalah hal yang umum.
Dengan robot yang didukung visi tidak ada waktu henti. Robot mampu mengidentifikasi bagian dari sekelompok banyak bagian yang berbeda, memilikinya, mengarahkannya secara radial dan menempatkannya secara akurat dalam repress.
Karena sistem visi perlu berinteraksi dengan teknologi robot terbaru, ini adalah robot ABB baru pertama yang dipasang di fasilitas Greensburg. Secepat beroperasi, dua robot baru lagi dibeli untuk aplikasi yang sama.
«Sebelum pemasangan robot stasiun coining, staf repress bekerja setiap hari,» kata Adams. «Enam bulan setelah robot visi pertama dipasang, tidak ada lagi backup dan staf memiliki akhir pekan libur!»
Visi Lebih Lanjut
HPM menggunakan visi lagi di jalan raya dalam salah satu proses utama terakhir yang diotomatisasi, depalletizing bagian yang telah dikirim untuk pemanasan khusus. Meskipun bagian dikirim dengan rapi ditempatkan pada lapis bertingkat di palet, mereka kembali dalam kondisi yang acak-acak dan sulit untuk diunstack. Robot ABB dengan visi terintegrasi mampu menemukan bagian dan memegangnya dengan aman sehingga dapat di-depalletize dengan aman.
«Itu adalah salah satu kemampuan unik robot ABB,» kata Dave Fox, presiden CIM Systems, yang membantu mengintegrasikan berbagai sistem visi. «Bagian benar-benar acak pada skid, tidak dalam baris seragam, dengan beberapa terbalik. Robot enam sumbu typis akan memiliki semua macam masalah singularity, masuk ke posisi di mana tidak dapat lagi bergerak. Tapi robot ABB menggunakan hindir singularity canggih mampu menemukan bagian, memegangnya dan menempatkannya dengan aman pada konveyor tanpa melewatkan satu detik.»
Robot SCARA untuk Inspeksi Kualitas
Tidak mengherankan, pencarian terbaru untuk sistem yang lebih efisien untuk memeriksa panduan katap kembali ke robot, dalam kasus ini sekelompok model ABB SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), yang biasanya digunakan untuk montase bagian kecil dan penanganan material.
Protokol HPM memanggil inspeksi 100 persen semua panduan katap, yang merupakan tugas yang cukup besar dengan berbagai bagian yang harus diuji: 30 variasi ukuran yang berbeda dan 16 titik deteksi untuk setiap bagian. Dengan sistem otomatisasi keras yang ada yang tidak mampu cukup memenuhi volume, Adams mulai mencari sistem yang lebih baik.
Setelah melihat berbagai opsi, semuanya memiliki terlalu banyak bagian bergerak dan memerlukan rekayasa yang kompleks, Fox menyarankan merancang sistem di sekitar robot SCARA, yang ABB tambahkan ke portofolio mereka pada tahun 2016. Mereka tentu cukup cepat, dengan repeatabilitas yang baik, dan memiliki jejak kecil serta bentuk pemasangan yang tidak terhalangi yang cocok dalam ruang sempit.
Sistem yang relatif sederhana dirancang dengan tiga robot SCARA mengambil panduan katap individu dari hopper konveyor dan menyajikannya ke kamera visi dan «komparator» stasioner pada berbagai sudut yang diperlukan untuk mengakses 16 titik deteksi. Bagian yang lolos ditempatkan pada satu konveyor dan yang tidak ditempatkan dalam tangga tolak.
Dengan fleksibilitas untuk menangani setiap variasi bagian yang berbeda dengan kemudahan yang sama, sistem mampu memeriksa satu bagian setiap dua detik, 30 persen lebih cepat dari metode sebelumnya. Karena gerakannya terbatas pada jarak pendek dan bagian sangat ringan, robot enam sumbu tidak akan bekerja seefektif SCARA yang ramping dan jangkauan terbatas.
«SCARA adalah penambahan yang bagus untuk portofolio ABB. Jika tidak karena solusi itu, Hitachi mungkin harus mengejar teknologi lain untuk inspeksi bagian,» kata Fox. «Enak dapat menemukan aplikasi lain untuk robot, meskipun itu bukan opsi pertama yang terpikir.»
CIM Systems Selalu Ada
Salah satu konstanta yang ada di lapangan dari robot pertama yang dipasang di HPM hingga saat ini, baik di latar depan maupun latar belakang, adalah CIM Systems. Selalu tersedia saat dibutuhkan, CIM telah menyiapkan HPM dengan robot baru dan bekas, membantu pemrograman dan troubleshooting, dan mungkin yang terpenting, mengajarkan staf HPM untuk melakukan banyak hal sendiri.
Saat HPM mengintegrasikan robot ke dalam aplikasi baru, dengan visi atau tidak, CIM melakukan setup dan pemrograman, selalu berhati-hati untuk berbagi keahlian mereka, termasuk penggunaan RobotStudio. Durante jeda sesekali dalam timeline akuisisi robot HPM, CIM tersedia untuk memperbarui program, menemukan spare parts yang sulit ditemukan untuk model lama, atau menawarkan saran tentang bekerja dengan robot dari berbagai vintase.
«Saat kami mencapai masing-masing proses yang berbeda, kami menyuruh CIM melakukan integrasi dan pemrograman awal. Setelah kami mulai mereplikasi proses di seluruh pabrik kami telah belajar cukup untuk melakukan banyak hal sendiri,» kata Adams. «Karena hubungan eratnya dengan ABB, Dave Fox selalu tahu kapan teknologi baru akan hadir dan robot mana yang akan optimal untuk aplikasi yang berbeda kami. Dukungan yang kami terima dari CIM Systems dan layanan dari ABB adalah kombinasi yang ideal.»
Dengan hubungan yang berumur panjang ini, tidak mengherankan ketika robot pertama keluar dari garis produksi di fasilitas manufaktur AS ABB di Auburn Hills pada tahun 2017, itu dikomisi oleh CIM di HPM. Robot IRB 2400 yang unik ini dicat merah, putih dan biru di pabrik, dan ditempatkan secara menonjol di fasilitas HPM, melakukan tugas inspeksi dan paletizing.
«Kami senang kami mampu mendapatkan robot buatan Amerika pertama untuk HPM,» katanya. «Ini sangat penting karena pabrik Indiana memiliki otomatisasi paling fleksibel dari banyak fasilitas global HPM.»
Dukungan untuk Fasilitas HPM Lainnya
Manajemen korporat HPM di Jepang memperhatikan perbaikan produktivitas besar yang dicapai tim Greensburg dengan robot, dan pada tahun 2017 menetapkan Adams dan Owens untuk memimpin inisiatif «Global Robotics» untuk mendukung pabrik metalurgi bubuk Hitachi lainnya di seluruh dunia memperluas penggunaan robot mereka.
Program dua tahun telah melewati titik tengah dan perusahaan afilias mulai menyadari perbaikan produktivitas yang signifikan, bahkan dengan biaya tenaga kerja yang lebih rendah di negara lain.
Adams telah menyiapkan Fungsi Pemantauan Jarak Jauh ABB di HPM sehingga dia atau anggota timnya dapat melihat bagaimana robot beroperasi, dan troubleshooting sebagian besar masalah dari mana saja di luar pabrik pada laptop, tablet atau smartphone. Dengan robot yang lebih baru, HPM berharap dapat memanfaatkan Layanan Terkoneksi ABB Ability—penawaran digital terpadu, lintas industri ABB—yang menyediakan data real time tentang status dan kinerja robot dari setiap lokasi.
Rencana Masa Depan
Misi berkelanjutan HPM termasuk meningkatkan operasi mereka dengan otomatisasi robotik.
«Kami berharap untuk tumbuh 10 persen per tahun untuk masa depan yang dapat dilihat, dan kami harus melakukan segala sesuatu yang dapat kami lakukan untuk tetap kompetitif,» kata Owens. «Kami sedang memeriksa bagian transmisi apa yang akan kami buat untuk kendaraan listrik, dan telah menetapkan target untuk menembus segmen non-otomotif seperti peralatan berat, di mana metalurgi bubuk mungkin dapat menggantikan bagian yang terbuat dari material lain dengan biaya yang lebih rendah.»
«Saya pasti mengantisipasi tempo pemasangan robot akan tetap stabil atau bahkan meningkat,» kata Owens.
Untuk informasi tentang Hitachi Powdered Metals (USA) Inc., kunjungi www.hitachi-pm.us atau telepon 812-663-5058. Untuk informasi tentang CIM Systems Inc., kunjungi www.cimrobotics.com atau panggil 317-773-5600. Untuk informasi dari ABB Robotics, kunjungi www.abb.com/robotics atau panggil 248-391-9000.
