Development and verification of an automated pipe profiling machine with Industry 4.0 configurator

ABSTRACT: An innovative modular machine for centrifugal forming of steel pipe ends (Ø155-450 mm) was presented, developed within a research and development project supported by European Funds. The limitations of existing technologies were eliminated: long welding time (18-30 min/unit), coating damage, or high capital requirements (>€500,000). The designed machine with interchangeable tooling elements and Industry 4.0 configurator utilizes hydraulic actuators (Ø160/100 mm) and optimized mandrel angle (12°). The EXSO configurator provides automatic parameterization, 3D visualization, and MES/ERP integration, reducing fulfillment time by 60-75% and changeover to <5 min. The prototype achieved TRL 9. Experimental verification revealed significant influence of input material imperfections (cutting deviations ±2-4°, ovalization 3 mm) on flange geometry. Achieved parameters: tolerance ±0.8-1.2 mm, cycle 4.5-7.5 min/unit, coating preservation 95-98%. The solution ensures production flexibility at capital costs 75% lower than imported technologies.

KEYWORDS: centrifugal forming, modular design, steel pipe ends, TRL 9, configurator system, control automation

STRESZCZENIE: Przedstawiono innowacyjną modułową maszynę do kształtowania odśrodkowego zakończenia rur stalowych (Ø155–450 mm), opracowaną w ramach projektu badawczo-rozwojowego przy wsparciu Funduszy Europejskich. Eliminowano ograniczenia istniejących technologii: długi czas spawania (18–30 min/szt.), uszkodzenie powłok lub wysokie nakłady (> 500 000 EUR). Zaprojektowana maszyna z wymiennymi elementami narzędziowymi oraz konfiguratorem Industry 4.0 wykorzystuje siłowniki hydrauliczne (Ø160/100 mm) i zoptymalizowany kąt trzpienia (12°). Konfigurator EXSO zapewnia automatyczną parametryzację, wizualizację 3D i integrację z MES/ERP, redukując czas realizacji o 60–75% i przedstawienia do < 5 min. Prototyp osiągnął TRL 9. Weryfikacja eksperymentalna wykazała istotny wpływ niedoskonałości materiału wejściowego (odchyłki cięcia ±2–4°, owalizacja 3 mm) na geometrię felca. Osiągnięte parametry: tolerancja ±0,8–1,2 mm, cykl 4,5–7,5 min/szt., zachowanie powłok 95–98%. Rozwiązanie zapewnia elastyczność produkcyjną przy nakładach o 75% niższych niż technologie importowane.

SŁOWA KLUCZOWE: kształtowanie odśrodkowe, modułowa konstrukcja, zakończenia rur stalowych, TRL 9, system konfiguratora, automatyzacja sterowania

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

[1] Pater Z., Samołyk G. „Podstawy technologii obróbki plastycznej metali”. Lublin: Politechnika Lubelska, 2013.

[2] Zych A. „Projektowanie procesów technologicznych. Poradnik dla ucznia”. Radom: Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, 2005.

[3] Rentsch B., Manopulo N., Hora P. „Numerical modelling and validation of conventional sheet metal spinning processes in industrial application”. Proceedings of the IDDRG 2015. Shanghai, China, 2015.

[4] Horajski P. „Cold forming of steel – selected processes, issues, and CAx”. Systemy Wspomagania w Inżynierii Produkcji. 2024; 13(1): s. 41–54.

[5] Gądek T., Majewski M., Nowacki Ł., Drenger T. „Badania kształtowania wyrobów symetrycznych metodą wyoblania wsparte symulacjami MES”. Obróbka Plastyczna Metali. 2019; 30 (4): s. 273–290.

[6] Pacanowski J. „Projektowanie procesów ciągnienia wytłoczek kołowo-symetrycznych i konstrukcji tłoczników. Tom I. Metody i zasady ciągnienia wytłoczek kołowo-symetrycznych”. Kielce: Politechnika Świętokrzyska, 2018.

[7] Niezgodziński M.E., Niezgodziński T. „Wzory, wykresy i tablice wytrzymałościowe”. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2017.

[8] Music O., Allwood J.M., & Kawai K. „A review of the mechanics of metal spinning”. Journal of Materials Processing Technology, R. 210, z 1 (2010), s. 3–23.

[9] Eurotubi S. r. I. „Test raport UNI EN 10204”. Włochy: Eurotubi S. r. l., 2023.

[10] Fischer U., Heinzler M. „Poradnik mechanika”. Warszawa: Wydawnictwo REA, 2008.

[11] Kłysz S. „Podstawy wytrzymałości materiałów”. Warszawa: Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, 2015.

[12] Kagermann H., Wahlster W., Helbig J. „Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0”. Frankfurt: Forschungsunion, 2013.

[13] Kenett R.S., Swarz R.S., Zonnenshain A. „Systems Engineering in the Fourth Industrial Revolution: Big Data, Novel Technologies, and Modern Systems Engineering”. Hoboken: Wiley, 2020.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2026.2.4

 

* Artykuł recenzowany